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基礎研究往往能帶來巨大回報 —— 但我們做基礎研究的初衷并非于此。圖源：Getty Images

公眾對政府斥巨資資助“無用”的科學項目的做法向來爭議不斷，這種事早已屢見不鮮。你或許會覺得，哪怕只是花小錢研究矮牽牛花的顏色，也是資金浪費。

沒錯，這是從商業視角出發的看法。但即便你只在乎投入產出比，只要考慮到那些無法預見的后續效應，這些項目往往最終都能帶來回報。（可以去了解下矮牽牛花的故事！）接下來，我要講述另一個看似 “愚蠢” 的小實驗，它最終實現了極高的投資回報率。

赫茲的實驗

1862年，詹姆斯?克拉克?麥克斯韋（James Clerk Maxwell）發表了著名的麥克斯韋方程組。那時，人類才剛剛開始探索電池和電流。這四個方程組中的前兩個，描述了靜止電荷周圍的電場和磁場。

第三個方程源于一個有趣的現象：將磁鐵在導線線圈附近移動，就能產生電流。下面的動圖便展示了這一現象：

瑞德·阿蘭提供

這種電流由導線內的電場引起，也就是說，變化的磁場會產生電場。那如何產生磁場呢？有兩種方式：第一，導線中流動的電流會產生磁場。將導線連接電池后放在磁羅盤上，就能觀察到這一現象：

瑞德·阿蘭提供

這正是電磁鐵的基本原理。但麥克斯韋提出了第二種機制 —— 變化的電場也能產生磁場。換句話說，二者的作用是雙向的：變化的磁場產生電場，變化的電場也能產生磁場。

這一發現之所以意義重大，是因為它表明：變化的電場和磁場會產生能在空間中傳播的振蕩——即電磁波。盡管這一理論早已提出，但多年來一直未得到驗證。

直到1888年，海因里希?赫茲（Heinrich Hertz）進行了一項小實驗。他利用振蕩電流產生火花，使其跳過導線間隙。根據理論，這種火花會產生變化的電場和磁場，并在空間中傳播。

于是，他搭建了另一個帶間隙的導線環——不過這個導線環并未連接任何電源。仔細觀察會發現，這個間隙中竟產生了第二個火花！這一現象令人稱奇，它證明了電磁波真實存在，且能在房間內傳播。（早期的無線電發射機，如馬可尼的發射機，就采用了同樣的火花-間隙方法。）

自制 “波浪機”

你也可以親自嘗試這個實驗。畢竟150年過去了，你能用到赫茲當年沒有的材料，比如樂高積木。所需材料很簡單：一些導線、一個舊的燒烤打火機和一個燈泡（筆者用的是小型霓虹燈，LED 燈也可以）。打火機內部有一塊壓電晶體，受壓力時能產生高電壓。當你扣動扳機時，高壓產生的火花會點燃噴出的燃料。我拆除了舊的燃料罐，將壓電晶體與兩根導線相連。

在另一側，還有一對導線，中間連接著燈泡。關鍵在于，和赫茲的導線環一樣，這對導線并未連接任何電源。裝置如下：

瑞德·阿蘭提供

打火機產生的微小火花會從前面一對導線中的一根跳到另一根，從而產生電磁波，這兩根導線充當發射天線，對電磁波進行放大。后面的兩根導線則是接收天線，會像赫茲的導線環一樣產生電流。筆者的裝置沒有在接收器上產生火花，而是讓燈泡亮了起來。霓虹燈非常適合，因為它需要高壓但低電流，這正是我們所需要的。

好了，關燈！點燃火花時，你就會看到這樣的場景：

瑞德·阿蘭提供

這看似微不足道，實則意義非凡——你實際上正在發送和接收電磁波。

科學，價值何在？

當赫茲展示他對麥克斯韋方程組的實驗驗證時，科學界為之振奮，公眾也充滿好奇。一貫務實的記者們問他，這項研究有何用途？他回答道：

“毫無用處…… 這只是個證明麥克斯韋大師是正確的實驗——我們只是發現了這些肉眼看不見的神秘電磁波。并且它們確實存在。”

如果科學實驗毫無用處，為何要浪費資金？事實是，我們從事科學研究的初衷并非“有用”。人性本就充滿探索精神，我們不斷提問、尋求答案，這正是人類的本質特征之一。有時答案可能錯誤（比如，太陽并非乘坐白馬拉動的戰車穿越天空），但我們始終在追尋更好的答案。

有時，科學會意外地展現出實用性。事實上，你此刻很可能就在受益于赫茲的實驗成果。他不僅證明了麥克斯韋方程組的正確性，而且實際上發明了第一臺無線電發射機（無線電波只是電磁頻譜的一部分）。這一成果后來被用于無線電報，使人們能夠通過摩斯電碼與海上船只通信。此后，人們又學會通過無線電波傳輸音樂、肥皂劇和廣告，“廣播” 由此誕生。還有電視，能通過空間傳播動態畫面。

但科學的影響遠不止于此！設備發出的電磁波會被物體反射，通過測量信號返回的時間，就能確定物體的距離——這就是雷達和激光雷達的原理，后者應用于自動駕駛汽車。當然，手機信號、Wi-Fi和藍牙也都依賴電磁波。電磁波無處不在，我們仿佛置身于電磁波的海洋中。

那么，政府在科學上的投入能否促進利潤增長和經濟發展？有時會，有時不會。許多酷炫的科學發現尚無實際應用，比如通過黑洞碰撞探測到的引力波，它會催生新型互聯網嗎？可能性不大。但毋庸置疑，了解這些知識讓我們的精神世界更加豐富。

科學的魅力，或許就在于這種對未知的純粹探索。那些看似 “無用” 的基礎研究，就像播下的種子，你永遠不知道哪一天會生根發芽，開出改變世界的花朵。

作者：Rhett Allain

翻譯：姬子隰

審校：7號機

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今天我們將送出由機械工業出版社提供的《第二大腦：腸腦互動如何影響我們的情緒、決策和整體健康》。

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【互動問題：你還能想到哪些看似“無用”的科學發現，最終徹底改變了我們的生活？】

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編輯：7號機

翻譯內容僅代表作者觀點

不代表中科院物理所立場

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