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量子悬浮!奇迹or骗局?

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量子悬浮!奇迹or骗局?

via 谣言粉碎机 – 果壳网 by 梓叶 on 2/3/12

流言: 网上流传着名为【什么神八天宫对接都弱爆了,看看人家外国大学生发明的量子悬浮技术,开开眼界】视频。视频展示了一个冒着白气的盘子悬空的浮在一块磁铁上,有点像磁悬浮,但是随后的展示却展现了不一样的效果。它能随着演讲者的操控而“锁定”在空中不同的角度!更神奇的是那块圆盘不仅能悬在磁铁上放,还可以倒挂在空中!这是传统磁悬浮无法实现的,片中称此现象为“量子悬浮”。

真相: “悬浮”这等挑战重力的事总是迷人,磁悬浮也不是什么新鲜事了,不过,这个被网友大呼神奇的视频号称是“量子”级别的,它究竟有什么特别的呢?在这个什么词前面加上量子就能装高级的年代,小心求证为妙。

中文搜索“量子悬浮”,得到的结果都是同样缺乏真相的内容,甚至出现了“量子反重力”这样的神奇词汇。而换成直译的词汇“Quantum levitation”,“Quantum trapping”google了一下,才得到了基本靠谱的解释。

用一个词解释:超导悬浮。

用一句话解释:高温超导材料在达到临界温度后产生的抗磁性使得物体悬浮并能锁定在不同的位置。

还不太明白?我们来解释一下:

什么是高温超导材料

超导体这个词相信大家都有所耳闻,泛指在一定低的温度下电阻突变为0的材料。电阻为0就意味着电流在超导材料中传输时根本没有损耗![1]

1911年,海克•卡末林•昂内斯(Heike Onnes)发现,将汞冷却到-268.98℃时,汞的电阻突然消失!这是首次发现超导体和超导现象。话说2年后昂内斯就因为这个发现获得了1913年的诺贝尔物理学奖。

我们看到,汞的转变温度为-268.98℃,这么低的转变温度要用到昂贵的液氦冷却和低温设备,没有什么实用价值。如果能找到转变温度较高的超导体就好了,也就是所谓的高温超导材料。当然这里的高温指的可不是几百上千度,而是指一些具有较其他超导物质相对较高的临界温度,一般能够在液氮的气化温度以上(约在-190℃)就能称作“高温了”。至于“室温超导”,目前仍是遥不可及。

什么是超导悬浮

超导体有着各种奇特的性质,最著名的就是其抗磁性,也称作迈斯纳效应。

1933年,德国物理学家迈斯纳(Walther Meissner)发现了超导体的完全抗磁性,即当超导体处于超导状态时,在外磁场H小于临界磁场Hc时,产生迈斯纳效应,体内磁感应强度突变为0。[2]

抗磁性的简单解释:当把超导体放进磁场中时,由于电感应作用,在超导体表面形成感应电流I(永久电流),在超导体内部,感应电流I激发的磁场和外磁场等值反向,相互抵消。下图显示出放进磁场中的超导体球体的磁感应分布情况。

https://i0.wp.com/img1.guokr.com/gkimage/pu/wo/uc/puwouc.png

超导体的抗磁性使得在外界磁场不太强的情况下产生斥力。如果将一个处于超导状态的物体放在一块永久磁铁上,斥力与重力平衡,就实现了超导悬浮。

有了对超导悬浮的基本认识之后,再来解答对视频里的“量子悬浮”的种种疑问。

Q1、那个冒着白气的盘子是什么?

A1、主要由3部分组成

a)500 µm蓝宝石单晶基底圆盘(single crystal sapphire wafer),纯属打酱油的支撑材料。

https://i0.wp.com/img1.guokr.com/gkimage/fl/is/w8/flisw8.png

b)一层0.5 µm的高温超导材料:yttrium barium copper oxide(YBa2Cu3O7-x)。它的相变温度在 -185.15℃左右,各种悬浮现象都由此材料提供。

https://i1.wp.com/img1.guokr.com/gkimage/yj/4e/46/yj4e46.png

c)最后镀上一层金,起保护作用。

https://i1.wp.com/img1.guokr.com/gkimage/fo/0r/8d/fo0r8d.png

Q2、我问的是冒白气的是神马?

