怎么用科学让青蛙漂浮起来？

孙悟空能腾云驾雾，哪吒能上天入地，哈利・波特里的巫师骑个扫帚就能原地起飞，而现实中的我……起跳半米就落地（）。

小说故事里的角色有着腾云驾雾的超自然能力，一些科幻电影中也有充满想象力、令人叹为观止的场景。比如电影《阿凡达》中，那些漂浮在空中的群山，奇妙又梦幻，是现实生活中遥不可及的奇景。

电影《阿凡达》中漂浮的群山。图片来源于网络

那么在真实的物理世界，是否真的存在让物体漂浮起来的可能呢？答案是肯定的。这种神奇能力的来源，就是强磁场。

然而，要想打造能够“漂浮群山”的强磁场环境，是一件极其困难的事情。这里我们先要建立一个对磁场强度的基本概念。我们身边的地磁强度大约是0.4Gs，日常生活中我们一般接触的条形磁铁/玩具磁铁，它的磁场强度大约有2000~4000Gs。

条形磁铁产生的磁场。图片来源于网络

从数值上看，玩具磁铁的磁场是地磁场的万倍级，是不是看上去已经很强了？实际上，这个强度距离“漂浮群山”，还差着十万八千里呢！

“漂浮群山”难度太高，这节课先学个简单的——用科学将青蛙漂浮起来。漂浮青蛙同样需要强磁场，制造强磁场需要用一种特殊的材料：超导体。

01

极低温下的发现

超导体是1911年荷兰物理学家卡莫林·昂内斯发现的。他在1908年把氦气这种稀有气体液化，得到了4.2K（-269℃）的低温。

氦这种液体有一个神奇的性质，当它的温度达到2.2K的时候，它的粘滞力会突然消失，成为超流体，导热能力极大加强。原来液氦处于沸腾的状态，当对它减压降温，它突然就不沸腾了，转变成在表面静静的蒸发。图片来源于网络

卡莫林·昂内斯测量低温下水银的电阻时发现，在4.2K附近时，水银的电阻突然消失了！他惊讶地重复了这个实验，经过反复验证，他确定这是一种新的现象，人们把它称为超导体。

卡末林·昂内斯和他的氦液化器

水银在低温下电阻的变化。图片来源于网络

02

抗磁性

抗磁性指的是能够抵抗外磁场的能力。比如一个具有抗磁性的小圆柱，在磁场的作用下能推着它走。

抗磁性示意图。图片来源于网络

超导体所具有的抗磁性是完全抗磁性，这也是除了零电阻以外，超导体最基本也是最神奇的现象。当超导体处于正常态时，磁场是可以进入到超导体内部的；但是温度降低到超导体临界温度以下后，磁场则被完全排出，超导体内部磁感应强度为0。这种效应又被称为迈斯纳效应。

迈斯纳和迈斯纳效应。图片来源：维基百科

超导体具有三个临界参量：临界电流Ic、临界温度Tc和临界磁场Bc。当超导体所处的温度超过临界温度或者所处环境磁场超过临界磁场时，超导体将会失超；如果超导体载有电流，当电流超过临界电流时磁体也会失超。因此，超导体承载的电流不会无限大。

几种实用超导体和临界参数

03

高温超导体

超导体的临界温度是限制其应用的一个重要参量，毕竟维持超低温需要昂贵的设备。有没有临界温度高的超导体呢？1986年科学家们发现了一些温度比较高的超导体，它们可以在液氮温度77K，也就是-196℃维持超导态。虽然温度仍然很低，但相比于液氦温度4.2K算是高的了。科学家们将40K作为划分，临界温度高于40K的就叫高温超导体。最常用的高温超导体是由华人物理学家朱经武和我国著名科学家赵忠贤各自独立发现的钇钡铜氧。

有了高温超导，就能直观地演示超导体的完全抗磁性了。首先用液氮将超导体冷却。

液氮冷却钇钡铜氧。图片来源于网络

然后把它放到磁铁做的轨道上，可以看到超导体处于漂浮状态，一推它就开始不停地运动。

超导磁悬浮实验（超导块请勿触碰，谨防冻伤）。图片来源：SLAB三棱镜科普志愿服务队

甚至将超导体放在下方，它也能悬浮起来。这是超导体所具有的钉扎效应的体现，超导现象是一种宏观的量子现象。

超导磁悬浮克服重力。图片来源于网络

04

如何把青蛙漂浮起来

让我们回到最初的那个问题：如何让青蛙漂浮起来。青蛙是含水量很高的动物，而水是一种典型的抗磁性物质。所以如果建造一个很强的磁场，那么不仅仅是青蛙，那些含水量高、重量小的动植物，比如蚂蚱、番茄，都能够漂浮起来。

（一些搞笑的小实验）

漂浮的青蛙。图片来源于网络

漂浮的水滴。图片来源于网络

漂浮的番茄。图片来源于网络

要建造这么强的磁场，自然要下一番功夫的。要用载流能力强的导线绕成螺线管通上电，电会生磁，螺线管中间就产生了磁场。多个螺线管套在一起，电流越强，内部的磁场就越高。那么问题来了，什么样的导线载流高呢？答案自然是超导体。

超导体导线通常采用三种材料，最外侧的是低温超导体，如铌钛和铌三锡；中间的是高温超导体，钇钡铜氧；最内侧的则是常规导体铜，而铜在通电后会产生巨大的热量，所以还要用不导电的高纯水冷却。这样力大砖飞，磁体中心处就能产生超过45特斯拉的强磁场。

稳态强磁场实验装置混合磁体。图片来源于网络

05

从实验中获得知识，知识改变世界

说回刚才的小实验。大家一定很好奇，第一个拿青蛙做漂浮实验的人，到底拥有着怎样“美丽”的精神状态（bushi ）。安德烈·海姆，一位美国的物理学家，他和团队在1997年首次尝试并实现了让青蛙漂浮的实验，而这个实验也因为太过滑稽，让他在2000年荣获了搞笑诺贝尔奖（一个奖励幽默有意思的科研项目的奖项）。

安德烈·海姆获得搞笑诺贝尔奖颁奖现场。图片来源于网络

大家不要误会，安德烈·海姆在正经的物理学研究上也是十分拿手的！他在2004年首次剥离出单层的石墨烯，并在2010年获得了诺贝尔物理学奖。这一次，是真正的诺贝尔奖哦

科学正是在这种不断询问，不断探索的过程中前进。有时看起来很荒唐，有时看起来很复杂，但正因为有意思，一代代科学家不断地研究它。就像超导体，从卡莫林·昂内斯发现超导体以来，已经有十位物理学家因此获得诺贝尔奖。

因超导获得诺贝尔奖的科学家们。图片来源：《超导小时代》

超导体也走入实际应用中。超导磁体是磁共振设备的核心部件，它产生的高均匀度强磁场，能够将人体内部组织“照”出来，帮助医生诊断病灶。在可控核聚变中，能够将高温的等离子体约束起来依靠的是磁场，而超导体则是产生强磁场的唯一材料。在科研仪器、储能、输电等领域，都有超导的身影。

可控核聚变ITER项目。图片来源于网络

有没有室温超导体？超导产生的机制是什么？能否将超导体更广泛地应用到生活中？一个一个有意思的问题不断激励着研究人员探索。相信在不远的将来，人类能够在超导领域取得更大的突破，超导体必然造福于更广泛的人民大众当中。

来源：松山湖材料实验室

原标题：科普UP 丨 怎么用科学让青蛙漂浮起来？

编辑：潇潇雨歇

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

如需转载请联系原公众号