第8章　異性相吸—電與磁

磁的魔法


　　「自動給東西分類的口袋」聽起來是個只能在夢裡出現的東西，但這種東西其實是存在的。2015年，我在倫敦科學博物館買了幾個可愛的球形磁鐵，有的帶給了朋友，有的留給了自己——有科學玩具就該多多分享，不是嗎？隨後我買了杯熱巧克力，玩了幾分鐘新玩具，然後把這幾個小球塞進旅行袋裡的幾件連帽衫中間，繼續趕路。
　　兩天以後，我在康瓦爾郡想起了那幾個磁鐵小球，我已經冷落它們很久了。我在旅行袋裡翻了翻，發現它們黏成一團掉到了最底下，上面緊緊吸附著7枚硬幣、2個迴紋針和1顆金屬鈕釦。袋子裡的小塊金屬就這樣得到了整理，這一點讓我十分開心。不過接下來我又發現，旅行袋底下還有好些散落的硬幣沒被磁鐵吸住。於是，我開始研究到底是哪些硬幣會被磁鐵吸引、哪些不會。面值10便士的硬幣有幾枚黏在磁鐵上，另外幾枚卻沒有。磁鐵吸附的硬幣全都是面值20便士以下的，其中最多的是1便士的和2便士的，而且製造日期都在1992年以後。
　　磁鐵其實很挑剔，它們認為大多數材料不值得去吸引，比如塑膠、陶瓷、水、木頭或者活物。但是鐵、鎳和鈷就大不相同了，只要沒有外力的束縛，磁鐵一定會飛一般地撲過去。我猜，我們之所以這麼熟悉磁力，完全是因為鐵很常見。這種元素占據了地球品質的35％，而鋼(它的主要成分是鐵，此外還有少量其他物質)則是現代社會用於修建公共設施的基礎材料之一。如果冰箱門不是鋼鐵製成的，那麼冰箱貼根本不會出現。鋼鐵無處不在，所以磁力也成了日常生活中最常見的一種力。
　　旅行袋裡的磁鐵根據硬幣的材質對它們進行了分類。現在，1便士和2便士的硬幣都是鋼製的，只是表面鍍了一層薄薄的銅。而在1992年以前，這兩款硬幣的銅含量高達97％。新舊兩種硬幣在我看來幾乎毫無區別，但磁鐵能夠看穿它們的本質。120便士的銀色硬幣不會被磁鐵吸引，因為它其實是銅製的。老版的10便士硬幣也是銅製的，但是從2012年起，10便士硬幣就改成了鍍鎳的鋼幣。被磁鐵吸引的所有硬幣主要成分都是鐵，儘管其中有些看起來更像是銅幣。
　　磁鐵會在周圍生成一個磁場，這可以說是一種「力場」。換句話說，在這個場的範圍內，磁鐵會對其他物體產生推力或拉力，哪怕二者並未發生接觸。這聽起來似乎有些奇怪，但自然規律確實如此。磁場看不見也摸不著，所以我們很難想像這是個怎樣的存在。磁鐵還有個最重要的特性：所有磁鐵都擁有兩極，即N極和S極。
　　任意磁鐵的N極必將吸引另一塊磁鐵的S極，但兩塊磁鐵的N極會互相排斥。起初我包裡的硬幣沒有磁性，但磁鐵耍了個花招，把它們都吸引過去。被吸引的硬幣內部有許許多多個小區域，我們稱之為「磁疇」。每個磁疇內都有一個小磁場，但它們的N極各自指向不同的方向，這些小磁場會相互抵消。硬幣靠近磁鐵時，磁鐵產生的磁場馬上對這些磁疇施加影響，讓這些小磁場發生變化。變化的結果是，硬幣裡的S極紛紛避開磁鐵的S極，靠近磁鐵的N極。硬幣裡的N極紛紛避開磁鐵的N極，靠近磁鐵的S極。於是，硬幣整體也有了明確的S極和N極，正好和磁鐵的兩極異性相吸。一旦我把硬幣從磁鐵上摳下來，硬幣內部的磁疇又會恢復原來的狀態。
　　人類早已學會透過各種方式利用奇妙的磁力。往小處說，我們製造了冰箱貼，往大處說，磁鐵關係到發電技術的成敗，因為發電設備的核心部件都有磁鐵。發電當然不能單靠磁鐵完成，但磁和電的關係密不可分，在現代社會中，這是一條基本的常識，基本到了我們經常對它視而不見的地步。
　　科幻作家阿瑟·C.克拉克曾經說過：「足夠先進的科技看起來與魔法無異。」電和磁共同造就了無數魔法般的高科技。在物理學的世界裡，這兩種看不見的力常常同時出現，所以我們也總是把它們放在一起討論。電和磁相互影響，密不可分。在探討二者的關係之前，我們不妨深入了解一下我們更熟悉的電。糟糕的是，大部分人對電的初體驗來得十分直接，而且常常伴隨著疼痛。





