地球不停地自轉(zhuǎn)，數(shù)十億年來(lái)從未停歇。那么問(wèn)題來(lái)了：我們能不能從地球的自轉(zhuǎn)中“偷”一點(diǎn)能量，比如，用它來(lái)發(fā)電？
事實(shí)上，這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)被追問(wèn)了近兩個(gè)世紀(jì)。早在1832年，法拉第（Michael Faraday）就做過(guò)類似實(shí)驗(yàn)，但他的結(jié)論是否定的。從那時(shí)起，經(jīng)典電磁學(xué)的發(fā)展似乎也印證了這個(gè)判斷：地球雖有磁場(chǎng)，也在自轉(zhuǎn)，但無(wú)法自我驅(qū)動(dòng)發(fā)電。
然而，科學(xué)有趣的地方正在于：有些問(wèn)題雖然被“否定”過(guò)，卻依然值得重新提問(wèn)。
2016年，物理學(xué)家Christopher Chyba及合作者重新審視了這個(gè)問(wèn)題。他們從理論上推導(dǎo)出：如果構(gòu)造出一種在材料性質(zhì)和幾何結(jié)構(gòu)上都滿足特定條件的系統(tǒng)，答案也許就能從“不可能”變成“可能”。
現(xiàn)在，一項(xiàng)發(fā)表于《物理評(píng)論研究》的新實(shí)驗(yàn)似乎讓這一設(shè)想更進(jìn)一步。研究人員用錳鋅鐵氧體制作的空心圓柱體狀磁性裝置，在實(shí)驗(yàn)室中觀測(cè)到了極其微弱但持續(xù)的直流電壓和電流——正如他們的理論預(yù)測(cè)那樣。
“不可能”中的突破口
從理論上看，這一裝置的工作原理與發(fā)電站類似。在傳統(tǒng)的發(fā)電站中，導(dǎo)體通過(guò)磁場(chǎng)導(dǎo)致電子移動(dòng)，從而產(chǎn)生電流。而當(dāng)?shù)厍蛐D(zhuǎn)時(shí)，雖然部分磁場(chǎng)保持靜止，但地球表面的導(dǎo)體也會(huì)穿過(guò)磁場(chǎng)的某些分量。然而，通常情況下，這并不能產(chǎn)生電流。因?yàn)樵谙竦厍蜻@樣的均勻磁場(chǎng)中，感受到這種推力的電子會(huì)迅速重新排列，產(chǎn)生相反的電力，抵消磁力，最終使電荷保持靜止，電流因而不會(huì)持續(xù)流動(dòng)。
大約十年前，Chyba在研究衛(wèi)星穿越行星磁場(chǎng)產(chǎn)生加熱效應(yīng)時(shí)，對(duì)這一問(wèn)題產(chǎn)生了興趣。他開(kāi)始思考：類似的效應(yīng)是否也可能出現(xiàn)在地球表面？
他的答案是：也許可以。通過(guò)一系列復(fù)雜的電動(dòng)力學(xué)推導(dǎo)，他與合作者指出，如果使用一種既是磁屏蔽，又是一個(gè)弱導(dǎo)體的材料，并將其制成空心圓柱體，就可能突破上述的電場(chǎng)抵消機(jī)制。具體而言，當(dāng)這樣一個(gè)空心圓柱體置于地球磁場(chǎng)中，并使其長(zhǎng)軸垂直于地球的磁場(chǎng)方向和旋轉(zhuǎn)速度方向時(shí)，就會(huì)形成一個(gè)無(wú)法被內(nèi)部電場(chǎng)完全抵消的磁推力，從而在圓柱體兩端形成電壓。
這正是他們?cè)?016年首次提出的理論設(shè)想。
微電壓的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
在新的研究中，為了在實(shí)驗(yàn)室中證明他們的理論，Chyba等人用錳鋅鐵氧體制作了一個(gè)長(zhǎng)30厘米、寬2厘米的空心圓柱體，并將其沿南北方向定位，與地面成57°角。這個(gè)位置垂直于地球磁場(chǎng)和地球自轉(zhuǎn)方向——也就是研究人員預(yù)測(cè)將產(chǎn)生最大的電壓和電流的方向。
為了驗(yàn)證這一理論，研究團(tuán)隊(duì)制作了一個(gè)長(zhǎng)30厘米、直徑2厘米的空心錳鋅鐵氧體圓柱體。他們?cè)趫A柱體的兩端各放置一個(gè)電極，用來(lái)測(cè)量電壓。
