科普奧秘:為甚麼磁鐵不能切成兩半？

你肯定覺得磁鐵吸鐵釘這事在正常不過了對吧 但我告訴你 這裏面藏着一個毀三觀的事實 磁鐵根本沒碰到鐵釘 中間隔着幾釐米的空氣 啥也沒有 那鐵釘到底是怎麼知道磁鐵在那兒的 是誰給它傳了話 這個問題往深了挖 直接挖出了物理學史上最漂亮的移動建築 今天咱們從頭捋一捋 從一塊蹭了貓皮的琥珀開始 一直講到那個 兩千五百年前 古希臘有個叫泰勒斯的老哥 有一天他拿塊琥珀 在貓皮上使勁蹭了幾下 然後往羽毛旁邊一湊 好傢伙 羽毛自己飄過來了 隔空就吸上了 琥珀在希臘語裏叫 後來釘這個詞就是打這兒來的 但當時誰也沒當回事 覺得就是個神奇的小把戲 跟變魔術差不多 這是一個就是兩千多年 直到十八世紀 本傑明·富蘭克林站出來正經研究了這事 他通過一系列實驗提出正負電荷的概念 規則就兩條 同性相斥異性相吸 他還幹了一件特別猛的事 下雨天放風箏引雷電 結果證明天上的閃電 跟平時摩擦起電的火花是同一種東西 只是電壓差了好幾個量級 富蘭克林這個實驗雖然危險 但把電從神祕現象 變成了可以研究的物理對象 有了定性的認識 科學家們開始琢磨定量的規律 1785年 法國工程師庫倫搞出一套 極其精密的扭秤裝置 測出了兩個電荷之間的力 跟距離的平方成反比 什麼意思呢 你把距離拉大一倍 力就變成原來的四分之一 拉大三倍就變成九分之一 這個規律簡潔優美 被稱爲庫倫定律 他把電荷之間的相互作用 安排得明明白白 但一個麻煩的問題始終繞不過去 這兩個電荷隔着真空 根本不接觸 到底怎麼知道對方存在的 難不成其中一個 伸出一隻看不見的手 隔空把另一個薅過來了 這種叫超距作用的解釋 讓很多物理學家渾身不得靜 總覺得哪裏怪怪的 這時候一個狠人登場了 邁克爾法拉第 鐵匠的兒子 小學沒畢業 在裝訂廠當學徒 但他靠裝訂書籍的機會 瘋狂自學 硬生生從學徒 逆襲成了科學巨匠 法拉第數學底子很一般 但物理直覺屬於開掛級別 他想了一個全新的角度 爲啥非得是A直接作用於B 有沒有可能是 A先把周圍的空間給污染了 然後B進入這片污染區 就自動感受到了力 這個想法就是常的雛形 一個電荷存在 它就在周圍空間 創造了一個電場 看不見摸不着 但真實存在 爲了讓場更直觀 法拉第引入了電場線的概念 正電荷像個噴泉 電場線從身上 白無比往外射 負電荷像個下水道 電場線嗖嗖往裏鑽 畫得越密的地方 場越強 比如正負電荷對 電場線從正的出發 劃一道弧線 會入負的 這個圖後來成了 電磁學最經典的標誌之一 有了場的概念 科學家們又琢磨出一個 叫電通量的東西 簡單說就是 穿過某個面的電場線數量 德國數學王子高斯 發現了一條 極其漂亮的規律 隨便你畫一個 封閉的曲面 管它是圓的方的 還是奇形怪狀 穿過這個面的 總電通量 只取決於裏面 包了多少電荷 跟面的大小形狀 沒關係 這就是高斯定律 如果裏面是正電荷 淨通量是正的 負電荷就是負的 正負一樣多 或者啥也沒有 淨通量就是零 這個規律簡潔到 令人髮指 它是麥克思維方程 組裏的第一個方程 描述了電是怎麼產生的 搞定了電 再來看看 它的神祕兄弟詞 人類認識磁比電還早 古人發現 一種叫磁石的石頭 能吸鐵 還能在水上 自由轉動時 穩穩指向南北 這個發現 直接催生了指南針 徹底改變了航海史 但指南針爲啥指向南北 是天上有顆磁星 還是北邊有座磁力山 這個問題 困擾了人類上千年 直到1600年 英國女王 與伊吉爾伯特 給出了答案 地球本身 就是一塊巨大的磁鐵 指南針 不是在響應 什麼遙遠的東西 它就是在跟 腳下的地球對話 吉爾伯特還發現 磁鐵跟電荷很像 也有兩極 北極和南極 同樣是同極相斥 異極相吸 但有一個根本性的區別 電荷可以單獨存在 正電荷和負電荷 能分家 磁極不行 你永遠找不到一個 只有N極 或者只有S極的 磁單極子 哪怕把條形磁鐵 從中間砍斷 得到的不是 N和S兩塊 而是兩塊都有 N和S的小磁鐵 這個區別至關重要 法拉第再次登場 它用鐵線 灑在磁鐵周圍 清晰展示磁場線 和電場線不同 磁場線是閉合的曲線 從N極出來 繞一圈回到S極 在磁鐵內部 從S極跑回N極 形成完美閉環 沒有起點 也沒有終點 既然磁場線 都是閉合的 那穿過任何一個 封閉區面的總磁通量 永遠是零 這就是磁場的 高斯定律 麥克思維方程組的 第二個 它用數學語言 宣告了一件大事 宇宙裏 不存在磁單極子 到這裏 我們已經集齊了 兩大基本法則 電荷產生 發散狀的電場 磁場總是以 閉合迴路的形式存在 但一個更關鍵的問題 浮出水面 既然磁場 不是由磁單極子產生的 那它到底從哪來的 這個問題的答案 將徹底把電和磁 這兩個看起來 獨立的現象 焊在一起 最終揭示出光的本質 你以爲故事到這兒 差不多了 不 真正的高潮還沒來 麥克思維 這位大神還沒出手呢 他在前人的基礎上 加了最關鍵的一塊拼圖 發現變化的電場 能產生磁場 變化的磁場 又能產生電場 這倆兄弟 就這麼互相生來生去 像兩條咬住尾巴的蛇 以波的形式 在空間裏瘋跑 麥克思維 算了一下這個波的速度 結果發現 跟當時測出來的光速 幾乎一模一樣 他當場就明白了 光就是這個東西 麥克思維方程組 四個方程 法電 磁 光全部統一在一塊 被稱爲物理學的詩篇 從一塊蹭貓皮的琥珀 到照亮整個現代文明的光 跨越兩千多年 你看完有沒有覺得 這個世界最底層的東西 反而簡單得不可思議 評論區聊聊 你以前有沒有想過 磁鐵爲啥能隔空吸東西 或者你還知道 哪些看似神奇 但背後原理賊簡單的現象 點個贊 轉發給你那個 物理考過倒數第一的朋友 讓他也感受一下 被公式震撼的滋味 收藏起來 點個關注