靜電和蜜蜂


　　羅德島州是美國東北部一個民風淳樸的小州，我曾在那裡住過兩年。這個州的官方暱稱是「海洋之州」。這是美國最小的州，這暱稱聽起來卻無比廣闊。當地人倒是不在意這一點，他們只在乎兩件事：海岸線和夏天。出海之帆、捕蟹小屋、海螺沙拉2、美麗海灘，這些構成了羅德島生活的主旋律。但那裡的冬天十分寒冷。遊客全都消失了，當地人也縮回了屋裡，如果我出門時關掉了暖氣，回來後準會發現連廚房裡的橄欖油都凍住了。
　　冬日最美的時刻，是醒來時感覺到純粹的寂靜，不用睜開眼睛就知道昨晚下了雪的時刻。我在晦暗潮濕的曼徹斯特長大，下雪總是令我激動不已。我愛雪，雪花永遠不會讓我厭倦。我穿上溫暖的冬靴，鏟盡小路上的白雪，雪地裡掘洞的松鼠引得我放聲大笑。在雪天特有的寂靜之中，我一步一頓地走向自己的車。在下雪的清晨，當我第一次觸摸到車身時，迎接我的總是強烈而令人疼痛的靜電。我總是沒有好記性。天啊！
　　有時候我會埋怨汽車，但仔細想想就知道，這樣很沒道理。沿著小路走向汽車時，我身上攜帶著一群想找出路的偷渡客，靜電和疼痛只是它們「跳船」產生的作用。這些「乘客」就是很小很小的電子，它們是組成物質世界的一種微粒。電子的奇妙之處在於，要感知它們的流動，你既不需要高科技和粒子加速器，也不必設計精密的實驗。只要條件合適，我們的身體就能直接感受到電子的運動。不過糟糕的是，對於人體來說，電的流淌通常伴隨著疼痛。
　　我們不妨從原子的結構說起。每個原子中央都有一個沉重的原子核，它占據了原子的大部分重量。我們能看到的所有東西基本都由質子、電子和中子三種「積木」組成，它們的電性各不相同。帶正電荷的質子質量和體積都遠大於電子，中子的大小和質子差不多，但它不帶電。相對於質子和中子來說，電子的體形非常小，但一個電子攜帶的負電荷可以平衡一個質子攜帶的正電荷。這幾種積木組成了物質世界的基本結構。質子和中子在原子中央聚集成團，形成沉重的原子核。在電荷問題上，原子是需要平衡的。正電荷和負電荷就像磁鐵的N極和S極一樣，排斥同類，吸引異類。於是，小小的電子聚集在了沉重的原子核周圍，因為它們帶有負電荷，會被帶正電荷的原子核吸引。整體來說，原子內部的正負電荷相互抵消，但電荷產生的引力將原子凝聚成了一個整體。我們看到的所有物質都充滿了電子，但由於電性總是平衡的，所以我們根本不會意識到這些電子的存在。只有當它們動起來的時候，我們才會注意到這些小東西。3
　　問題在於，電荷的平衡不等於一成不變。兩種不同的材料接觸時，電子常常會在二者之間流動。這樣的流動時時刻刻都在發生，但它通常無關緊要，因為一般而言，多餘的電子很快就會回到自己應該待的地方。我穿著襪子在屋裡走來走去，這不會造成任何問題——每走出一步，尼龍地毯上的一部分電子都會跑到我的腳上，但它們很快又會自己回去。不過，要是我穿上了羊毛襯裡的膠底靴子，情況就不一樣了。電子還是會流竄到橡膠靴底上，但它們再怎麼敏捷也無法輕鬆穿透橡膠，因為這是一種絕緣材料。橡膠自身擁有足夠的電子，但它很難吸收多餘的電子。
　　我清理了早餐桌，穿好了外套，整理好手提袋準備出門。在這個過程中，越來越多的電子通過皮膚和織物的接觸聚集到了我的身上。這些多餘的電子分布在我身體的表面，等我跨出門的時候，我身上已經多了幾千萬億個電子，這個數字聽起來大得驚人，但和我自己原本擁有的電子總量相比，這其實少得可憐。
　　電子為什麼沒有逃走？每個多餘的電子都會遭到同類的排斥，只要有一條出路，它們鐵定會一去不回。但我的靴子擋住了電子逃向地面的路徑。它們還有另一條常見的出路：潮濕的空氣。濕漉漉的空氣中含有大量水分子，水分子具有極性，能吸引多餘的電子。大部分情況下，我身上多餘的電子會搭乘空氣中的水分子迅速逃離，但在大雪之後，空氣總會變得異常乾燥。沒有了豐沛的水分子，電子自然無路可逃。
　　在乾燥的雪天，我沿著房前的小路走向汽車，完全不知道自己身上還搭載著那麼多攜帶負電荷的乘客。停在地上的車就像一個有待存放大量電子的倉庫。就在我赤裸的手指接觸車身金屬的那個瞬間，逃生通道轟然打開。金屬是電的良導體，所以電子可以輕而易舉地在金屬中流動。我身上的電子乘客們爭先恐後地透過指尖的皮膚擁向外面，它們終於獲得了自由。在電流的直接刺激下，皮膚內的感測器產生尖銳的疼痛信號。於是我疼得咒罵起來，暫時忘記了雪有多迷人。
　　靜電恐怕是大多數普通人對電最直接的體驗。電是無處不在的。建築物牆壁、電子設備、汽車、燈、鐘和風扇裡都有電流，但電的概念絕不僅限於插頭、導線、迴路和保險絲，這些東西不過是人類馴服電流之後製造的粗糙產品。在我們這顆星球上，電存在於你意想不到的很多地方，比如，一隻小小的蜜蜂身上。
　　想像一個溫暖、平靜而慵懶的日子，你坐在一座英式風格濃郁的花園裡，草坪邊緣的燕雀有一搭沒一搭地啄著蟲子。在它身後，一排排生機勃勃的鮮花正在爭奪水、營養、陽光和授粉者的注意力，這場戰爭緩慢卻激烈。茉莉花和香豌豆的氣息飄過草坪，炫耀著它們的美味。一隻蜜蜂在花圃中飛舞，尋找著目標。這幅畫面似乎相當閒適，然而對蜜蜂來說，這是一份艱苦的工作，效率十分重要。
　　要停留在空中，蜜蜂需要付出極大的努力——每秒振翅200次。我們聽到的嗡嗡聲就來自它小小的翅膀劃過空氣時產生的振動。對於蜜蜂這麼小的生物來說，空氣阻力會帶來不容忽視的影響，推開大量空氣分子絕非易事。用力拍打空氣，這樣的飛行方式聽起來似乎不夠優雅，但非常實用。蜜蜂在一朵粉紅色矮牽牛花旁邊盤旋片刻，決定停下來歇歇。就在蜜蜂即將鑽進花蕊卻還沒有接觸到花朵的那個瞬間，奇怪的事情發生了：原本好好待在花朵中央的花粉突然跳了起來，撲向蜜蜂腳上的絨毛。蜜蜂停在花瓣上以後，更多花粉黏到了它身上。它還沒來得及喝一口花蜜，身上就已沾滿了這朵花兒的DNA，這些花粉看起來簡直像是主動跳到它身上的。
　　我們發現，飛行增加了蜜蜂的吸引力——這不是因為它容貌美麗、舉止優雅，而是因為它的身體帶電，儘管電量少得可憐。就像我在雪天的經歷一樣，飛行的蜜蜂身上也會聚集一些額外的電荷，但這次誰也不會感到疼痛。
　　蜜蜂自身所帶的電子在蜂翼邊緣徘徊。如果有什麼東西以極快的速度從蜜蜂身邊經過(例如空氣裡的某些分子)，那麼它就可能帶走蜂翼邊緣的電子。事情就是這樣，這和常見的摩擦起電是同一個道理。摩擦可以使某件物品攜帶的電子多於或少於合適的數量，引發不平衡的情況。蜂翼以極快的速度與空氣摩擦，在這個過程中，蜂翼上的電子會被「甩掉」，進入空氣之中。於是，飛翔的蜜蜂就攜帶了微量正電荷，因為它身上的電子數量變少了，無法平衡身上帶正電的原子核。當然，蜜蜂所攜帶的電量非常少，它身上不會出現能被人類感知的靜電現象。
　　蜜蜂靠近花朵時，它的身體會吸引帶負電的電子，同時排斥帶正電的微粒，就像磁鐵的N極會吸引另一塊磁鐵的S極。就在它靠近花朵卻還沒有發生接觸的瞬間，蜜蜂攜帶的正電對花朵表面的花粉已經產生了足夠的吸引力，部分花粉離開花朵，隔空「跳」到蜜蜂身上。然後，這些花粉會吸在蜜蜂的絨毛上，就像帶靜電的氣球會貼在牆上一樣。蜜蜂帶著這些花粉飛向下一朵花，完成授粉的過程。要是沒有靜電，花粉只有等蜜蜂降落在花朵上才有可能黏在黏糊糊的絨毛上。毫無疑問，蜂翼失去少量電子產生的正電促進了傳粉。4
　　電子體積小、移動速度快，所以電荷轉移時，真正發生運動的通常是電子。電子十分活躍，但我們很少意識到這一點。帶負電的電子會彼此排斥，如果大量電子聚集在同一個地方，它們會互相推擠，總有電子會被擠走。不過，有兩種原因可能讓電子留在原地：要嘛是無處可去，要嘛是動彈不得。飛行的蜜蜂無法得到電子，只能讓正電荷在身上積聚。
　　還有一種情況能阻斷電子的流動，而且這種情況是我們可以控制的。如果蜜蜂降落在一個塑膠花盆上，正電荷就無法流入花盆，也不會有電子流到蜜蜂身上。塑膠並非沒有電子，但這些電子都被緊緊地束縛著，與此同時，外來的電子也無法滲入。塑膠既不能容納多餘的電子，也很難失去自己的電子。絕緣體就是這樣。
　　如果蜜蜂降落在塑膠花盆上，那麼它仍然帶正電。不過，一柄金屬園藝叉就可以立即平衡蜜蜂身上的電荷，因為金屬是電的良導體，電子可以輕而易舉地轉移到金屬中去。很多金屬原子會共享自己的外層電子。這些電子時時刻刻都在移動，而且不屬於任何一個特定的原子，所以它們很容易接納或失去額外的一部分電子。
　　有了導體和絕緣體，我們才能建設電網、控制電能的流動。你需要將這兩種材料拼成某種迷宮，迷宮中有一些路徑可以讓電子輕易通過，另一些路徑則障礙重重。另外，你還得設法控制某些道路的關卡。一旦迷宮的基礎結構建立起來，電的世界對你而言就盡在掌控了。





