如何“抗重力”實現飛翔

王臻婻

不是坐在飛機上，也不是靠背著類似噴氣背包的裝備，而是像鳥兒一樣，自由翱翔空中——這是多少人的夢想！

我們還未實現這樣的夢想，一只小青蛙倒是率先實現了——1997年，一名叫做安德烈·海姆的科學家將這只青蛙丟到一個特制的實驗艙室里，結果它竟然完全無視重力地漂浮在艙室的正中央。

神奇的反磁性

這個艙室有點特別，它被放置在一個叫做“強力螺線管”的設備的中心——這個設備可以制造出強大的磁場。磁場的強弱我們通常用磁感應強度來表示，其國際通用單位為“特斯拉”（符號為T）。那么，這個艙室磁場有多強呢？

讓我們來做個簡單對比：地球的磁場是0.00003T，家庭冰箱里的磁鐵是0.001T，高磁力釹磁鐵是1.4T，而這個艙室的磁場是16T——是家庭冰箱磁鐵的1.6萬倍。

艙室是球形的，直徑只有3.2厘米，它四周的磁場最強，只有正中央部分的磁場較弱，小青蛙正是穩穩當當漂浮在了磁場最弱的正中央。

后來，安德烈還因這個實驗獲得了“搞笑諾貝爾獎”。那么，他是如何制造出這只抗重力青蛙的呢？

你也許會想，安德烈可能在青蛙體內放了一塊磁鐵，并利用該磁鐵與磁場產生的排斥力克服青蛙的體重從而讓其懸停空中。但事實并非如此，因為如果他這么做了，結果會是青蛙一被丟進艙室，就會發生翻滾（磁極會自動對齊）并被拉向艙室的底部，然后該磁鐵會以巨大的力量從其體內擠出，導致其爆裂而亡。

不過，有一點你可能猜對了，那就是青蛙體內必定有某種“東西”。事實上，這種東西比磁鐵更有說服力——作為活體生物，青蛙最先用到了“反磁性”。

簡單的磁性故事

材料可以有三種類型的磁性：鐵磁性、順磁性和反磁性。我們知道，材料由原子組成，原子分為原子核與核外電子，電子帶電荷并繞原子核運行，同時它也在自旋（自身旋轉）。自旋的電子就像小磁鐵一樣，有著S極和N極（與自旋方向有關）。一種材料的磁性就是由它有多少電子以及這些電子如何自旋所決定的。

在鐵磁材料中，原子外部有奇數個電子（如圖一）。在內層軌道中，相反自旋方向的電子兩兩成對——就像兩塊連接在一起的條形磁鐵，它們的磁矩被抵消了。但是在外層，孤獨的電子沒有“伴侶”，它的自旋不能被抵消，它可以四處移動。這意味著，在磁場存在的情況下，這個電子與磁場方向對齊排列，將原子變成一個微小的磁鐵。

這就是為什么像鐵這樣的鐵磁性材料會被磁鐵的任意一極所吸引：當你將磁鐵的N極靠近鐵磁性材料時，其電子的S極被吸引、N極被排斥;同樣，將磁鐵的S極靠近鐵磁性材料時，其電子的N極被吸引、S極被排斥。

順磁性與鐵磁性相似，簡單來說，是物質中未配對的電子優先被附近的原子吸引（如圖二）。這意味著電子受到外部磁鐵作用力時不能輕易發生旋轉，所以原子的磁性吸引力就不會那么大。

但是，如果一個原子有偶數個電子，而且它們可以全部成對，那么原子就會呈現磁中性（如圖三）。像木頭這樣的材料的原子就是這樣——所有原子都有成對的電子，所以它是磁中性的，這也是它們不會被磁鐵吸引的原因——這樣的原子被稱為反磁原子。

青蛙如何漂??？

實驗中的小青蛙，其身體基本是由反磁原子組成的（除了微量的鐵之類的物質），所以它就像所有生物一樣，看起來是磁中性的。那么一個超強的磁場是如何讓它漂浮起來的呢？

中這些成對的電子是可以受到強力磁鐵的影響的。當磁場穿過一個反磁原子時，它會在原子中誘導電流。這時，原子中各電子運行軌道不再是隨機的，而會以相同的方向運行，從而產生繞原子旋轉的電流。這種電流將原子變成一個微小的電磁鐵，但它產生的磁場與施加在原子上的磁場作用力相反，有效地使原子排斥磁鐵（如圖四）。

現在，我們可以知道“漂浮”小青蛙是如何產生的了——當小青蛙被放入機器產生的強磁場中時，它的原子變成了微小的超導電磁鐵，以與青蛙的體重相同的力排斥艙室內的磁力，這樣一來，小青蛙就“失重”了。

小青蛙由無數個原子所組成，而這種力發生在每一個原子上，所以小青蛙會感覺是真的失重，而不是像被綁在什么東西上吊起來一樣。也就是說，它在這個艙室內的感覺和在國際空間站里的感覺不會兩樣。

人也能漂浮嗎？

憑借這樣的艙室，我們就可以在地球上開展“零重力環境”的研究。例如，人體的受精過程在失重狀態下還能有效進行嗎？農作物在零重力條件下可以很好地生長嗎？在這樣的條件下結晶會發生嗎？如何讓3D打印機在零重力下更好地工作，以及一些人類如果移民其它星球就會面臨的重要問題，等等。

說到這里，你可能想親身體驗一下失重的感覺——如果青蛙都能做到，為什么我們不能？

事實上，要讓一個人漂浮，需要一個超級強大的磁鐵。這個磁鐵不僅磁力要大，而且產生的磁場范圍也要能夠“覆蓋”人體的高度。例如，一個正常體重的成年人，需要的磁場要寬達兩米，強度至少超過70T——這將需要巨大的能量來產生，可能是幾十兆瓦，具體數值取決于這個人本身的“電磁效率”。

據安德烈粗略估計，一個體重85千克的人，要想實現像小青蛙那樣漂浮，需要的能量大約為85兆瓦。這是什么概念呢？打個比方，我們知道，特斯拉是世界上加速最快的汽車之一，其Model S的最高功率輸出為615千瓦，85兆瓦就相當于138輛特斯拉Model S同時全力輸出的功率。很遺憾，目前還沒有能夠讓“人”進行實驗的艙室。但是，如果你足夠富有，你可以打造自己專屬的漂浮艙，成為第一個像這個小青蛙一樣“飛翔”的人。