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闲话基本原理
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2010年诺贝尔物理学奖得主之一的俄裔英籍物理学家Andrey Geim先生是个有趣的人。他是一位很典型的俄国大汉形象，稍胖而仍显干练的身躯足以抵御西伯利亚的冰天雪地，说英语时声调较低，语速较慢，带着河北口音（他生长在黄河以北的俄罗斯）。以前我在美国的亚利桑那大学物理系LeRoy教授门下学习的时候，我们和他有过研究上的合作。我见过他写给LeRoy教授的信，英文手写体颇为工整有力，这也许是因为他常年生活在传统气息浓郁的英国的缘故。而在美国，年轻一代很少有人的手写体具有审美的价值了（这与我们国家的情况相似）。有意思的是，后来我选修一门课，老师也是一位胖胖的、语速较慢的俄裔，他和Geim先生以前念研究生时是同屋的室友，他说Geim先生并不很聪明（原话是He was not bright），所以大家如果觉得自己不够天才，也不要放弃科学研究。我觉得他的说法是有道理的，他是一位博学的理论物理学家，而Geim先生是一个实验物理学家。大家如果看过情景喜剧《生活大爆炸》就知道，在物理学界的理论家（如剧中的Sheldon）眼中，实验物理学家（如剧中的Leonard）只不过是实现理论家的预言的“干粗活”的人。所以他认为Geim先生不够聪明也是正常的，如果够聪明也应该去做理论了。对于这种看法，实验物理学家们通常也不以为然，有时候开玩笑地说理论学家们看到铁和铝都区分不了。神韵上和两千年前那位嘲笑孔夫子“四体不勤，五谷不分”的老农有些相似了。
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闲话少说，书归正传。前面介绍Geim先生并不是因为他获得了2010年的诺贝尔奖，而是因为2000年他和著名的理论物理学家Michael Berry先生一起获得了Ig Nobel奖，暂且翻译成搞笑诺贝尔奖吧。这个奖每年授予世界上在自然科学、和平和经济领域的做出杰出搞笑成果的人们（大多是正经的学者）。获奖的成果首先要使人发笑，然后要引人深思，所以是非常有难度的。那么Geim和Berry两位先生当年做出了什么成果可以获此殊荣呢？这便是与本章相关的内容：他们用强磁场把一只青蛙浮在了半空中！
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在Geim先生的获奖感言里[1]，他详细地叙述了自己做这个实验的前因后果。我觉得这无论是对于科学家还是非科学家都是很有意思的一个故事，于是我把它加以整理写在了下面。
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Geim先生当时的研究工作是关于各种物质在强磁场下的反应，除了做正经八百的研究以外，每个星期五他的实验室里会有一个“疯狂物理实验之夜（Crazy Friday Night Experiments）”，他们会尝试各种看起来很不靠谱的实验点子。比如研究为什么壁虎可以趴在墙上而不掉下来；研究能不能用一根透明胶带把石墨不停地分离，直到剩下一层原子等，当然很多疯狂实验都没有成功，但是也有极少数的几个成功了。刚刚提到的壁虎的研究使得他们发明了一种壁虎胶带，可以很牢固地吸附在各种复杂的表面，而关于石墨的研究使得他们获得了2010年的正牌诺贝尔物理学奖。了解了这些，他们悬浮青蛙的实验就显得再正常不过了。
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强磁场物理学的研究一般需要冷却到极低的温度，一般是零下270℃。我们知道零下273 ℃是所谓的绝对零度，即自然界的物质不可能比这个温度更低了，可见零下270 ℃也是一个不容易达到的温度，这样就使得强磁场下的物理现象只能在实验室里被极少数科学家欣赏到。Geim先生是一位有着“独乐乐，不如众乐乐”思想的人，所以他想找到一种可以在室温下就能演示的强磁现象，这样大家都能欣赏到科学的魅力了。为此他处处留意这方面的文献，平时也常常思考这个问题。1996年前后，他读到一篇由日本科学家写的文章，观察到了一种叫做“摩西效应（Moses Effect）”的现象：如果在一小盆水底下放置极强的磁场（10T以上），盆中的水会分开到盆的边缘，盆的中间位于强磁场上方的部分是没有水的（见图7.1）。之所以叫做摩西效应，是因为根据圣经故事，公元前13世纪犹太人的先知摩西带领过着奴隶生活的犹太人逃离埃及，渡过红海，来到如今的中东地区。当他率领犹太人来到红海之滨时，面对滔滔的海水和后面即将到来的追兵，他祈求上帝把海水劈开，在海底开辟一条逃生的道路。果然，红海的海水向两旁退去，一条大路呈现出来，这样摩西和犹太人才得以渡过红海。这个用强磁场使水分开的实验与摩西的神迹略有相似，故得名为“摩西效应”了。