鴨嘴獸和海上電池


　　日常生活中的靜電現象大多只能帶來些小火花，要獲得真正的力量，你得用更系統的方式移動電子。電網非常神奇，人們能讓能量在這裡流動，能用開關和變壓器進行控制，把能量送到任何有需要的地方。電路可以讓我們重新分配電能。有一點請你時刻謹記：電路是一個迴路。電路必須形成閉環，這樣電子才能自由流動，而不是積聚起來。一條電路的起點和終點與電源相連。電源會讓電子從起點前進，並且在終點回收完成了任務的電子。電源像一部電梯，它能把乘客送到一條極高的滑梯頂端，乘客滑到地面上，然後再次搭乘電梯回到高處。下滑的過程就是釋放能量的過程，回到地面的時候，乘客們的能量全都釋放殆盡，需要從電源重新獲得能量，然後再一次坐上滑梯。這就是電路正常運轉的規則。
　　電子暢通無阻地沿著導線移動，那麼推動它的力量到底來自哪裡？導體為電子提供了可以移動的通路，但電子還需要前進的力量。
　　事實上，冰箱貼和帶電的氣球都會表現出一種神奇的特性，它們的周圍會產生一個看不見的力場。力場範圍內，一個物體會對附近的其他物體產生拉力或推力，但你看不到力來自哪裡。這樣的相似並非巧合，電場和磁場的聯繫在運動中更加清晰。我們先回顧一下力場的基本原理，看看在人類世界以外，動物會如何利用力場。
　　河床是一片幽暗的迷宮，裡面布滿了亂石、植物和樹根。渾濁幽暗的河水在這些障礙物之間慵懶地流淌，就在水面下大約1公尺的地方，兩根小小的觸鬚從鵝卵石縫裡探出，隨著水的流動不斷伸縮。如果有什麼東西從附近經過，觸鬚就會立即縮回去。這種淡水蝦以食腐為生，現在它餓得要命，但還得小心天敵。上游有一位獵手滑進了渾濁的水裡，它划動兩隻帶蹼的前足向河流中央前進，接著它閉上眼睛、關閉鼻孔、堵上耳朵，毫不猶豫地扎進了水下。這隻鴨嘴獸該吃晚飯了。
　　如果小蝦完全不動彈，那它不會有任何危險。鴨嘴獸游得很快，它在河底迷宮中穿梭時顯得非常自信，但它畢竟眼不能見、耳不能聽、鼻不能聞。小獸扁平的喙在淤泥中左右划動，尋找獵物。隨著鴨嘴獸的逼近，正在覓食的蝦感覺到了水流的變化，於是它一彈尾巴，倏地縮回礫石之中。結果，獵手轉了個彎追了上來。蝦彈動尾巴時需要發送生物特有的電信號來控制尾部肌肉的收縮，這個電信號會以蝦的身體為中心產生一個轉瞬即逝的電場。在這一刻，附近的電子都會受到微弱的影響，有所移動。這個電場只存在了幾分之一秒，但這已經足夠。鴨嘴獸的喙有4萬個電感測器分布在上下表面，一旦發現水流和電流變化，鴨嘴獸立即就能判斷出蝦所在的方向和距離。小獸的喙閃電般準確地刺入河床，蝦難逃厄運。
　　蝦輕輕一動就為自己招來了滅頂之災，因為只要它一動，就會引發電場的變化。每一個電荷都可以形成電場，電場中其他電荷都會受到力的作用，但電荷位置不同，受力情況會不一樣，這是「場」的概念所關注的要點。有電信號收發就意味著有電荷移動，這當然會對周圍其他電荷的受力情況產生影響。所有運動都牽涉電信號在生物體內的移動，這樣的變化必然波及電場，所以只要你離獵物的距離夠近，探測電信號的確是一種非常有效的捕獵方式。斑斕的偽裝色也不可能掩蓋電信號。任何動物都會動，哪怕是最輕微的動作也會產生電信號，從而暴露行蹤。
　　既然如此，我們為什麼感覺不到自己產生的電場？這是因為人體產生的電場相對較弱。更重要的原因是，電場在空氣中衰減得很快，因為空氣不導電。水(尤其是含鹽的海水)是電的良導體，所以電場在水中的影響更大。幾乎所有依賴於電信號探測的物種都生活在水中，蜜蜂、針鼴鼠和蟑螂是我們目前所知的為數不多的幾個例外。
　　電路內部是有電場的，電子在場中受到力的作用，運動起來。但這個電場是從哪裡來的呢？我們不妨從電池開始說起。不同電池的形狀和尺寸各異，其中有一種深得我心，那就是笨重的海洋電池，我之所以特別在意它們，是因為在一場狂野的風暴中，這組漂在海面上的電池成了我完成某個重要實驗的唯一指望。
　　為了在風暴中研究海上的物理學現象，我們需要去實地觀測。海洋環境非常複雜，你必須在野外蒐集足夠的數據，才有可能在溫暖舒適的辦公室裡提煉出理論。不過，就算坐著船乘風破浪，到了海岸幾公里外，我依然很難接觸到真正感興趣的東西，也就是海面下深達幾公尺的水體。弄明白那片區域發生的事，我們會更加了解海洋如何「呼吸」，還能完善天氣預報和氣候預測模型。想透澈地了解情況，我就得親自進入風暴之中。這非常危險。我不能跳進風暴中的大海，但我的實驗必須在海水中完成。實驗需要能量，需要電源，與此同時，實驗設備全都在船外的海面上自由漂流，載沉載浮。海上沒有線電源，這些設備只能依靠電池。對我來說，幸運的是，漂在水裡的電路和陸地上的一樣可靠。
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　　水手長望著地平線，蹙緊了眉頭。他將雙手插在沾滿汙漬的連帽衫口袋裡，踩著顛簸不定的甲板朝我走來。這是11月的北大西洋，我已經有四周沒見過陸地了。放眼望去，目之所及，除了起伏的灰暗海水，就是同樣灰濛濛的天空，周圍的所有東西都隨著風浪起伏搖擺。我把一卷絕緣膠帶放在地上，一個不留神，它就沿著甲板滑了出去，撞上了水手長的靴子。在這陰鬱壓抑的環境中，水手長活潑地道的波士頓口音聽起來簡直有些不合時宜：「你還需要多長時間？」
　　對我來說，海上實驗最辛苦的部分絕對是實驗正式開始前的最終檢查。我很緊張，這是我需要獨自承擔的責任。為了測量破碎海浪下方的泡沫，我需要一個搭載各種測量設備的巨型黃色浮筒。水手長負責把浮筒投放到船外的海域中，但我必須確保所有設備正常運轉。即將到來的風暴一定非常猛烈，我極度渴望獲得關於它的數據。
　　「馬上，我把電池插上就好。」我回答。搭載設備的巨型黃色浮筒長達11公尺，在投入大海前需要固定在甲板上。我從浮筒最前方的防水攝影機開始檢查，接下來是電源連接器。我沿著導線一路檢查到沉重的電池組所在的浮筒底部，然後給攝影機插上插頭。下一步，我回頭去查看浮筒頂端的聲學諧振器，找到它的電源，插好，檢查連接是否牢固。複檢之後，我又看了看另一臺攝影機。這些設備可以淋漓盡致地體現物理實驗的精密和成熟，但它們首先要有電。在海上供電的是4塊笨重的海用鉛酸電池，每塊重達40公斤。自1859年問世以來，這些電池一直保持著最初的設計，但它們非常實用。
　　一切準備就緒，我們這些科學家裹著雨衣遠遠地退到甲板另一頭，把剩下的工作交給船員和起重機。巨型浮筒在船側搖搖晃晃，最後撲通一聲進入漆黑的海洋。隨著最後幾根繩子慢慢鬆脫，眼前的景象出現了奇怪的變化。原本大得像怪獸似的黃色浮筒在浩渺的洋麵上顯得那麼渺小而脆弱，彷彿一塊被拋棄的殘骸，在波濤之間若隱若現。人們趴在甲板欄杆上，熱烈討論著浮筒停留在水面上的姿態和遠離船體的速度。但我考慮的卻不是這些問題，我一直在想的是電子。
　　水面之下，電子的舞蹈已經開場。它們從電池中蜂擁而出，在浮筒搭載的電路中流動，最後又回到電池的另一極。固定數量的電子在電路中循環流動，電子沒有損耗，它們只會不斷轉圈。問題的核心在於，電子的流動需要能量來驅動，而電子又會在運動的過程中將這些能量釋放出去。驅動電子運動的能量來自電池，電池是一種非常精巧的設備。
　　電池的巧妙之處在於，它們推動了一系列事件。這個鏈條中的每個節點都會為電子提供下一段路程中需要的東西。一旦將電池接入電路，電子在迴路中流動的所有條件就已準備就緒。這些在海上使用的電池有兩個連通外界的端子。在電池內部，每個端子各自與一對鉛板中的一塊相連，兩塊鉛板不會直接接觸，二者之間充滿了酸液，所以這種電池被稱為「鉛酸電池」。電池裡的鉛和酸可以發生兩種反應，一種充電，一種放電。充電反應完成之後，鉛酸電池就準備好了足夠的能量，可以進行放電的反應了。
　　我給實驗設備接上電池，也就是接通了從第一塊鉛板出發，經過設備回到第二塊鉛板的通路。關鍵在於，鉛板周圍的化學反應會讓迴路內產生電場。在電場的推動下，電子離開第一塊鉛板，沿著通路前往第二塊鉛板。由於電子無法直接跨越酸液，外部的漫長迴路就成了它們唯一的選擇。一旦電子在電場作用下建立了流動的通路，電池內部的反應就達到了某種平衡，因為整個鏈條構成了閉環。通過化學反應，電子可以從一塊鉛板進入酸液，最終到達另一塊鉛板。整套反應之所以能夠循環進行，是因為這些電子可以通過外部迴路再次回到第一塊鉛板中。最重要的是，這些電子在流動的過程中把攜帶的能量釋放給了設備。這種能量就是電。在電子的必經之路上安插好儀器，你就可以有效地利用電能。這就是電池的工作機制，非常神奇。
　　我靠在甲板欄杆上望著載沉載浮的黃色浮筒，想像著電子的美妙舞步。關閉的儀器就像電路中的一座關卡，打開儀器就是打開關卡，為離開電池的電子提供一條出路。就這樣，電子通過浮筒內的線路進入攝影機。在這個過程中，我們控制了電子的去向。電子總會走最便捷的路，也就是最容易導電的路，所以我們在迷宮中用導電材料搭建通路。導線是金屬的，但包裹導線的塑膠層是絕緣的。這是因為我們需要電流順著導線流動，不希望電流跑到周圍的其他材料中去。除此以外，這裡還有最基本的控制元件：開關。電路中的開關往往連接著兩段導線，二者不會始終連接在一起，但一旦開關閉合，兩段導線發生接觸，電子就能暢通無阻地從這條線流到那條線。要阻止電子的流動，你只需要斷開開關，分開這兩段導線。原本的路徑被切斷，電流就會停滯。
　　進入攝影機內部以後，電子的通路會出現分岔，流入不同的組件，但它們最終還是會匯集到一起，回到電池。古諺說，「條條大路通羅馬」，我們在這裡可以說，「條條大路通電池」。巨大的黃色浮筒只是電路網路的支撐設備，電子本身就會產生電場和磁場，在它們流動的過程中，相機快門會被按下，計時器會發揮作用，閃光燈會點亮，核心電路還會存儲好圖像和數據。
　　浮筒在大西洋風暴的巨浪(有時候高達8～10公尺)中顛簸，電子也在一刻不停地奔跑舞動。我們在顛簸的海洋調查研究船上等待，忍受著自身重力變幻莫測的感覺，用魔術貼、橡皮筋和繩子固定所有物品。三四天後，電池內部的化學反應終於停了下來，它回到了最初未充電時的狀態。電池裡儲存的能量已經耗盡，失去了動力的電子漸漸停止舞蹈。浮筒又變成了一個由金屬、塑膠和半導體組成的死氣沉沉的外殼。但所有數據都已安全地存儲在電腦的固態硬碟裡。
　　幾天後，風暴結束，我們找到浮筒，把它拖回船上。海洋調查研究船的船員從海裡打撈東西的技術總令我讚歎不已。船隻無法側向移動，船體轉向的速度也很慢，要想成功回收浮筒，船長必須把長達75公尺的海洋調查研究船準確地開到浮筒旁邊，既不能壓到它，也不能隔得太遠，這樣船員才能用長長的鉤子把浮筒拖過來。他們通常只需嘗試一次就能成功。
　　接下來又輪到我們上場了。我們把電池插在船用電源上，讓電能重新推動化學反應，為下一次投放做好準備，再把浮筒裡的實驗設備拆下來運回艙內。但攝影機卻被留在了寒冷刺骨的艙外，因為這東西拆不下來，我手下那幾位可憐的博士生得在甲板上提取數據和圖像。
　　能量守恆定律大約是最基本的物理學定律，它的正確性在現實世界中得到了一次又一次的驗證，從來沒有遇到過任何反例。能量既無法被創造，也無法被毀滅，它只會從一種形式轉化為另一種形式。電池擁有化學能，這些能量通過化學反應轉化為電能，電能又被輸送到電路中。電能所到之處，相機可以拍攝圖片，電腦可以運行程式、記錄數據。但這些事辦成的同時，電能也被消耗掉了，或者說變成了別的能量，到了別的地方。這就是移動電子需要付出的代價。長時間運行的設備會發熱，背後就有這方面原因——電能轉化成了熱能。電能通過有電阻的材料時必然會有部分損耗。無論走的是不是捷徑，電子都需要上交這麼一種「稅」。5
　　攝影機裝在厚厚的塑膠殼裡，這種材料的導熱性能很差。攝影機運轉時，循環流動的電子攜帶的能量會轉化為熱能。在水裡，這點熱其實無關緊要，因為在我們做實驗的時候，海水的溫度只有8℃左右，水會吸收大部分熱量，讓塑膠殼迅速冷卻下來。但空氣的散熱性能遠遠比不上水。實驗室裡的電腦全速下載數據的時候，攝影機將一直保持過熱的狀態。我們想盡了辦法，唯一有效的方案是把攝影機留在艙外裝滿冰水的桶裡(幸好船上有製冰機)。因此，我手下的博士生得在外面待上9～10小時，根據攝影機的溫度打開或關閉數據下載開關，這樣才能以最快的速度下載數據，同時保證攝影機不會過熱燒毀。這就是野外科學考察的挑戰。
　　同理，運行中的筆記型電腦、真空吸塵器和吹風機也會發熱。電能必須找到一條出路，如果沒有轉化為其他形式的能量，它最終只能變成熱能。吹風機利用這一點來吹乾我們的頭髮，這種小電器內部的迴路能夠有效地將電能轉化為熱能。但筆記本製造商討厭發熱，因為對筆記本而言，迴路溫度越高，工作效率就越低。要利用電能，我們必須支付「熱稅」。6
　　電子之所以會流動，是因為電場提供了動力。電池提供的不是電子，外部世界並不缺電子。電池真正提供的是驅動電子的電場。如果迴路是完整的，那麼電池提供的電場將推動電子循環運動。事情就這麼簡單。但插頭上的那些數字和字體小得要命的安全警告又是什麼意思？或許我們應該用英國人的方式來解決問題：找出餅乾筒，把水壺放到爐子上。





