磁懸浮的驚人秘密

磁懸浮的驚人秘密

2017-03-20 09:18:37  《物理》2013年第1期

發表時間:2017-03-20 09:18:37來源:《物理》2013年第1期字體大小:A+  A-

一提到磁懸,大家馬上想到磁懸列車.但我這里講的不是列車的磁懸技術,而是把幾塊磁鐵巧妙地擺在一起,把另一塊磁鐵托在空中的現象.這種技術不耗能不用電,全靠個巧勁兒.磁懸列車雖然神氣卻絕沒那么巧,一停電就只能呆在鐵軌上,寸步難移.

 

人類有史以來就知道磁鐵擁有神奇的力量.兩塊磁鐵不但能相吸亦能相斥.斥力之大足以把重物托起.因此幾千年來人們一直在嘗試著用磁鐵的斥力來抵抗地球重力,把物體浮在空中.傳說在紀元之初,一位宗教領袖的陵寢就是用磁鐵砌成,把用磁鐵做成的棺木懸在空中.

 

可也怪了,人們試了幾千年,卻從來沒有成功過.到如今還有人孜孜不倦的試著.時間到了十九世紀時,科學有了突飛猛進的發展.對磁場的描述也從感性進步到理性.一組麥克斯韋方程(Maxwell’s equations)就把電磁場描述得準確精致.比麥克斯韋方程還早一些的時侯有一位數學家叫山姆·恩紹(Samuel Earnshaw),于1842年寫了一篇論文,用數學方法證明靜態磁懸浮不可能實現.這就是著名的恩紹定理(Earnshaw’s theorem),后來被寫進大學物理教程.大一的學生剛入道就會學到恩紹大定理.大二學到麥克斯韋方程后,對恩紹定理又有了新的理解,用麥氏方程的語言來講,磁力線是不發散的,在空間中沒有極小值,這樣磁場的斥力在空間就無穩定點.磁鐵的斥力雖然能把重物托在空中卻不能穩定,就好像用鉛筆尖不能把鉛筆穩定地站在桌上一樣.

 

恩紹定理雖然給出了科學的證明,卻沒能擋住后人的好奇心和繼續嘗試.一方面是許多人沒學過物理,根本不知道什么恩紹大定理(比如我);另一些人雖然知道不行卻不信邪,靜態磁懸畢竟太引誘人了.但是如果某個物理學家在實驗室里擺弄磁懸浮,常常會招來同事們一片譏笑,被認為在做蠢事.

 

可時間到了20 世紀90 年代,美國市場上居然出現了一種叫“萊維托”(Levitron)的玩具,能把一個磁鐵陀螺穩穩地浮在半空, 時間達幾分鐘之久,直到陀螺因空氣阻力逐漸減慢轉速而跌落.一位叫羅德·專諾(Rod Driver)的教授聞訊立即買了一臺,并在說明書的指導下花了兩個多小時掌握了磁懸的技巧.但他也因此產生了強烈的好奇心,他覺得自己在說明書的指點下還要花兩個小時才能學會,那么是什么靈感的力量引導著發明家,在黑暗中反復摸索終獲成功呢?

 

帶著這種好奇,專諾博士撥通了專利持有者比爾·霍思(Bill Hones)和他的父親愛得華·霍思(Edward Hones,美國拉斯維莫斯國家實驗室的物理學家)的電話.可是與爺兒倆談了一個多小時,他仍感到一頭霧水.兩位大科學家怎么也講不清如何獲得靈感并取得第一次成功.放下電話,專諾博士仍堅持不懈地追尋這個問題.很快他竟然發現了一個令人吃驚的秘密:霍思父子并不是這項技術的發明者,他們是在一位名不見經傳的民間人士的指點下學會這一技術并將其據為己有.

 

1993 年,比爾·霍思看到一項美國專利(專利號:4,382,245),闡述旋轉磁體的懸浮技術.他和他的父親抱著極大的懷疑態度與專利持有者聯系.他們很快收到一盤錄像帶,清楚地拍下旋轉的磁體在空中漂浮.受到恩紹定理的影響,作為物理學家的霍思父子怎么也不能相信.不久他們帶著懷疑和興趣拜訪了這位科學的白丁—— 一位住在弗爾蒙特的民間發明家羅來·哈里根(Roy Harrigan).哈里根先生花了幾天時間耐心地教這兩位科學家.最后他們終于學會如何在磁鐵強烈地斥力下穩定地旋轉一個陀螺并輕輕地把它托起,使之自由懸浮在空中.

