大圣劈水开路很帅？只要一块磁铁，你也能在桌上cos一回“孙悟空”！ | 正经玩

磁铁能吸铁，

这谁都知道。

但如果是一张纸片，

磁铁当然拿它没办法。

可只要把纸片放到水面上，

奇怪的事情就发生了——

磁铁走到哪，

纸片就跟到哪。

难道泡了水以后，

纸片也有磁性了？

今天我们就来看看，

磁铁究竟是怎么“隔空操控”纸片的。

实验器材

清水，碗（各种材质），纸屑/小塑料片（或者其他能浮在水上的小块物体），强磁铁，所标杯

实验步骤

尝试用磁铁吸引实验用的纸屑和小塑料片，确保它们不能被磁铁吸引或排斥。

将纸屑放入事先加好水的碗中，确保它能够浮在水面上，用磁铁慢慢靠近纸屑（注意磁铁不能与水面接触）。然后观察纸片，如果它的位置出现了变化，就可以开始缓慢移动磁铁。此时你就会发现一个非常amazing的现象，纸片竟然开始追着磁铁“跑”了。

注：本动图经过加速，实际速度会更慢些

第三步：

换一种不同的物体（如小塑料片）进行相同的操作，发现结果和预期的完全一致，这说明刚才的现象绝非偶然。

这样一来，你就成功使用磁铁“吸引”了本来应该对磁铁毫无反应的纸屑和小塑料片！

原理解说

明明纸片和塑料片都不会被磁铁吸引，为什么放到水面上以后，却突然开始“追着”磁铁跑了呢？

其实，磁铁真正影响的并不是纸片，而是它脚下的——水。虽然平时完全感觉不到，但水其实是一种抗磁性物质。和会被磁铁吸引的铁磁性材料（如铁钉、铁粉）不同，抗磁性物质在磁场中更倾向于躲开磁场较强的区域。

因此，当一块强磁铁非常靠近水面时，由于磁铁两端磁极附近的磁场很强（这也正是实验中我们用来靠近纸屑和小塑料片的磁铁部位），而且不同位置的磁场强弱并不相同，水会受到一个极其微弱的作用，向磁场较弱的地方移动。

条形磁铁周围的磁场分布示意图。距离磁铁越近，磁场通常越强，因此磁铁附近存在明显的磁场梯度。图源：Wikimedia Commons / Lies Van Rompaey，CC BY 3.0

结果就是：磁铁下方原本平整的水面，会出现一个肉眼几乎无法察觉的微小凹陷。但别小看这点变化。漂在水面上的纸片也会因为自身重量和水的表面张力，让周围的水面发生轻微弯曲。

水被强磁场排斥形成凹陷过程的示意图。

当磁铁制造出的水面凹陷靠近纸片时，原本对称的水面形状被打破，纸片周围的表面张力也不再完全平衡。为了重新找到一个更稳定的位置，纸片便会沿着水面的微小坡度发生移动。

对于我们实验中的纸片和塑料片来说，它们造成的水面弯曲与磁铁造成的凹陷能够产生类似“同向弯曲相互吸引”的毛细作用，于是纸片就逐渐向磁铁所在的位置靠近。当我们继续移动磁铁时，水面上的凹陷也会跟着移动，纸片就会不断寻找新的平衡位置。于是看起来就像是磁铁走到哪儿，纸片就追到哪儿。所以整个过程实际上是：

磁铁 → 水的抗磁性 → 水面发生形变 → 表面张力与重力重新分配 → 漂浮物发生移动

磁铁从头到尾都没有直接“吸住”纸片。真正充当这个“隐形遥控器”的，其实是那层看似平静的水面。

类似地，其他具有抗磁性的液体，在强磁场作用下，也会出现表面凹陷的现象。因其让人联想到《圣经》中摩西分开红海的故事，所以也被称为“摩西效应”（Moses Effect）。但对于我们来说，可能更容易联想到的是下面这个画面，耳边并响起一首熟悉的BGM（doge）

因此我们有理由怀疑大圣的金箍棒可能就是个强磁铁，能够产生极强的磁场（误）。

如果写得再“硬核”一点，我们在小学二年级就学过，抗磁性物质在不均匀磁场中受到的作用与磁场强度平方的空间变化有关：

对于水的摩西效应，如果忽略表面张力，可以把水面下降的高度近似写成

其中水的体积磁化率约为

这是一个非常小的数，也正因为如此，水的抗磁性平时几乎看不出来。也正因为这个作用本身非常微弱，实验中才需要使用磁性较强的磁铁，并且让它尽可能靠近水面。隔得稍微远一点，这个“劈水开路”的魔法可能就不灵了。

我们还可以进一步估算。把前面的公式反过来，就可以得到想把水面“压低” h 所需要的磁场

这个结果非常直观：

想把水面压低

理想情况下所需磁场

0.1 mm

≈ 0.52 T

1 cm

≈ 5.2 T

10 cm

≈ 16.5 T

1 m≈ 52 T5 m≈ 117 T10 m≈ 165 T100 m≈ 520 T

由上表的结果可以看出，当我们使用的普通磁铁产生约 0.5 T 的场时，水面的凹陷只有几十微米到约 0.1 毫米，所以肉眼基本看不出来。

那么，如果我们真的想用磁场来“劈水开路”呢？

假如我们面对的是一片只有 10 米深的浅海，想让海水一直退到海底，形成一条干燥通道，那么磁场至少要提供相当于 10 米水柱的压力。

于是

也就是说，粗略来看，需要的是百特斯拉量级的磁场。

而且这里的165 T 还只是“理论起步价”。因为真正的摩西效应要求的是非均匀磁场——水不是单纯因为磁场很强而移动，而是因为不同位置的磁场 B 不同，才会被从强磁场区域排开。一个均匀的 165 T 磁场把整个海一起罩住，并不会自动劈出一条路。

更麻烦的是，你不能只在一个几厘米大的地方产生这个磁场。真要“分海”，需要把百特斯拉级的强烈磁场梯度维持在数米乃至数十米宽、很长的一整条通道上。这才是实际上完全不可思议的部分，可能确实是只有上帝和大圣才能做到（doge）。

看来，我们的磁铁离摩西的手杖和大圣的金箍棒，确实还有亿点点距离。

认真听讲的小伙伴们可能会发现，我们在今年五月也做过一个非常类似的实验。同样的水面，甚至同款的磁铁，但它们背后的原理可大不相同。如果把纸屑换成铝箔，又能演绎出怎样的爱恨情仇呢？欢迎大家回顾：

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编辑：Wonder & LogicMoriaty