熱茶水和電流


　　茶歇必須同時具備兩個最重要的元素：有茶喝，能休息。我的一些美國同事永遠無法真正理解這一點，他們習慣了一邊喝茶一邊繼續討論工作。不過對英國人來說，「把水壺放到爐子上」代表著步調的改變。現在我正準備這樣做，不過我用的是電水壺，所以我只需要灌滿一壺水，然後給它插上電源。在水壺燒水的間歇，我的頭腦理應享受這一小段休息時間。
　　按下開關是一件非常簡單的事情。一小片金屬移動了一點點，由此連通迴路中的最後一小段。現在，水壺內部的迷宮中出現了一條通路，一條完全由導體組成的小徑，可供電子輕鬆通過。這條小路暢通無阻，它始於插頭的一個腳，經過茶壺，最後回到插頭的另一個腳。在這種情況下，電場的來源不是電池，而是插座。
　　標準的三腳插頭有一個腳位於最上方，我們稱為「接地端」。它完全獨立於電路的其他部分，實際上，它的作用相當於雪天的汽車——為積聚在錯誤位置(比如水壺的壺身上)的電子提供一條出路。但接地端不屬於水壺的供能電路。
　　另外兩個腳負責讓電子動起來。其中一個腳就好像固定的正電荷，而另一個腳就好像固定的負電荷。按下開關就等於接通迴路，電場也隨之出現。通路中的電子會同時感受到正電極和負電極的力。就在我翻找茶壺和茶包的時候，水壺迴路中的電子動了起來。原本無序推擠的電子開始沿著導線流向同一個方向，從插頭的一支腳出發，經過水壺內的迴路，流動到插頭的另一支腳。
　　水壺底部的標籤告訴我，它的工作電壓是230伏7。電壓會影響推動電子的電場強度。電場越強，電子在迴路中釋放的能量就越多。因此，高電壓意味著電路中的可用能源十分充沛。如果依然用滑梯來比喻的話，電壓代表的是滑梯的高度，電子必須下降這麼長的距離，才能回到插頭的另一個腳。
　　我洗了洗茶壺，把茶包放進壺裡。牛奶和馬克杯都已準備就緒，現在我只要等著水燒開就好。這只需要幾分鐘時間，不過我口渴的時候總是很沒有耐心。快點！我知道電源的電壓不小，可電壓不能決定一切。電壓越高，電子能夠釋放的能量就越多，但是，迴路中流動的電子數量也會影響水壺的效率。要確保壺裡的水在短時間內得到大量能量，最快的辦法是增加迴路中的電子數量，也就是增大電流。
　　我們以「安培」(A)為單位測量電流。電流越大，單位時間內通過導線橫截面的電子數量就越多。用整個迴路的電壓乘以電流，你就能算出電路在單位時間內釋放的能量。我的水壺額定電壓是230伏，它能夠產生13安培的電流，所以230×13≈3000。壺底的標籤上也是這麼寫的。這個水壺的額定功率是3000瓦，相當於每秒釋放3000焦耳能量。這樣的功率足以在2分鐘內燒開一壺水，但有一部分熱量會消散到周圍的環境中，所以在實際生活中，燒開一壺水大約需要2分30秒。
　　等待茶水泡好的時候，我不由自主地想起了別人常說的一句話——電壓只會震你一下，電流才會要命。在羅德島的那個雪天，我和汽車之間的電壓差可能有20000伏，但電荷的數量很少，所以這麼高的電壓不會對我造成太大的傷害。靜電產生的電流很小，傳輸的能量也少得可憐。如果我捏住插頭的兩個腳，用自己的身體取代水壺，那就危險了。強電流由許多電子組成，每個電子都攜帶著等量的能量。強電流的總能量很大，因為有太多電子在迴路中呼嘯而過。這種情況比被汽車電一下危險得多，儘管插頭兩腳之間的電壓差可能只有我和汽車電壓差的百分之一。對於電的殺傷力而言，電流才是關鍵。
　　在電場的推動下，電子在金屬材料做的加熱元件中移動，電場力會稍稍提高電子的移動速度。導體由大量原子組成，加速後的電子必然會與其他粒子發生碰撞。電子在碰撞過程中會損失能量，同時加熱被碰撞的物質。因此，迫使大量電子移動意味著會發生很多很多次碰撞，由此釋放大量熱能。這就是電水壺的加熱原理——加速電子運動，讓它們碰撞其他物體，將電能變成熱能。電子的運動速度其實不快，它們每秒鐘可能只會移動1公釐，但這已經足夠了。
　　把水燒開需要多少能量？單靠小小的電子移動、碰撞就能完成這個任務，想想真有些令人震驚。雖然震驚，但事實不可否認，電場推動電子在導體中運動產生的熱能幫我燒好了茶。這是電能最簡單的應用：直接轉化為熱能。不過，一旦人類學會了搭建電路、連接電源，事情就變得複雜了。
　　同樣涉及移動電子，電池(任何電池)和插座供電大不相同。在由電池驅動的設備中，電子總是沿著同一個方向流動，這叫直流電(Direct Current，DC)。一隻標準的AA電池大約能提供1.5V的直流電。連接電網的插座提供的電流則完全不同，那是交流電(Alternating Current，AC)。英國電網提供的交流電，其方向每秒鐘大約會交替變化100次。8交流電的工作效率更高。
　　直流電和交流電可以互相轉換，不過這樣的轉換有點麻煩。隨身攜帶筆記本電源線的人對此深有體會——電源線中間總有個沉重的小方塊。這個討厭的小東西名叫「交流／直流轉換器」，它的職責是把來自插座的交流電轉化成筆記型電腦需要的直流電。(筆記型電腦的電池提供的也是直流電。)工程師在轉換器內部設置了一系列線圈和電路。為了完成任務，轉換器真的不能太小，9所以現在，我們還是得帶著這個沉重的東西。





