科学研究的“无用”之用

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基础研究往往能带来巨大回报 —— 但我们做基础研究的初衷并非于此。图源：Getty Images

公众对政府斥巨资资助“无用”的科学项目的做法向来争议不断，这种事早已屡见不鲜。你或许会觉得，哪怕只是花小钱研究矮牵牛花的颜色，也是资金浪费。

没错，这是从商业视角出发的看法。但即便你只在乎投入产出比，只要考虑到那些无法预见的后续效应，这些项目往往最终都能带来回报。（可以去了解下矮牵牛花的故事！）接下来，我要讲述另一个看似 “愚蠢” 的小实验，它最终实现了极高的投资回报率。

赫兹的实验

1862年，詹姆斯・克拉克・麦克斯韦（James Clerk Maxwell）发表了著名的麦克斯韦方程组。那时，人类才刚刚开始探索电池和电流。这四个方程组中的前两个，描述了静止电荷周围的电场和磁场。

第三个方程源于一个有趣的现象：将磁铁在导线线圈附近移动，就能产生电流。下面的动图便展示了这一现象：

瑞德·阿兰提供

这种电流由导线内的电场引起，也就是说，变化的磁场会产生电场。那如何产生磁场呢？有两种方式：第一，导线中流动的电流会产生磁场。将导线连接电池后放在磁罗盘上，就能观察到这一现象：

瑞德·阿兰提供

这正是电磁铁的基本原理。但麦克斯韦提出了第二种机制 —— 变化的电场也能产生磁场。换句话说，二者的作用是双向的：变化的磁场产生电场，变化的电场也能产生磁场。

这一发现之所以意义重大，是因为它表明：变化的电场和磁场会产生能在空间中传播的振荡——即电磁波。尽管这一理论早已提出，但多年来一直未得到验证。

直到1888年，海因里希・赫兹（Heinrich Hertz）进行了一项小实验。他利用振荡电流产生火花，使其跳过导线间隙。根据理论，这种火花会产生变化的电场和磁场，并在空间中传播。

于是，他搭建了另一个带间隙的导线环——不过这个导线环并未连接任何电源。仔细观察会发现，这个间隙中竟产生了第二个火花！这一现象令人称奇，它证明了电磁波真实存在，且能在房间内传播。（早期的无线电发射机，如马可尼的发射机，就采用了同样的火花-间隙方法。）

自制 “波浪机”

你也可以亲自尝试这个实验。毕竟150年过去了，你能用到赫兹当年没有的材料，比如乐高积木。所需材料很简单：一些导线、一个旧的烧烤打火机和一个灯泡（笔者用的是小型霓虹灯，LED 灯也可以）。打火机内部有一块压电晶体，受压力时能产生高电压。当你扣动扳机时，高压产生的火花会点燃喷出的燃料。我拆除了旧的燃料罐，将压电晶体与两根导线相连。

在另一侧，还有一对导线，中间连接着灯泡。关键在于，和赫兹的导线环一样，这对导线并未连接任何电源。装置如下：

瑞德·阿兰提供

打火机产生的微小火花会从前面一对导线中的一根跳到另一根，从而产生电磁波，这两根导线充当发射天线，对电磁波进行放大。后面的两根导线则是接收天线，会像赫兹的导线环一样产生电流。笔者的装置没有在接收器上产生火花，而是让灯泡亮了起来。霓虹灯非常适合，因为它需要高压但低电流，这正是我们所需要的。

好了，关灯！点燃火花时，你就会看到这样的场景：

瑞德·阿兰提供

这看似微不足道，实则意义非凡——你实际上正在发送和接收电磁波。

科学，价值何在？

当赫兹展示他对麦克斯韦方程组的实验验证时，科学界为之振奋，公众也充满好奇。一贯务实的记者们问他，这项研究有何用途？他回答道：

“毫无用处…… 这只是个证明麦克斯韦大师是正确的实验——我们只是发现了这些肉眼看不见的神秘电磁波。并且它们确实存在。”

如果科学实验毫无用处，为何要浪费资金？事实是，我们从事科学研究的初衷并非“有用”。人性本就充满探索精神，我们不断提问、寻求答案，这正是人类的本质特征之一。有时答案可能错误（比如，太阳并非乘坐白马拉动的战车穿越天空），但我们始终在追寻更好的答案。

有时，科学会意外地展现出实用性。事实上，你此刻很可能就在受益于赫兹的实验成果。他不仅证明了麦克斯韦方程组的正确性，而且实际上发明了第一台无线电发射机（无线电波只是电磁频谱的一部分）。这一成果后来被用于无线电报，使人们能够通过摩斯电码与海上船只通信。此后，人们又学会通过无线电波传输音乐、肥皂剧和广告，“广播” 由此诞生。还有电视，能通过空间传播动态画面。

但科学的影响远不止于此！设备发出的电磁波会被物体反射，通过测量信号返回的时间，就能确定物体的距离——这就是雷达和激光雷达的原理，后者应用于自动驾驶汽车。当然，手机信号、Wi-Fi和蓝牙也都依赖电磁波。电磁波无处不在，我们仿佛置身于电磁波的海洋中。

那么，政府在科学上的投入能否促进利润增长和经济发展？有时会，有时不会。许多酷炫的科学发现尚无实际应用，比如通过黑洞碰撞探测到的引力波，它会催生新型互联网吗？可能性不大。但毋庸置疑，了解这些知识让我们的精神世界更加丰富。

科学的魅力，或许就在于这种对未知的纯粹探索。那些看似 “无用” 的基础研究，就像播下的种子，你永远不知道哪一天会生根发芽，开出改变世界的花朵。

作者：Rhett Allain

翻译：姬子隰

审校：7号机

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编辑：7号机

翻译内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

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