 

霍思父子激動地提議與這位民間發明家合作.兒子比爾是一位專營科學玩具的商人.他說可以把利潤的5%分給哈里根先生,并在每個玩具的包裝上印上哈里根的名字和專利號.哈里根先生平靜地面對著兩位亢奮的科學家和商人.這位民間發明家的小屋里堆滿了磁鐵、電池、儀器和各種稀奇古怪的玩藝兒.他認為這磁懸技術比起他幾十年來的其他發明不過是小菜一碟.同時,作為一個民間發明家多年來挨過不少專家和其他合作者的欺騙.為此他從一開始就征得客人的同意,用錄像機錄下了他們會面的一切活動.他很愿意和霍思父子合作,卻懷疑為什么他們竟不肯留下1000 美元作信用抵押.最后這位固執的民間發明家雖然拒絕在合同上簽字,但卻在霍思父子的極力游說之下,看著他的磁懸裝置在攝像機前被裝進盒子,由霍思父子帶回去研究.

 

父親愛得華是拉斯維莫斯(國家原子彈基地)有名的物理學家.回去之后他用基地的超級計算機仔細地研究了磁懸的理論,并作了一些小修改,隨即用自己的名字申請了專利.之后,他們與中國大陸的廠商聯系,利用中國生產的廉價強磁鐵“釹鐵硼”為原料,大批生產這種磁懸陀螺玩具.幾年來,萊維托風靡美國,迷倒了無數對科學充滿好奇的青少年(圖2).根據維基百科,從1994 到1999 年他們就賣了75 萬臺.但是,他們不僅對哈里根先生分文不付,甚至只字不提他的原始貢獻.

 

謊言重復多了似乎連自己都信以為真,對著電視臺采訪的攝像鏡頭,父子倆信誓旦旦地說這是他們多年的研究結果.他們的確研究了多年,但完全是失敗的記錄,若無哈里根先生指點迷津,他們可能還在徒勞無功地摸索中.

 

專諾博士對自己的發現十分震驚.他把事實寫成兩篇文章,于1999 年在普懷登斯雜志(The ProvidenceJournal,September22,1999)上公布于眾.霍思父子的一位代理商謝洛克夫婦(Mikeand Karen Sherlock)知道真相后亦十分氣憤,馬上停止銷售萊維托,并在自己的網站上公布了真相.霍思父子回敬了謝洛克夫婦一場官司,告他們誹謗和濫用別人的冠名商標萊維托.至今在網上仍能查到美國第十上訴庭2000 年編號為CV-97-1266LH/WWD的案例記錄.待塵埃落定,萊維托依舊在霍思的玩具網站上暢銷.謝洛克夫婦決定幫助發明家哈里根先生用自己的專利制造出商品與萊維托競爭.但歷盡滄桑的發明家已不再相信任何人,并發誓再不與他人合作.

 

專諾博士進一步的研究竟然又有更驚人的發現,原來在哈里根先生之前,另一位民間發明家約瑟夫·謝夫(Joseph Chieffo)在完全不知道哈里根先生的情況下于1984年獨立作出同樣的發現,用旋轉的磁場懸浮重物.謝夫的遭遇更慘.他無力說服制造商收買他的發明,也無錢申請專利.1988 年他在四處碰壁的情況下在一家科普雜志上登廣告,用5 元的價格出賣磁懸秘密的說明書,但應者寥寥,不久就銷聲匿跡.

 

到此讀者一定感到奇怪,既然恩紹已經用數學方法嚴格地證明了靜態磁懸是不可能的,為什么還會有磁懸陀螺的成功?這豈不違反基本的科學原理嗎?原因是磁懸陀螺并不違反恩紹定理.磁懸陀螺用的是旋轉磁體,玩過陀螺的朋友都知道旋轉的陀螺利用一種特殊的力量——“進動”來保持穩定.不轉的陀螺是不能站立在桌子上的.旋轉的陀螺是靠進動來維持平衡,立在桌上.同樣,雖然磁場不能穩定地托起靜態的陀螺,但磁鐵陀螺旋轉時,不穩定的偏斜使陀螺出現繞軸旋轉的進動,并通過進動使陀螺轉回穩定點,進而飛升漂浮于磁場之上.

 

但是,陀螺立在磁場上需要的條件遠比立在桌上苛刻.1997年,紐約州羅切斯特大學的鐘斯(TB Jones)及合作者在美國應用物理雜志(J. Appl.Phys.,1997,82(2):15)上發表一篇文章,詳細闡述了磁懸陀螺的穩定條件及其轉速、重量的關系.他們的分析進一步證明民間發明家們確實身手不凡:陀螺在磁體上幾十毫米的空中浮動,但穩定區域只有4 mm左右寬,看不見摸不著.陀螺必須在磁體強烈的斥力下轉到一定的轉速,并保持在這一狹小區域中才能穩定.不僅如此,陀螺的重量必須精確到1%左右,輕則飛出,重則落地.加之陀螺的穩定還隨環境溫度變化,必須隨時調整.同時滿足所有這些條件是非常困難的. 只有上帝才知道哈里根和謝夫等人是怎么能在無數的失敗中找出這么多條件的最佳組合.從這點看,高人在民間.相比之下,學院里的科學家們倒像是照葫蘆畫瓢只會照本宣科寫公式的庸人.