A2、盘子上厚厚一层白色的物质应该是固氮,起冷却作用,使该超导材料处于超导状态。(氮气的沸点-195.75℃,凝固点-209.95℃,低于该超导体的相变温度。)

Q3、量子漂浮在哪里?

A3、我们已经知道因为超导体有“迈斯纳效应”,即超导体的抗磁性,可以在磁场中悬浮[2]。而在这个视频中,不同于一般超导悬浮的是,此处采用的高温超导材料属于二型超导体。对于二型超导体,存在两个临界场——下临界场Hc1和上临界场Hc2。当外磁场H小于Hc1时,产生完全的抗磁性,体内磁场为0;当外磁场H介于Hc1和Hc2之间时,会有部分磁场穿透超导体,产生穿透的位置是量子化的,如下图所示,产生了分离的磁通管(flux tubes)[3]。超导体就是被这些磁通管锁定(pin)住的,这种现象被称作“quantum levitation”,也就是中文直译过来的量子漂浮。

https://i2.wp.com/img1.guokr.com/gkimage/w1/66/pn/w166pn.png

Q4、看,为什么可以倒着放?这不是“反重力”吗?

https://i0.wp.com/img1.guokr.com/gkimage/52/zl/5n/52zl5n.png

A4、正如前面说的,整个超导体相当于被磁通管所固定住(试想一块被万箭穿心的烧饼),所以能够平衡各个方向不大的外力。

另外,当外力较小(拿着磁铁到处走的时候)是时,超导盘与磁铁的相对位置不会改变,而当外力较大(如视频中实验者用手调整圆盘角度)时,圆盘可以稳定在了一个新的角度。这是因为当外力较大时,圆盘越过了之前的势垒,与磁铁相对位置发生改变,在新的位置上重新形成磁通管,所以可以稳定在磁场强度足够的范围内的几乎任何方向。

Q5、视频中他们直接用手碰固氮!零下一百多度,不冻死了?

A5、君不见还有喝液氮的同学,至于原理嘛,很简单。在固氮和皮肤短暂接触的时候并没有直接接触到固氮,由于气化较快,在皮肤和固氮间形成薄薄的一层气体,而气体传热较慢,所以在短时间的接触下并不会造成伤害。(严重警告:喝液氮什么的还是太危险,别人做不会受伤,不代表你也行,别轻易模仿哈。)

实验危险,请勿模仿。

实验危险,请勿模仿。

好了,基本原理介绍完毕。量子悬浮,科学奇迹?算不上,大骗局?也不算,只是国内媒体的噱头罢了。对大众而言,倒是个非常好的展示科学神奇的现象,很适合于在科技馆展出。

在最近热映的电影《碟中谍4》里也有这么一段戏,特工穿上特殊材料的衣裤就可以悬浮在半空中,而给他提供“浮力”的则是身体下方的一辆遥控车。特工可以随着小车的前进、后退而同步移动。简单地把物体悬浮起来靠磁悬浮就可以实现,但如果为了精确平稳地控制物体,在室温下用超导现象来实现的话,目前看来还是遥不可及的。

扩展视频:

“量子锁定”的详细解释

视频很详细的演示了整个超导片的组成,量子悬浮效应的原理,以及形成磁通管的形状。后半部分还可以看到越过一个磁铁产生的障碍,以及双层的悬浮表演。

超导磁悬浮轨道的基本原理

视频中的火车、汽车都是浇上了液氮的超导体,在低温下产生了超导效应,超导效应使得轨道的磁力线形变成类似一个管道的形状,将小车固定在之间。

参考资料:

[1] Superconductivity
[2] (1, 2) Meissner effect
[3] Flux pinning

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