祖父的盒子和一段科學史


　　今天的人們早已對電習以為常，但在人類剛剛開始利用電能的時候，它還是一頭性情暴虐、反覆無常的怪獸。我祖父就經歷過各種新奇電器初次進入千家萬戶的年代。
　　最早的一批電視工程師中就有我的祖父傑克。在那個年代，電常常離不開大量的噪音和熱，而且很容易引發爆炸。那些往事深深鐫刻在我祖母的記憶中。在這個智慧型手機和無線網路觸手可及的年代，祖母記憶中那些電器帶來的驚恐顯得非常遙遠。她對電器和電路的熟悉程度也讓我驚訝不已。我從沒聽她認真談論過任何科學技術，但只要說起舊式電視機，她總會信手拈來我聞所未聞的電氣術語。「嗯，」某天她告訴我，「行輸出變壓器是一種重要元件，電視機裡的行輸出變壓器有時候會發出巨大響聲，或者一邊冒煙一邊飄出燒焦的味道。」祖母的話輕描淡寫，但她的北方口音提醒我，那一幕真實發生時很可能極為糟糕。
　　我們看不見電子，但是在20世紀40年代到70年代，你不難看到電子的去向，它們經常引發砰的一聲巨響，或者刺耳的噝噝聲和噗噗聲。突然出現的焦黑斑點和耀眼的閃光也會提醒你，剛才一定有大量能量去了它不該去的地方。傑克所處的年代正是電氣時代的開端，也許只有他們那一代人才知道人類最初探索電的世界是怎樣的體驗。到了他的職業生涯末期，電晶體和電腦的結構都不再暴露在人們的視線中，小巧的外觀和封裝掩蓋了它們複雜、精密的內在，你根本看不出它們內部的世界到底有多麼宏大。不過，在這個時代到來之前的幾十年裡，你幾乎可以親眼見證一切奇蹟的萌發過程。
　　1935年，16歲的傑克以學徒的身分加入了大都會維克斯公司(Metropolitan Vickers)，也就是當地人口中的「都會維克」(MetroVick)。這家電氣重工業巨頭的總部位於曼徹斯特附近的特拉福德，它是發電機、汽輪機等大型電氣設備的世界級生產商。21歲時，傑克結束了電氣工程領域的學徒期，成功出師。他的工作貢獻很大，所以這位年輕人得到了免服兵役的特權。接下來的5年裡，他一直在都會維克公司測試機載槍械的電子系統。這類系統的首次測試被稱為「閃火」(flashing)。人們向整套系統施加2000伏的電壓，只要沒有發生爆炸，就算測試通過。這就是人類剛開始馴化電子的矇昧年代。
　　戰爭結束後，EMI(Electric and Musical Industries，電子與音樂工業公司)10開始招募電氣專家。早期的電視機都是複雜且暴躁的野獸，只有靠專家去設置參數，反覆調整，所以EMI派遣傑克去倫敦接受電視工程師的專門培訓。當時電視機的主要元件包括各式各樣的開關、電阻器、導線和磁鐵，這些元件可以「誘拐」電子，讓它們乖乖按照我們的心意行事。直到20世紀90年代，這些玻璃、陶瓷和金屬製成的元件仍是電視機的核心。那種電視機可以射出一束電子，然後使之彎曲。只要操作得當，螢幕上就會出現活動的圖像。
　　傑克學習的是CRT電視的相關技術，我喜歡這個名字，因為它總讓我想起電子被發現之前的那個世界。CRT是Cathode Ray Tube(陰極射線管)的縮寫，陰極射線的發現也是個有趣的故事。1867年，德國物理學家約翰·希托夫(Johann Hittorf)正在觀察自己最新的實驗結果。實驗室裡一片漆黑，這裡的主角是一根兩端鑲嵌金屬棍的真空玻璃管。這件設備聽起來似乎平淡無奇，但是只要在金屬棍之間接入一大塊電池，就會有看不見的神祕物質從玻璃管的一端流向另一端。這是多麼奇怪的事情！希托夫知道神祕物質的確存在，因為它會讓安排在玻璃管另一端的特殊材料發光。誰也不知道這種流動的神祕物質到底是什麼，但它需要一個名字，最後人們決定稱之為「陰極射線」。陰極是指真空管與電池負極相連的那一端，神祕物質正是從這裡發出的。
　　直到30年後，湯姆森(J.J. Thomson)才發現，真空管內流動的物質其實不是射線，而是一束帶負電的粒子——如今我們稱之為電子。但時過境遷，「陰極射線」這個名字已叫了太久，於是人們保留了這個約定俗成的叫法。今天我們知道，存在電壓差的兩極之間會形成一個電場，電子總會從負極向正極流動。任何帶負電的粒子都會被電場加速，因為電場會對它施加持續的推力。電子之所以會流向正極，不僅是因為它會被正極吸引，也因為電子在運動過程中受到電場的推動。兩極之間的電壓差越大，電子流動的速度就越快。CRT電視內部的電子擊中螢幕時的速度十分驚人。哪怕是與整個宇宙的速度上限——光速相比，這個速度也不算微不足道。
　　直到20年前，引領人類發現電子的陰極射線管仍是所有電視機的核心元件。每一臺CRT電視背後都有一個噴出電子的設備，而映像管就是真空的，電子在這裡飛行不會遇到氣體的阻礙。「電子槍」射出的電子會徑直穿過真空區域，撞擊螢幕。
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　　傑克去世後，我姑媽將他車間裡的一個盒子留作紀念。盒子裡的小物件琳瑯滿目，其中有一種很像圓柱形燈泡的玻璃管，裡面裝著昆蟲似的奇怪金屬零件，這其實是一種「閾」，可以用來控制迴路中的電子。在職業生涯的早期，傑克的工作是找出有問題的元件，然後把它們換掉。我的母親、姑媽和祖母對此都有清晰的記憶，因為那時候家裡到處都是五花八門的電子元件。盒子的角落裡藏著一大塊環形磁鐵，現在它已經碎成了兩半。
　　這個物件背後的意義非同小可，它代表了物理學家在19世紀晚期的重大發現：磁可以控制電，電也可以控制磁。電和磁是一體兩面的現象，電場和磁場都能推動電子，但結果不同。電場會沿著場的方向推動電子，而磁場會對運動的電子產生側向推力。
　　發出電子束已經很讓人驚奇了，但舊式電視機真正巧妙的地方在於對電子束方向的控制。這種技術的奧妙在於電和磁之間密不可分的關係。在磁場中，運動的電子會受到側向的推力，磁場越強，推力也越大。通過調節舊式電視機內部的磁場強度，人們可以按照需要扭轉電子束的方向。姑媽給我看的那一大塊永磁鐵曾經被安裝在電子槍旁邊，它可以輔助約束電子。真正負責調整電子束方向的是離螢幕更近的電磁鐵，來自天線的信號直接控制著它的磁場。磁場內的電子束逐行掃描，帶著影像訊號擊中螢幕，讓螢幕的每一點都呈現應有的明暗和色彩。祖母提到的「行輸出變壓器」就是用來控制電子束掃描過程的。電子束每秒對405條掃描線進行50次循環掃描，精確控制螢幕上的各個點，以保證螢幕呈現清晰的圖像。
　　這是一場精巧複雜的電子之舞。要讓電視螢幕正常顯示圖像，我們需要大量元件協同合作，哪個環節都不能出錯。早期的電視機有很多用來調節參數的旋鈕和轉盤，你可能會覺得這麼複雜的設備擺弄起來一定很有意思，但普通觀眾很難學會這麼煩瑣的調整方法。傑克十分擅長對付舊式電視機。在那個年代，他的手法看起來簡直就像變魔術。千百年來，嫻熟的手藝一直是工匠的立身之本，人們可以將工匠的操作手法當成絕活來欣賞。現在不一樣了，電氣工程師可以讓設備正常運轉，但門外漢根本看不到內行到底做了什麼，更不知道設備是如何運轉的。
　　電視螢幕上的絢麗圖像竟然全都來自真空腔內沉默隱形的電子，想想真有些不可思議。長達50年的時間裡，電視機的基本原理一直沒有變過。讓電子進入電場，它的速度必然會變化。讓運動的電子進入磁場，它的路徑必然會發生偏轉。要是停留在磁場內的時間夠長，電子甚至可以轉圈。
　　日內瓦的歐洲核子研究組織(CERN)有一臺巨型物理實驗設備，叫作大型強子對撞機(Large Hadron Collider，LHC)。它最著名的功勞是在2012年發現了希格斯玻色子。11這臺設備的運作原理和陰極射線管一模一樣，只不過它加速的物質不是電子。電場能夠加速任意帶電粒子，磁場也能彎曲任意帶電粒子的運動軌跡。這臺設備裡高速運行的是帶正電荷的質子。通過LHC的加速，質子的速度可以無限接近光速，但即便是人類製造的超強電磁鐵，也很難讓質子扭轉方向。於是，為了讓質子達到想要的偏移程度，LHC修建了長達27公里的環形隧道。
　　帶電粒子在真空中的流動現象讓人們發現了電子，也讓CERN的大型強子對撞機找到了希格斯玻色子。直到不久前，這種真空管器件還藏在千家萬戶最常用的電器之中。現在，笨重的CRT電視幾乎已經徹底被液晶電視取代。2008年，液晶螢幕在世界範圍內的銷量就已超過CRT螢幕，歷史一去不復返了。液晶螢幕的普及成就了筆記型電腦和智慧型手機，因為它更加方便攜帶。新的螢幕的背後依然是電子，但原理更加複雜。螢幕被劃分為多個微小的格子，我們稱為「像素」，電子開關控制著每個像素點。如果你的螢幕解析度是1280×800像素，這意味著它實際上由大約100萬個獨立的像素組成，每個像素都能通過微妙的電壓變化完成切換，它們的狀態每秒至少要更新60次。所有像素點配合默契，令人震驚，但與筆記型電腦的功能相比，這又顯得那麼微不足道。
　　我們不妨回頭來看磁鐵。磁場可以推動電子，因此它也能控制電流。不過，電和磁之間的互動是雙向的，電流也會產生自己的磁場。





