做核磁共振（MRI）檢查時，儀器會利用一種名為核磁共振（NMR）的物理現象。特定類型的原子核 —— 包括水分子中氫原子的原子核 —— 在磁場中會發生振蕩，這種振蕩可通過線圈檢測到。MRI 掃描儀采用強磁場，能產生數十至數百兆赫茲的共振頻率。而另一種基于核磁共振的儀器則涉及低得多的振蕩頻率：質子進動磁強計，常用于測量地球磁場。

質子進動磁強計已問世數十年，曾廣泛應用于考古學和礦產勘探領域。高端型號的價格可達數千美元。2022 年，德國工程師 Alexander Mumm 設計出一種極其簡單的簡化版電路。僅需不到 0.5 千克的 22 號漆包線、兩塊常用集成電路、一只金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）、若干分立元件，以及兩個 113 克裝的空調味瓶，就能高精度測量地球磁場。

與 MRI 掃描儀類似，質子進動磁強計測量的是氫原子核（即質子）的振蕩。和其他亞原子粒子一樣，質子具有一種名為 “自旋” 的量子特性，類似于經典力學中的角動量。在磁場中，質子會像旋轉的陀螺一樣擺動，其自旋軸會劃出一個錐形軌跡 —— 這一現象稱為 “進動”。質子進動磁強計會讓大量質子同步擺動，然后測量其擺動頻率，該頻率與環境磁場強度成正比。

地球磁場的強度較弱（至少與 MRI 機器相比），這意味著質子在其影響下的擺動頻率處于音頻范圍。當足夠多的質子同步運動時，旋轉的質子會在附近的接收線圈中感應出電壓。將該電壓放大后通過耳機播放，就能聽到一個音頻音調。因此，借助合適的電路，你真的可以 “聆聽” 質子的聲音。

制作步驟

第一步是制作接收線圈，這正是調味瓶的用武之地。為何選擇調味瓶？原因有二：一是該尺寸的瓶子可容納每只約 500 匝的線圈，需使用約 450 克的 22 號漆包線；二是瓶子兩端帶有模制的小肩部，是理想的線圈骨架。

為何需要兩個瓶子和兩個線圈？這是為了抑制線圈不可避免會接收到的電磁噪聲 —— 主要來自輸電線。當兩個反向纏繞的線圈串聯連接時，此類外部噪聲會相互抵消，而兩個線圈中質子進動產生的信號則會相互增強。

質子磁強計有三種工作模式：第一種是向線圈通入直流電；第二種是斷開電流源，讓線圈產生的磁場衰減；第三種是監聽模式，將線圈連接至靈敏的音頻放大器。向每個瓶子中裝入蒸餾水，通過線圈通入幾安培的直流電，就能使水中的大量質子自旋方向一致。隨后，將電路切換至監聽模式，即可通過線圈檢測擺動質子的同步振蕩。

Mumm 的電路通過最簡單的方式實現模式切換：使用一個三檔開關。一檔為直流極化模式，二檔讓極化過程中建立的磁場衰減，三檔為監聽模式。

避免破壞性火花

第二種模式看似簡單 —— 只需斷開線圈即可？但實際操作中，當線圈周圍的磁場衰減時，與火花塞產生火花相同的原理會在開關觸點兩端產生破壞性的高壓。

為避免這種情況，Mumm 的電路采用了一只 MOSFET，其接線方式類似高功率齊納二極管（齊納二極管常用于許多穩壓電路中，僅允許超過特定閾值電壓的電流通過）。這一設計能將電流切斷時線圈兩端產生的電壓限制在合適范圍，使磁強計能快速從極化模式切換至監聽模式，同時避免損壞設備。

要接收到強信號，監聽電路還需調諧至質子進動的預期頻率 —— 該頻率取決于你所在位置的地球磁場強度。你可以通過在線地磁場計算器大致估算磁場強度，再乘以質子的旋磁比（42.577 兆赫茲 / 特斯拉）。根據線圈的直徑和匝數估算其電感值后，選擇了一個合適容量的電容器與線圈并聯，構成一個在該頻率下諧振的振蕩回路。

你可以使用函數發生器和示波器調諧振蕩回路，或者按照 Mumm 的建議，在電路輸出端連接一個小揚聲器，然后將揚聲器靠近接收線圈。這會產生磁反饋，使電路自行振蕩并發出響亮的聲音！你只需測量該音調的頻率，然后調整振蕩回路的電容器，使自振蕩頻率達到你想要調諧的目標頻率。

最初嘗試聆聽質子時效果時好時壞：有時能聽到音調，有時則不能。后來發現，質子磁強計無法容忍強磁場梯度，這是確保設備穩定工作的關鍵。因此，請勿在室內或含鐵物體（如水管、汽車，甚至地面）附近操作，最佳選擇是開闊的室外空間，并將線圈抬高遠離地面。另一個關鍵是在極化模式下提供更強的功率：12 伏電池雖能工作，但 36 伏電池的效果要好得多。

解決這些問題后，現在可以輕松聽到質子的聲音。借助一款名為 Spectrum Lab 的免費音頻分析軟件，證實這些音調的頻率與所在位置的磁場強度誤差約為 1%。盡管這并非一款實用的野外儀器，但不足 100 美元就能打造出任何類型的質子進動磁強計，已是相當了不起的成就。