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图7.1 摩西效应示意图
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这个实验很让Geim先生激动，这不正是他一直想找的那种室温下的强磁效应吗！由于日本科学家的文章中并没有解释为什么会有这种效应，他决定自己试一试。当时，他工作的强磁场实验室有一台类似于导电螺线管的强磁装置，于是他舀了一勺水，小心地倒进产生20T强磁场的螺线管。此时他也不知道会发生什么情况，结果是非常令人震惊的，这一勺水悬浮在了螺线管内，形成了一个完美的小球。就像在没有重力的太空中一样！图7.2是从上往下俯视螺线管口拍摄的一张照片，中间偏右的那个小球就是水珠。
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这真是太神奇了！Geim先生按耐住激动的心情，以科学家的本能开始思考现象背后更深一层的原理。究竟是什么力量把这颗水珠浮在了空中呢？他和几个同事讨论和计算了十多分钟，终于明白了，这力来自于水的抗磁性（我们在第5章有过讨论）。当外加磁场足够强时，这个微弱的抗磁力也足以平衡水的重力，而让它悬浮在空中。
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确信自己理解了这个实验现象的原理，Geim先生才手舞足蹈地跑出实验室，拉住楼道里的同事们说：“我用磁场把水珠浮在了空中！”接下来的一个多星期，他的实验室里游客络绎不绝。这些整天与高科技前沿打交道的物理学家们看到这一幕，无不惊叹。
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图7.2 水珠悬浮在空中
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图片取自Geim先生工作过的荷兰Radboud University Nijmegen强磁场实验室网站：
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http://www.ru.nl/hfml/research/levitation/diamagnetic/
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Geim先生意识到，抗磁材料的悬浮即使对于见多识广的前沿科学家们都是一个非常新鲜的事情，那么它肯定会受到大众的欢迎，成为一个传播科学的极佳实验。Geim先生想把它做得更加引人入胜，他尝试悬浮除了水以外的抗磁性物质（含水分比较多的物质），包括草莓、坚果、奶酪、披萨饼等。一两年内，经过许多的尝试和失败以后，有一天他从生物实验室找来了一只青蛙，这便是那只名垂蛙史的青蛙，它代表青蛙界第一次在地球表面感受到了真正的微重力环境，享受了航天员才有的待遇（见图7.3）。如果你访问图7.2中提到的网站，你还可以看到这只青蛙在空中翱翔的视频。
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图7.3 青蛙悬浮在空中
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图片取自图7.2的同一个网站
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但是事情的真相远比Geim先生所理解的要复杂。直到不久后的一天，著名英国理论物理学家Michael Berry[2]先生找到Geim，和他讨论这个实验的时候，他才开始明白这其中蕴含的更深一层的精妙之处。这更深一层的精妙起源于一个大家都很熟悉的现象，比如我们有两块小磁铁，如图7.4所示，用手将一块放在另一块上面，当两块磁铁靠近时我们能感受到很大的排斥力，这个力可以远远大于上面那块小磁铁的自身重量。但是空中的小磁铁总是不老实在原地呆着，它像抹了油一样的试图向两边开溜，等一放手，它就翻个身和下面的磁铁紧紧吸附在一起。
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图7.4 生活中常见的现象，一块磁铁无法悬浮于另一块之上
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从第5章我们知道，外加磁场会在逆磁体（如悬浮在空中的小水滴）中诱导产生一个磁场，与外磁场相反（见图7.5）。我们也可以把此时的逆磁体看作一个小磁铁，它和外来磁铁同极相对，就像图7.4一样。但是为什么这种情况下的小磁铁（即小水滴）就能悬浮在空中，而图7.4中的小磁铁却不能呢？Berry先生提出这个问题以后， Geim才意识到自己一直忽略了悬浮实验中的一个重要问题，那就是：悬浮的稳定性是怎么实现的？看来有的时候，实验学家对于理论学家是不服不行啊！