 

寫到這里我必須坦白,作為一個生物學家,我對物理常識才疏學淺,“不知有漢”.我也玩過靜止磁懸浮,重復了過萬人的好奇、無知和失敗.我聽說萊維托這種玩具后也是毫不猶豫,立即買了一臺,但照著說明書卻怎么也玩不好.無奈之下把它帶到實驗室中去讓我那些天才的學生們去玩,果然不過一個周末,就收到德國學生邁克的電子郵件,附來他面對懸浮的陀螺欣喜若狂的照片.

 

在邁克的指導下,不出十分鐘我也學會了,差不多能百發百中.我深深地體會到天才的發明家與跟隨的模仿者的能力竟有百分之九十九不相上下,唯一不同只是那靈機一閃的第一推動.沒有這靈機一閃,百年來多少受過正規教育的物理學家受到恩紹定理的影響而無所建樹.著名的計算機科學家,Methematica 的創始人斯洛德·格瑞(Theodore Gray)在一本科普雜志中寫到“為什么那么多科學家在這么長的時間內(對靜態磁懸)這個問題毫無建樹呢?這正表明負面思維(negative thinking)是威力強大的”.如果你在書中學到某些事是不可能的,你多半會不再多想.只有那些不信邪的人,先認為這可以實現,然后再找理論漏洞,突破就是這樣產生的.

 

我作為一個科學界中的過來人,在此要提醒那些躍躍欲試、準備突破科學重大難題的年輕人和民間科學家,違反常理的研究代價極大而且大多都要失敗的.科學研究的重大發現的過程與生命進化產生成功者的過程類似,有極大的隨機性.生命進化是靠隨機突變和自然選擇結合.突變的生物絕大多數是要死去的,但在億萬次失敗的突變事件中,會有個把成功者脫穎而出.正是這些成功者,使生物進化出了眼睛、翅膀和大腦,統治了世界.所以,你要想做出個重大發現,就要準備好一輩子一事無成,當個失敗的墊底數字.但是,科研與隨機進化還是有不同,有捷徑的.這捷徑就是遍讀關于一個問題的所有文獻,用前人的知識和教訓武裝自己,站在巨人的肩膀上.在互連網發達的今天,利用谷歌和維基百科的研究已經成了最快捷有效的文獻查詢手段.民間科學家雖然負面思維少,敢于創新,但一般都輸不起.所以利用互聯網這種低成本的前期研究是極為重要的.同時,為了避免哈里根和謝夫那樣的悲摧故事,自己的發明也應該利用互聯網盡早告知天下.

 

題外話:超導磁懸和反磁磁懸

 

超導磁懸和反磁磁懸是靜態磁懸浮的兩個特例,都不違反恩紹定理.超導磁懸就是所謂邁斯納效應(Meissnereffect),指磁力線不能穿過超導體.用通俗的話講,就是因為超導體內沒有電阻,因此沒有電壓.所以根據法拉第定律就不容許有變化的磁場.這樣當磁鐵接近超導體時,磁力線就像碰到一面鏡子.由超導表面無限大的感生電流產生與磁鐵磁場完全相同但方向相反的磁場,把磁鐵托在空中。

 

反磁磁懸是利用物質對磁場的排斥力實現磁懸.可是大多數物質的反磁性都太弱了,不足以抵抗重力.只有在磁場非常強的時候才能實現.安德·根姆(Andre·Geim),是個俄裔,英德血統(有點亂)的科學家.他在那明根大學做博士后的時候用學校的16T強磁鐵浮起了一只青蛙(圖5)(文見Eur. J. Phys,.1997,18:307).然而無論他如何強辨這項工作的意義,還是難逃于2000 年獲得搞笑諾貝爾獎(Ig Nobel Prize).

 

可是根姆這老兄也不是吃素的,幾年后他到了曼徹斯特大學當教授,并于2004年發表了石墨烯的文章,于2010年得了真的諾貝爾獎.也算科學界的一段佳話.

科學界里也有像哈里根和謝夫先生那樣真正的高人.九十年代中,愛爾蘭的幾位科學家想出了一種巧妙的方法,用普通磁體承擔重力而只用物質的反磁性來維持穩定.這樣可以不用超級強磁鐵就足夠維持幾克磁鐵的穩定懸浮.比如,用人手指的反磁性就足以使一塊小磁鐵懸浮在空中.這種“手指磁懸”非常巧妙且具有轟動的新聞效果.讓他們在科技界的頂級雜志自然(Nature,1999,400:324)上發表了這篇文章.

 

靜態磁懸浮這種千年老問題在幾年前還會有這些驚人的故事,說明創新是一種藝術,是沒有止境的.說不定下一個大轟動就是您的巧妙發明呢.

責編:科普知識網

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