又是烤麵包機


　　正如我們在第5章中看到的，烤麵包機可以利用紅外線高效地加熱麵包。但燒烤臺也能高效地加熱食物，這不算什麼。烤麵包機真正厲害的地方在於，它知道應該在什麼時候停止加熱。
　　烤麵包機使用起來非常方便。只有當你壓下側面的壓桿時，麵包才會沉入烤麵包機內部。如果壓桿沒有按壓到位，麵包就會自己彈回來。如果你把壓桿壓到底，聽到了喀嗒聲，那麼幾分鐘後，熱騰騰的麵包就會彈出來。你不需要一直守在旁邊，烤麵包機會再次發出喀嗒聲，然後自動把烤好的麵包彈出來。我在廚房裡翻找奶油和果醬的時候，有某種力量讓麵包一直停留在烤麵包機內部。
　　烤麵包機的工作機制有一種簡潔之美。烤麵包機內部有個托盤，托盤底部的彈簧可以將麵包高高舉起，遠離加熱元件，可是當你壓下壓桿時，彈簧就會屈服於你的力量，托盤就會下沉。一旦托盤到達烤麵包機底部，一小片凸出的金屬就會連通兩個迴路。其中一個迴路負責加熱，於是烤麵包機內部的電流開始流動，加熱元件開始工作。
　　另一個迴路的任務更加有趣。迴路中的電子流經的線路繞著一小塊鐵轉了一圈又一圈，最後再回到插座裡——對電子來說，這樣的路線可能有些暈頭轉向。電和磁密不可分，電子流經導線時會在導線周圍產生磁場，如果電流經過的是線圈，那麼電子每流動一圈，這個磁場的強度就會增強一點，線圈中央的鐵芯又進一步增加了磁場強度。這就是電磁鐵，通電時它會產生磁性，一旦電流歸零，磁場也隨之消失。壓下烤麵包機的壓桿時，你在烤麵包機底部製造了一個原本不存在的磁場。麵包托盤是鐵質的，所以托盤會被吸在這塊電磁鐵上。換句話說，我在冰箱裡翻找奶油的時候，一個臨時的磁場將麵包托盤固定住了。烤麵包機側面有一個計時器，一旦迴路接通，計時器就會開始工作。只要時間一到，計時器就會切斷電路。失去了電流的電磁鐵無法維持磁性，在彈簧的作用下，麵包托盤向上運動，麵包就彈了出來。
　　有時候，我會忘記給烤麵包機插電，不過我很快就會回過神來，因為電磁鐵沒有通電，無法吸附托盤，所以壓桿一定會彈回來。這套機制如此簡單，卻又如此精巧。我們每一次烤麵包都是在利用電和磁之間的基本關係。
　　電磁鐵用途很廣，因為人們可以用它輕鬆地控制磁性。擴音器、電子門鎖和電腦硬碟驅動器裡都有電磁鐵，需要持續供電，否則磁場就會消失。冰箱貼那樣的磁鐵叫作永磁體。你不能控制冰箱貼磁性的有無和大小，而它們也不需要能源。電磁鐵在通電時的特性和冰箱貼一樣，但只要停止供電，它的磁性就會消失。
　　我們周圍到處都是微型磁場，有的是永久性的，有的是臨時性的。這些磁場幾乎都是人造的，它們要嘛有某種實際用途，要嘛是某個元件完成自身任務時產生的。這些磁場影響的範圍通常很小，所以你只有湊得很近才能探測到它。不過，除了這些小磁場以外，還有一個大得多的磁場籠罩著我們的行星，而且它是純天然的。我們感覺不到它的存在，但卻時時刻刻都在利用它。





