如何“抗重力”实现飞翔

王臻婻

不是坐在飞机上，也不是靠背着类似喷气背包的装备，而是像鸟儿一样，自由翱翔空中——这是多少人的梦想！

我们还未实现这样的梦想，一只小青蛙倒是率先实现了——1997年，一名叫做安德烈·海姆的科学家将这只青蛙丢到一个特制的实验舱室里，结果它竟然完全无视重力地漂浮在舱室的正中央。

神奇的反磁性

这个舱室有点特别，它被放置在一个叫做“强力螺线管”的设备的中心——这个设备可以制造出强大的磁场。磁场的强弱我们通常用磁感应强度来表示，其国际通用单位为“特斯拉”（符号为T）。那么，这个舱室磁场有多强呢？

让我们来做个简单对比：地球的磁场是0.00003T，家庭冰箱里的磁铁是0.001T，高磁力钕磁铁是1.4T，而这个舱室的磁场是16T——是家庭冰箱磁铁的1.6万倍。

舱室是球形的，直径只有3.2厘米，它四周的磁场最强，只有正中央部分的磁场较弱，小青蛙正是稳稳当当漂浮在了磁场最弱的正中央。

后来，安德烈还因这个实验获得了“搞笑诺贝尔奖”。那么，他是如何制造出这只抗重力青蛙的呢？

你也许会想，安德烈可能在青蛙体内放了一块磁铁，并利用该磁铁与磁场产生的排斥力克服青蛙的体重从而让其悬停空中。但事实并非如此，因为如果他这么做了，结果会是青蛙一被丢进舱室，就会发生翻滚（磁极会自动对齐）并被拉向舱室的底部，然后该磁铁会以巨大的力量从其体内挤出，导致其爆裂而亡。

不过，有一点你可能猜对了，那就是青蛙体内必定有某种“东西”。事实上，这种东西比磁铁更有说服力——作为活体生物，青蛙最先用到了“反磁性”。

简单的磁性故事

材料可以有三种类型的磁性：铁磁性、顺磁性和反磁性。我们知道，材料由原子组成，原子分为原子核与核外电子，电子带电荷并绕原子核运行，同时它也在自旋（自身旋转）。自旋的电子就像小磁铁一样，有着S极和N极（与自旋方向有关）。一种材料的磁性就是由它有多少电子以及这些电子如何自旋所决定的。

在铁磁材料中，原子外部有奇数个电子（如图一）。在内层轨道中，相反自旋方向的电子两两成对——就像两块连接在一起的条形磁铁，它们的磁矩被抵消了。但是在外层，孤独的电子没有“伴侣”，它的自旋不能被抵消，它可以四处移动。这意味着，在磁场存在的情况下，这个电子与磁场方向对齐排列，将原子变成一个微小的磁铁。

这就是为什么像铁这样的铁磁性材料会被磁铁的任意一极所吸引：当你将磁铁的N极靠近铁磁性材料时，其电子的S极被吸引、N极被排斥;同样，将磁铁的S极靠近铁磁性材料时，其电子的N极被吸引、S极被排斥。

顺磁性与铁磁性相似，简单来说，是物质中未配对的电子优先被附近的原子吸引（如图二）。这意味着电子受到外部磁铁作用力时不能轻易发生旋转，所以原子的磁性吸引力就不会那么大。

但是，如果一个原子有偶数个电子，而且它们可以全部成对，那么原子就会呈现磁中性（如图三）。像木头这样的材料的原子就是这样——所有原子都有成对的电子，所以它是磁中性的，这也是它们不会被磁铁吸引的原因——这样的原子被称为反磁原子。

青蛙如何漂浮？

实验中的小青蛙，其身体基本是由反磁原子组成的（除了微量的铁之类的物质），所以它就像所有生物一样，看起来是磁中性的。那么一个超强的磁场是如何让它漂浮起来的呢？

中这些成对的电子是可以受到强力磁铁的影响的。当磁场穿过一个反磁原子时，它会在原子中诱导电流。这时，原子中各电子运行轨道不再是随机的，而会以相同的方向运行，从而产生绕原子旋转的电流。这种电流将原子变成一个微小的电磁铁，但它产生的磁场与施加在原子上的磁场作用力相反，有效地使原子排斥磁铁（如图四）。

现在，我们可以知道“漂浮”小青蛙是如何产生的了——当小青蛙被放入机器产生的强磁场中时，它的原子变成了微小的超导电磁铁，以与青蛙的体重相同的力排斥舱室内的磁力，这样一来，小青蛙就“失重”了。

小青蛙由无数个原子所组成，而这种力发生在每一个原子上，所以小青蛙会感觉是真的失重，而不是像被绑在什么东西上吊起来一样。也就是说，它在这个舱室内的感觉和在国际空间站里的感觉不会两样。

人也能漂浮嗎？

凭借这样的舱室，我们就可以在地球上开展“零重力环境”的研究。例如，人体的受精过程在失重状态下还能有效进行吗？农作物在零重力条件下可以很好地生长吗？在这样的条件下结晶会发生吗？如何让3D打印机在零重力下更好地工作，以及一些人类如果移民其它星球就会面临的重要问题，等等。

说到这里，你可能想亲身体验一下失重的感觉——如果青蛙都能做到，为什么我们不能？

事实上，要让一个人漂浮，需要一个超级强大的磁铁。这个磁铁不仅磁力要大，而且产生的磁场范围也要能够“覆盖”人体的高度。例如，一个正常体重的成年人，需要的磁场要宽达两米，强度至少超过70T——这将需要巨大的能量来产生，可能是几十兆瓦，具体数值取决于这个人本身的“电磁效率”。

据安德烈粗略估计，一个体重85千克的人，要想实现像小青蛙那样漂浮，需要的能量大约为85兆瓦。这是什么概念呢？打个比方，我们知道，特斯拉是世界上加速最快的汽车之一，其Model S的最高功率输出为615千瓦，85兆瓦就相当于138辆特斯拉Model S同时全力输出的功率。很遗憾，目前还没有能够让“人”进行实验的舱室。但是，如果你足够富有，你可以打造自己专属的漂浮舱，成为第一个像这个小青蛙一样“飞翔”的人。