这群物理学家决定薅地球自转的羊毛。图片来源：P. Reid/Univ. of Edinburgh
只要地球还在转，他们就能发上电。
撰文 | 王昱审校 | 不周
我们在中学课本中就学过，导体在磁场中运动可以产生电势差。那么地球有磁场，它还会自转，能不能利用地球自转切割地磁场来发电呢？假设你在北纬40度，地面上一切静止的物体，实际上都在以每秒350米的速度运动，用这么高的速度切割地磁场，肯定能产生不少电能吧！
如果你有这样的想法，那你和法拉第算是想到一块儿去了。法拉第1832年1月就提出了这个设想，并且马上进行了实验——但结果当然是否定的。其实，经典电磁学根本不允许你这样发电。
导体在均匀磁场中运动并不能产生电流，是经典电磁学的一项基本结论。当导体在均匀磁场中运动时，材料中的电荷会受到磁场影响，在导体内迅速移动，产生电场。新的电场会让电荷不能继续移动，电场和磁场之间会很快再次平衡。所以，把一节电线放到地上就能发电的想法，其实是不现实的。想想也是，如果能用地面上静止的导体薅地磁场的羊毛，不就相当于白嫖地球自转的动能，地球上的导体这么多，地球自转的能量恐怕早就被耗尽而不会自转了。
薅地球羊毛
不过2016年，美国喷气实验室（JPL）的两名物理学家有了不一样的想法：克里斯托弗·希巴（Christopher Chyba）和凯文·汉德（Kevin Hand）在《物理评论应用》（Physical Review Applied）上发表论文，表示他们找到了一些办法，能让在地面上静止的导体从地球自转中获取能量。
在文章开头，我们已经证明过导体在均匀磁场中运动并不能产生电流，这是因为导体切割地磁场在自身内部产生的电场会抵消磁场的作用。但希巴和汉德找到了一个漏洞，如果按照特殊条件布置导体和磁场，就有可能出现一些新电场无法抵消地磁场的情况。
为了实现这种情况，我们需要找到一种材料，它既有磁屏蔽的效果，导电性又不能太强。如果将这种材料制成空心圆柱体，并以垂直地球磁场的方向放置，材料内部的载流子偏移产生的电场就不足以抵消地磁场。圆柱体两端就能产生微小的电压，并且理论上，这个电压能在实验室中测量出来。不过，根据他们的预测，这样产生的电压应该并不大，一根长20厘米，直径2厘米的空心圆柱预计只能产生几十微伏的电压，如果用导线把两端连接起来，也只能输出几十纳瓦的能量。
但这确实是在薅地球自转的羊毛，并且实验方式非常离谱——在地球上任何地点（南北极除外，因为这里自转速度太慢），只要把满足要求的圆柱体固定在地上，就能从圆柱体的两端获得几乎无限的能源。简直就像永动机一样——当然，这并不是严格意义上的永动机，因为这样的装置实际上是将地球自转的动能转化成自身的电能，并没有打破能量守恒。如果它也能算作“永动机”，光伏发电可能也是一种“永动机”了——毕竟我们的太阳还能再燃烧50亿年，这对大部分人来说就相当于永远。但薅地球自转羊毛的优势在于，只要地球还在转，只要地球还有磁场，它就能在地球表面任何位置（南北极除外，因为那里自转速度太低），以恒定的功率输出电能，不用像光伏一样担心天气、气候的影响。
实验验证
这么天方夜谭的实验方法，自然很快遭到了各种各样的批判。有物理学家试图寻找他们理论上的漏洞，有的则按照他们设想的方式进行实验，结果什么都测量不出来——毕竟几十微伏的电压并不好测，温度可能会造成影响，甚至光照带来的光电效应也可能影响实验结果，测不出来也算正常。希巴和汉德尝试用更多理论解释来捍卫他们的猜想，但他们知道，最关键的还是用真实的实验数据证明他们是对的。
2025，在提出初版理论的9年后，希巴等人在《物理评论研究》（Physical Review Researsch）上发表论文，表示他们成功测量到了由地球自转切割地磁场产生的电压。
他们只做了一个30厘米长，内径2厘米，外径3.3厘米的空心锰锌铁氧体圆柱体，将其相对于水平面抬起57°，沿着南北方向放置，这样圆柱体与地球磁场和地球自转方向都垂直，他们预测这种布置将产生最大电压。如果一切顺利，他们大约能测量到13.7±7.2微伏的电压。
在实验过程中，为了避免光电效应的干扰，他们关上了所有的灯，实验在黑暗中进行。他们还需要严格记录圆柱体两端的温差，因为根据赛贝克效应（热电效应），温差也能产生电压。在他们的实验中，圆柱体两端的温差“高达”0.3℃，这会导致圆柱体两端产生120微伏的电压差。
在扣除了温差电压后，他们发现圆柱体两端还剩下18微伏的电压。并且这个电压取决于圆柱体的朝向，当圆柱体与地磁场垂直时，电压最大；圆柱体和地磁场平行时没有电压；圆柱体相对初始位置旋转180°，电压依然会最大，但方向和初始状态相反。研究人员还用对照圆柱体进行了同样的实验，在不满足磁屏蔽和弱导电性的对照组，他们测不到这样的电压。为了排除环境的干扰，在实验室中做完实验后，他们还把整套实验装置搬到一栋住宅楼里再次实验，同样发现了这样的电压。研究团队表示，他们成功“薅”到了地球自转的羊毛。
实验配置如图。圆柱体放置在倾斜的表面上，使其垂直于地球的磁场和地球自转的方向。用万用表记录圆柱体两端的电压。实验在黑暗中进行，避免光电效应污染信号。图片来源：C. Chyba/Princeton University
希巴表示，下一步最关键的是需要找到一个独立的研究团队，复现他们的成果。如果他们的成果最终被证实，那么或许可以继续优化实验设置，这一现象甚至可以直接被用来发电。但一个圆柱体产生的电压差实在太小，在他们的实验中，只有18微伏。希巴推测，将许多微型的圆柱体组建串联起来，或许能提供有用的电压。
法国马赛大学的物理学家卡洛·罗维利（Carlo Rovelli）没有参与这项实验，他表示，在匀强磁场中运动的电荷能量应该是守恒的，这似乎从理论上排除了用自转切割地磁场发电的可能；但同时，由于实验中的电荷是在固体中进行的，而在固体中，这一结论的先决条件——匀强磁场便不再成立。至于这一现象究竟能不能发电，他的想法可能和你一样：“我不知道，但这个想法确实很有趣。”
参考链接：
https://www.sciencealert.com/researchers-disprove-their-own-work-by-producing-power-from-earths-rotation
https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.6.014017
https://physics.aps.org/articles/v18/62
https://physics.aps.org/articles/v9/91
https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.7.013285