指南針和大陸漂移


　　我們早已對指南針習以為常，尤其是熱愛遠足的人們。指南針的指針標有N的一端永遠指向北方，這為我們提供了很多便利。如果你有10個、20個，甚至200個指南針，把它們全都擺在你面前的地板上，那麼每個指南針標有N的一端都會指向北方。你總會發現，無論你看還是不看，無論放在哪裡，指南針標有N的一端始終會指向北方。你可以把這些指南針送到世界上的任何一個地方，然後重新把它們一字排開，結果都是一樣的。無論你是在城市、沙漠、森林還是山地裡，地球磁場永遠與你同在。我們生活在這個巨大的磁場中，雖然人類永遠無法感覺到它的存在，但指南針會悄無聲息地提醒你，它就在那裡。
　　指南針是一種非常簡單的工具。它的指針是一塊磁鐵，磁鐵的兩端分別是N極和S極。這表明指針一端指向地磁北極，另一端則指向地磁南極。取兩塊磁鐵，讓它們彼此靠近，你會發現你得花很大的力氣才能讓兩塊磁鐵的N極貼到一起，但兩塊磁鐵的N極和S極之間卻有極強的引力。藉助這一點，我們可以輕鬆地探查磁場方向：在磁場裡放一小塊磁鐵，讓它自發旋轉，穩定下來之後，它的N極和S極指向與磁場方向相反。這就是指南針的原理：活動的磁性指針會指出它所在的磁場方向。我們看不到地球產生的巨大磁場，但可以通過指南針的指針觀察它。指南針不光能感知地球的磁場，舉著指南針在家裡轉一圈你就會發現，插座、鋼製鍋、電氣設備、冰箱貼，甚至近期接觸過磁鐵的鐵製品周圍都存在磁場。
　　顯然，指南針最重要的用途是導航。在一個球體的表面上確定自己所在的位置從來就不是易事，但地球的磁場為古往今來的探險家們提供了非常可靠的工具。地球擁有地磁北極和地磁南極，只要手邊有一個指南針，你就能輕鬆判斷南北。作為一種導航工具，磁鐵製成的指南針直觀、廉價，而且不需要任何能源。但是，指南針也有缺陷，排名第一的缺陷聽起來非常嚴重：地球的磁極並不是固定不變的，它會發生漂移，有時候甚至會漂移很長一段距離。
　　在我用鍵盤敲出這段話的時候，地磁北極位於加拿大北部，距離「真正的北極」約430公里。這裡的「真正的北極」指的是由地球自轉軸確定的地理北極。在一年的時間裡，地磁北極可以移動42公里。如果以現在的趨勢推測，地磁北極將跨越北冰洋，向俄羅斯的方向前進。對航海家來說，這個消息聽起來非常糟糕。但地球真的很大，磁極漂移帶來的影響或許沒有我們想像的那麼嚴重。地球磁場的細微變化自有其內在的原因，這一現象也提醒了我們，我們腳下這顆星球絕不僅僅是一個靜態的岩石球。
　　在我們腳下的地底深處，富含鐵的地核外層正在緩慢地運動，將內部的熱量送到外層。地球的自轉迫使熔化的岩漿隨之轉動，由於鐵的存在，黏稠凝滯的地核外層成了電導體，甚至很像烤麵包機裡的電磁鐵。科學家認為，地核外層中的電流隨著地球而轉動，造就了我們這顆行星的磁場。既然地磁來自緩慢移動的岩漿，那麼岩漿運動的微妙變化自然會影響地球磁場，造成磁極漂移。地球磁軸的方向與自轉軸大體一致，這是因為地球的自轉帶動了富含鐵質的岩漿旋轉，同樣也是這個原因，磁軸和地軸的方向只是大體一致，而非完全吻合。
　　如果你非常在意導航的準確性，那就需要根據磁極的即時方位修正指南針的指示結果，因為地磁北極並不是真正的地理北極。現在的地圖會同時標出這兩者的位置，我看過英國國家測繪局(Ordnance Survey)發行的英國南岸局部地圖，地圖上方同時標出了地理北極和地磁北極。如果你完全按照指南針指示的方向朝北方前進40公里，最終你的位置會向西偏差1公里。地圖似乎是永久不變的，但用來導航的磁場卻沒那麼穩定。現代技術可以保證我們不會因為磁場帶來的偏差而時常迷路，但即便裝備了目前人類最先進的導航技術，航空業仍需高度警惕地球磁場帶來的誤差，所以機場必須不斷更改跑道上的標誌。
　　下次去機場的時候，請注意觀察每條跑道起點處的巨大標誌。全世界的所有飛機跑道都會標有數字，其大小等於跑道偏離正北的方向角數值除以10。舉個例子，格拉斯哥普雷斯蒂克國際機場的一條跑道標著數字12，這代表降落在這條跑道上的飛機機頭角度是120度。每條跑道都會標出一個從01到36之間的數字。12這個角度的測量基準是地磁北極，因為這是根據指南針來定的。在2013年，12號跑道變成了13號跑道，這是為了與漂移後的地磁北極保持一致。跑道沒有動過，但地球磁場動了。航空管理機構時時刻刻注意著這方面的動向，有必要則更改跑道的標誌。地球磁極移動的速度相對很慢，所以這樣的修正還可以接受。
　　磁極漂移只是個開始。地球不穩定的磁場影響的不只是導航。地磁變化留下的蛛絲馬跡幫助人們最終確認了地質學歷史上最簡潔、最基礎也最具爭議性的理論：大陸板塊(主宰地球表面的巨大岩石塊)漂移說。
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　　20世紀50年代，人類文明飛速進入全新的科技時代。現代社會的根基已經初現雛形：微波爐、樂高、魔術貼和比基尼先後登臺亮相，並且開始普及。人類迎來了原子時代，人們的生活方式有了顛覆性的改變，信用卡也在這時問世。然而，儘管現代化的進程快得讓人眼花撩亂，人們對自己居住的這顆行星依然所知甚少。地質學家一直在狂熱地為各種岩石編製目錄，但他們卻無法解釋地球本身呈現的問題：山脈是怎麼形成的？為什麼會有火山？為什麼有的岩石非常古老，有的岩石又那麼新？不同地區的岩石為什麼差異巨大？
　　許多現象亟待解釋。南美洲東岸和非洲西岸的輪廓線極其相似，看起來就像是兩塊相鄰的拼圖。除了輪廓線以外，這兩條海岸線上的岩石種類和化石類型也高度吻合。難道這些全都是巧合？但大部分科學家從未深入思考過這些問題，大陸實在太大了，誰也沒想過它竟然會動。20世紀早期，一位名叫阿爾弗雷德·韋格納(Alfred Wegener)的德國研究者終於將各方面的證據拼湊在一起，提出了「大陸漂移」假說。魏格納提出，南美洲和非洲曾經彼此相連，後來這片巨大的陸地裂成了兩半，越漂越遠。當時幾乎沒有哪位科學家把他的話當真，大陸這麼龐大的東西也能漂移大約4800公里？這聽起來簡直是天方夜譚。就算魏格納說的是真的，那麼是什麼力量推動了大陸漂移呢？魏格納認為，海床上的溝壑是大陸漂移時摩擦形成的，但他無法提供任何證據。魏格納既說不出大陸漂移的原因，也無法描述漂移的具體過程，所以他提出的假說很快就被人們束之高閣。此後也沒有人提出更好的理論，這個問題一直懸而未決。
　　到了20世紀50年代，人類仍未解開南美洲和非洲之謎，但科學家們有了一些新的發現。火山噴出的岩漿裡富含鐵元素，人們發現，其中有一種化合物的微粒在磁場中會像指南針的指針一樣轉動。等到岩漿冷卻形成岩石以後，這些鐵礦微粒也會被固定下來無法繼續轉動。也就是說，含鐵的火山岩會記錄下岩石形成時地球磁場的方向。地質學家開始利用這一點研究地球磁場在漫長歲月中的變遷，結果發現了一些更有趣的事情。地球磁場的方向似乎每隔幾十萬年就會倒轉一次，原來的地磁北極變成了地磁南極，原來的地磁南極則變成了地磁北極。這似乎並不重要，但十分古怪。
　　接著，地質學家開始探查海床。地球結構有一個未解之謎：海床大部分區域都是平坦的，但幾個大洋底部卻聳立著宏偉的海底山脈，誰也不知道這些山是從哪裡來的。最著名的海底山脈是大西洋中脊，這條山脈由許多火山組成，它始於水面之上的冰島，隨後沉入波濤之中，在大西洋底蜿蜒，一直延伸到南極洲附近。1960年的磁場測量數據表明，這道山脊周圍的岩石表現出了奇怪的磁性。它們產生的磁場是帶狀的，而且磁場帶的方向平行於大西洋中脊。從這條山脊開始往外測量，海床上的岩石產生的磁場先是指向北方，然後轉向南方，然後再次轉回北方，而且這樣的帶狀磁場沿著大西洋中脊延伸，始終保持一致。更奇怪的是，山脊兩側的磁場完全呈鏡像排列。
　　1962年，兩位英國科學家德拉蒙德·霍伊爾·馬修斯(Drummond Hoyle Matthews)和弗雷德·瓦因(Fred Vine)找到了這些現象之間的聯繫。13事後去看，你幾乎能聽到所有奇怪的線索拼到一起時發出的喀嗒聲。他們提出，在大陸漂移分離的過程中，海床上的火山也許會不斷噴發，形成新的海床。海底山脊最高處的磁性符合當時的地球磁場，但是隨著大陸的漂移，山脊處的岩石會不斷向坡底移動，同時火山噴發形成新的岩石。等到地球磁場發生逆轉的時候，剛剛噴出的岩漿磁性也會隨之逆轉，形成磁極方向相反的新的岩石帶。山脊兩側的磁場條帶之所以會呈鏡像排列，是因為每一條岩石帶都代表著磁極方向相對固定的一段時期，直至磁極發生逆轉。同時期的其他發現表明，原有海床在大陸漂移的過程中會不斷被摧毀，這一點非常重要，因為地球本身的大小是不變的。在南美洲的另一側，安地斯山脈之所以會存在，是因為太平洋原有的海床被推入大陸板塊下方，重新進入地幔。只要你知道了大陸板塊會漂移、碰撞、分離，在這個過程中它們會不斷摧毀舊海床、創造新海床，那麼我們之前提到的地質謎團就都有了合理的解釋。板塊構造論的發現是地質學領域的一塊豐碑，現在，這套理論已經成為我們理解地球結構的基礎。
　　大陸的確會發生漂移，但它們不會摩擦海床。大陸板塊漂浮在地幔上方，地殼之下的對流為它們提供了推力。時至今日，大陸的漂移仍未結束。目前，大西洋仍在以每年2.5公分左右的速度繼續變寬。14新的磁性岩石帶仍在不斷形成。要說服科學家地球表面的大陸竟然能夠移動，這需要堅實的證據，海床奇怪的磁性模式提供了不容置疑的證明。今天，我們可以用高精度GPS數據測量所有大陸的移動，也能看到地球的運動。但在幾十年前，在地球岩石中沉睡了千萬年的磁性材料為我們提供了證明大陸漂移說的關鍵證據。