在實(shí)驗(yàn)中，他們先其沿南北方向延伸放置，并與地面成57°角，即與地球磁場(chǎng)和自轉(zhuǎn)方向垂直的位置——也就是理論預(yù)測(cè)將產(chǎn)生最大的電壓和電流的方向。作為對(duì)照，研究人員還將裝置分別旋轉(zhuǎn)90°（0電壓方向）和180°（反電壓方向），以觀察電壓是否隨方向發(fā)生變化。
測(cè)量結(jié)果證實(shí)了他們的預(yù)測(cè)：當(dāng)裝置處于預(yù)測(cè)的最佳方向時(shí)，電壓達(dá)到約17微伏（μV）；當(dāng)旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，電壓歸零；當(dāng)進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)到180°時(shí)，電壓再次出現(xiàn)，且數(shù)值相近但符號(hào)相反。
此外，研究人員還對(duì)裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了控制實(shí)驗(yàn)：當(dāng)他們使用的是實(shí)心的錳鋅鐵氧體圓柱體時(shí)，電壓始終為零，說(shuō)明空心結(jié)構(gòu)和材料特性似乎是該效應(yīng)發(fā)生的關(guān)鍵。
是新現(xiàn)象，還是幻象？
雖然17微伏的電壓，甚至比一個(gè)神經(jīng)元放出的電信號(hào)還要微弱。但如果這一現(xiàn)象確實(shí)存在，并且裝置可以按比例放大，那么它就有可能在靜止?fàn)顟B(tài)下，持續(xù)產(chǎn)生無(wú)排放的電力。
這聽(tīng)起來(lái)令人振奮，但科學(xué)界仍保持審慎態(tài)度。一些學(xué)者指出，這樣微弱的信號(hào)極易受到溫度波動(dòng)、電磁干擾等因素的影響，因此尚不能斷言其源自地球自轉(zhuǎn)。
不過(guò)，也有科學(xué)家認(rèn)為，即便信號(hào)微小，也可能標(biāo)志著一項(xiàng)新的基礎(chǔ)物理效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。Chyba表示，下一步是等待其他團(tuán)隊(duì)進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果的可靠性；之后才會(huì)考慮如何放大這一效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)更高的電壓和電流輸出。
此外，值得一提的是，這種“偷電”并不代表能量從“虛空”中誕生，它依然是從地球的動(dòng)能中提取的。研究人員估算：如果用這種方式為全球提供全部電力，地球的自轉(zhuǎn)將在未來(lái)100年內(nèi)減慢大約7毫秒——幾乎可以忽略不計(jì)，但也提醒我們，能量總是有代價(jià)的。
無(wú)論這項(xiàng)研究最終能否轉(zhuǎn)化為實(shí)際能源技術(shù)，它都體現(xiàn)了一種珍貴的科學(xué)精神：即便問(wèn)題已被否定，也仍值得重新發(fā)問(wèn)。有時(shí)，真正推動(dòng)我們對(duì)自然規(guī)律認(rèn)知邊界的，正是那些看似“無(wú)聊”或“微不足道”的探索。
#參考來(lái)源：
https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.7.013285
https://physics.aps.org/articles/v18/62
https://www.scientificamerican.com/article/can-earths-rotation-be-a-power-source-physicists-debate-bold-new-idea/
#圖片來(lái)源：
封面&首圖：NASA
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