這群物理學家決定薅地球自轉的羊毛。圖片來源：P. Reid/Univ. of Edinburgh
我們在中學課本中就學過，導體在磁場中運動可以產生電勢差。那麼地球有磁場，它還會自轉，能不能利用地球自轉切割地磁場來發電呢？假設你在北緯40度，地面上一切靜止的物體，實際上都在以每秒350米的速度運動，用這麼高的速度切割地磁場，肯定能產生不少電能吧！
如果你有這樣的想法，那你和法拉第算是想到一塊兒去了。法拉第1832年1月就提出了這個設想，並且馬上進行了實驗——但結果當然是否定的。其實，經典電磁學根本不允許你這樣發電。
導體在均勻磁場中運動並不能產生電流，是經典電磁學的一項基本結論。當導體在均勻磁場中運動時，材料中的電荷會受到磁場影響，在導體內迅速移動，產生電場。新的電場會讓電荷不能繼續移動，電場和磁場之間會很快再次平衡。所以，把一節電線放到地上就能發電的想法，其實是不現實的。想想也是，如果能用地面上靜止的導體薅地磁場的羊毛，不就相當於白嫖地球自轉的動能，地球上的導體這麼多，地球自轉的能量恐怕早就被耗盡而不會自轉了。
薅地球羊毛
不過2016年，美國噴氣實驗室（JPL）的兩名物理學家有了不一樣的想法：克里斯托弗·希巴（Christopher Chyba）和凱文·漢德（Kevin Hand）在《物理評論應用》（Physical Review Applied）上發表論文，表示他們找到了一些辦法，能讓在地面上靜止的導體從地球自轉中獲取能量。
在文章開頭，我們已經證明過導體在均勻磁場中運動並不能產生電流，這是因為導體切割地磁場在自身內部產生的電場會抵消磁場的作用。但希巴和漢德找到了一個漏洞，如果按照特殊條件佈置導體和磁場，就有可能出現一些新電場無法抵消地磁場的情況。
為了實現這種情況，我們需要找到一種材料，它既有磁遮蔽的效果，導電性又不能太強。如果將這種材料製成空心圓柱體，並以垂直地球磁場的方向放置，材料內部的載流子偏移產生的電場就不足以抵消地磁場。圓柱體兩端就能產生微小的電壓，並且理論上，這個電壓能在實驗室中測量出來。不過，根據他們的預測，這樣產生的電壓應該並不大，一根長20釐米，直徑2釐米的空心圓柱預計只能產生幾十微伏的電壓，如果用導線把兩端連線起來，也只能輸出幾十納瓦的能量。
但這確實是在薅地球自轉的羊毛，並且實驗方式非常離譜——在地球上任何地點（南北極除外，因為這裡自轉速度太慢），只要把滿足要求的圓柱體固定在地上，就能從圓柱體的兩端獲得幾乎無限的能源。簡直就像永動機一樣——當然，這並不是嚴格意義上的永動機，因為這樣的裝置實際上是將地球自轉的動能轉化成自身的電能，並沒有打破能量守恆。如果它也能算作“永動機”，光伏發電可能也是一種“永動機”了——畢竟我們的太陽還能再燃燒50億年，這對大部分人來說就相當於永遠。但薅地球自轉羊毛的優勢在於，只要地球還在轉，只要地球還有磁場，它就能在地球表面任何位置（南北極除外，因為那裡自轉速度太低），以恆定的功率輸出電能，不用像光伏一樣擔心天氣、氣候的影響。
實驗驗證
這麼天方夜譚的實驗方法，自然很快遭到了各種各樣的批判。有物理學家試圖尋找他們理論上的漏洞，有的則按照他們設想的方式進行實驗，結果什麼都測量不出來——畢竟幾十微伏的電壓並不好測，溫度可能會造成影響，甚至光照帶來的光電效應也可能影響實驗結果，測不出來也算正常。希巴和漢德嘗試用更多理論解釋來捍衛他們的猜想，但他們知道，最關鍵的還是用真實的實驗資料證明他們是對的。
他們只做了一個30釐米長，內徑2釐米，外徑3.3釐米的空心錳鋅鐵氧體圓柱體，將其相對於水平面抬起57°，沿著南北方向放置，這樣圓柱體與地球磁場和地球自轉方向都垂直，他們預測這種佈置將產生最大電壓。如果一切順利，他們大約能測量到13.7±7.2微伏的電壓。
在實驗過程中，為了避免光電效應的干擾，他們關上了所有的燈，實驗在黑暗中進行。他們還需要嚴格記錄圓柱體兩端的溫差，因為根據賽貝克效應（熱電效應），溫差也能產生電壓。在他們的實驗中，圓柱體兩端的溫差“高達”0.3℃，這會導致圓柱體兩端產生120微伏的電壓差。
在扣除了溫差電壓後，他們發現圓柱體兩端還剩下18微伏的電壓。並且這個電壓取決於圓柱體的朝向，當圓柱體與地磁場垂直時，電壓最大；圓柱體和地磁場平行時沒有電壓；圓柱體相對初始位置旋轉180°，電壓依然會最大，但方向和初始狀態相反。研究人員還用對照圓柱體進行了同樣的實驗，在不滿足磁遮蔽和弱導電性的對照組，他們測不到這樣的電壓。為了排除環境的干擾，在實驗室中做完實驗後，他們還把整套實驗裝置搬到一棟住宅樓裡再次實驗，同樣發現了這樣的電壓。研究團隊表示，他們成功“薅”到了地球自轉的羊毛。
希巴表示，下一步最關鍵的是需要找到一個獨立的研究團隊，復現他們的成果。如果他們的成果最終被證實，那麼或許可以繼續最佳化實驗設定，這一現象甚至可以直接被用來發電。但一個圓柱體產生的電壓差實在太小，在他們的實驗中，只有18微伏。希巴推測，將許多微型的圓柱體組建串聯起來，或許能提供有用的電壓。
法國馬賽大學的物理學家卡洛·羅維利（Carlo Rovelli）沒有參與這項實驗，他表示，在勻強磁場中運動的電荷能量應該是守恆的，這似乎從理論上排除了用自轉切割地磁場發電的可能；但同時，由於實驗中的電荷是在固體中進行的，而在固體中，這一結論的先決條件——勻強磁場便不再成立。至於這一現象究竟能不能發電，他的想法可能和你一樣：“我不知道，但這個想法確實很有趣。”
參考連結：
https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.7.013285
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