最後一塊拼圖


　　電和磁的協同作用至關重要。人類的神經系統利用電來傳遞信號，電驅動了我們的文明，而磁讓我們能夠儲存訊息、操控看不見的電子完成各種任務。文明竟能如此徹底地讓人們感覺不到電磁的世界，這實在是個了不起的成就。普通人很少有機會遭遇電擊或者停電，我們如此善於掩飾電場和磁場，以至於大部分人根本意識不到它們的存在。這一方面展示了我們對電磁強大的控制力，另一方面又顯得相當可悲，因為我們心甘情願地遠離了那個精彩絕倫的世界。但是，未來的某些新東西或許會提醒我們，讓我們不至於將電和磁徹底遺忘。
　　人類文明正在試圖擺脫對化石燃料的嚴重依賴，前方有一條越來越清晰的出路。發電不一定要在荒郊野外的發電廠進行。生產可再生能源的發電站可以設置在離家園更近的地方，或許在未來，我們將有更多機會看到自己用的電來自哪裡。我戴的手錶上就有一塊太陽能電池板，現在這塊錶已經兢兢業業地工作了7年。在窗旁收集太陽能的技術已經問世，除此以外，我們還能收集走路產生的動能和波浪產生的能量。這一切都基於電和磁的基本原理。
　　關於電和磁的拼圖還剩下最後一塊。烤麵包機讓我們看到了電流產生的磁場，但磁場也能產生電場。如果在導線附近移動一塊磁鐵，電子之類的帶電粒子也會受到推力，這意味著運動的磁鐵會創造出電流。這不是什麼未來的高科技，這就是現代電網使用的基礎技術。控制導體和磁場之間的相對移動，讓變化的磁場推動電子，轉換出電能——靠燃氣和核能推動的汽輪機和手搖發電的收音機都在利用這個原理。風力發電就是最簡單、最美好的電磁轉換案例。
　　高高的風力發電站看起來平和而安寧，白色立柱支撐著轉動的優雅扇葉。但只要你走進塔基，就會看到平靜之下的不平靜。這裡充滿了低沉嘈雜的嗡嗡聲，你會覺得自己彷彿一步邁進了某個巨型樂器的肚子裡。定期對訪客開放的風力發電站為數不多，我曾在英國東部的斯沃弗姆參觀過一處。這趟旅程戳破了我腦子裡的美麗想像，但我覺得不虛此行。
　　沿著旋轉樓梯向上攀爬時，時強時弱的嗡嗡聲一直伴隨在我左右。你可以感覺到風正在搖撼整座高塔，眼前的光線開始閃爍，你知道自己離塔頂越來越近，因為轉動的扇葉有規律地遮擋了自然的陽光。突然間，眼前豁然開朗，在離地67公尺的高度，你進入了一個封閉式的全景看臺，發電機的轉軸就在你頭頂上。現在，所有平和安寧的感覺已經徹底消失，三片長達30公尺的巨型扇葉在你頭上呼呼轉動，讓人感到震撼。毫無疑問，高空中充盈著待收割的能量，風時強時弱，扇葉的轉速也隨著風力的變化不斷起伏，幾乎完全同步。單單這一點就給我留下了深刻的印象。
　　但風力發電機最關鍵的部分隱藏在扇葉後面的轉軸座裡。如果我把鼻子貼在玻璃上盡力抬頭，就能看見整個軸座。在我頭頂，轉軸的外圈繞著固定的內圈穩定地旋轉。外圈的內襯是一層強磁性的永磁體，而內圈則襯有一層銅線圈，與迴路相連。轉動的磁鐵會在線圈內引發感應電流，運動的磁場推動電子在線圈中流動。儘管磁鐵和銅線並未直接接觸，但這套系統卻將扇葉轉動的能量轉化成了迴路中的電能。扇葉驅動磁鐵繞線圈旋轉，根據電和磁的定律，線圈中必然產生電流。這就是風力發電機的工作原理。
　　其他所有發電站背後都有這個原理，無論它們使用的能源是煤炭、天然氣、核還是波浪。外來的能源推動磁鐵繞線圈轉動，動能通過這種方式轉化為電流。風力發電機的美妙之處在於，它的發電方式非常原始，風直接推動磁鐵產生電流。如果換成燒煤的火電廠，我們就需要用煤來加熱水，再利用水推動蒸汽渦輪機轉動磁鐵。這兩種發電方式得到的結果完全相同，但火電廠需要的中間步驟更多。你每一次插上插頭，都是在使用運動的磁鐵推動銅線中的電子產生的電流。電和磁形影不離，難分彼此。支持人類文明的主要能源全都來自這對雙胞胎兄弟默契的舞步。今天，我們將它們深深地隱藏起來，電和磁的世界被我們砌進牆壁、埋入地下。現在的孩子或許一生都不會直接看到或體驗到電和磁，我們為那個奇妙的世界蓋上了一件隱身的斗篷，我們的後代也許再也體會不到電磁有多麼奇妙，多麼重要。我們不能任由這樣的事情發生，因為人類文明的經緯全都由電磁的絲線織成。
　　

註釋
　　1　新的硬幣也要略厚一點，因為它的重量和舊幣完全相同(同質量的鋼體積要比銅大一點點)。正是這個原因，鑄幣廠更改了硬幣的製造材料以後，所有自動販賣機都必須進行相應的改造——相同質量的不同金屬占據的空間是不同的。自動販賣機也會檢查硬幣的磁性是否符合它的面值和種類。
　　2　我不開玩笑，他們對此真的很自豪。在羅德島州，哪怕是那些自稱素食者的年輕女孩也照樣會吃海螺沙拉，雖然據我觀察，這道名菜的主要原料是巨大的海洋軟體動物和大蒜。
　　3　有時候電子會發生轉移，不同的原子核可以共享同一批電子，分子就是這樣形成的：共享電子帶來的引力拉近了原子核之間的距離，不同的原子由此形成一個分子。正負電荷之間的引力讓原子和分子凝聚成形。有時候電子會在不同的分子之間來回運動，改變原子核結合的對象和模式，這個過程我們稱為「化學反應」。化學研究的正是電子之舞和這奇妙的舞蹈帶來的美妙的複雜性。
　　4　蜜蜂的故事還有個轉折。2013年，布里斯托大學的研究者發現，每一朵花都攜帶著少量負電荷，一旦蜜蜂降落在花朵上，二者攜帶的靜電就會相互抵消。他們示範了蜜蜂無須降落就能分辨出哪些花朵帶負電、哪些不帶。研究者提出，蜜蜂或許不會青睞那些不帶電的花朵，因為這意味著之前有其他蜜蜂來過。
　　5　你家裡的電熱器正是基於這個原理。我們迫使電子流經強電阻材料，將它們攜帶的電能轉化為熱能。其他任何能量轉換過程都有損耗，因為必然有一部分能量會轉化為熱能。但如果你需要的是熱能，那麼能量的利用效率就能達到100％……真是太完美了！
　　6　有些刻板的老學究或許會說，現在我們已經發現了超導材料。是的，超導體的確存在，但將物體冷卻到接近絕對零度需要消耗巨大的能量，同時產生巨量的熱。所以，如果你追求的是能量的利用效率，超導材料其實幫不上什麼忙。
　　7　不同國家和地區的民宅供電會有所差別，歐洲很多地方的民宅供電為230伏。在中國，這個數字是220伏。——編者
　　8　也就是每秒循環50次——所以我們說英國主電網的額定頻率是50赫茲。
　　9　寫給愛好細節的讀者：轉換器的工作流程分為三步。第一步，它把230V的電壓轉化為20V左右，即筆記型電腦的工作電壓。第二步，轉換器把電流的每一次循環切割成兩半，截出方向一致的電流。第三步則是對電流進行平滑處理，讓它變得像電池輸出的直流電一樣穩定。
　　10　這是一家以電子技術為核心的老牌企業，主要業務涉及錄音和播放技術。後來，EMI發展出了一個極有影響力的音樂品牌，也就是我們熟知的「百代唱片」。——編者
　　11　這個發現引起了轟動。在此之前，物理學家已經在組成宇宙的粒子之中探測到了一種模型，粒子物理學界稱為「標準模型」。但這種模型成立的前提是宇宙中存在一種非常特殊的粒子：希格斯玻色子。人類花了數十年時間來尋找希格斯玻色子，2012年的發現極大地增強了我們對現有理論的信心。
　　12　或者跑道兩頭分別標出兩個數字，二者之間相差18(比如09—27)。因為飛機可以從跑道的任意一頭起飛或著陸，不過顯然，根據你選擇的方向不同，機頭的角度自然會相差180度。
　　13　同時代的加拿大人勞倫斯·莫利也曾提出過同樣的想法，但他的論文因為「荒謬可笑」而被期刊退稿了。
　　14　人們常說，大西洋變寬的速度和你的指甲生長的速度差不多。