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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！
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图7.5 悬浮在空中的小水滴在外加磁场的诱导下变成了一个小磁铁
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Berry先生给迷惑中的Geim解释了其中的来龙去脉。首先Berry先生介绍了一个定理：一块永久磁铁是永远无法被另外任意多块，任意摆放的永久磁铁悬浮在空中的。这便是恩绍定理，由一百多年前的英国物理学家Earnshaw先生提出和证明的，我们将在本章“探索与发现”一节中予以证明。其关键结论就是，一块永久磁铁在恒定磁场中的势能只可能具有鞍点，而不可能具有最低点。换句话说，永久磁铁在恒定磁场中至少在某一个方向上是不稳定的。这句话粗听起来有些费解，不如看图来得明白，图7.6所示小球所处的位置就是一个鞍点。小球在这个表面的重力势能等于mgH，其中H是表面上任一点的高度（即Z坐标值）。所以它的重力势能在空间中的分布就和这个表面的形状是一样的。图7.6中小球所处的位置从左右方向看是势能极小值，从前后方向看是势能极大值，总的形状就像是一个马鞍。容易得知，小球在左右方向上是稳定的，如果你小心地把它往左推，它还是能滚回到现在的位置上来。但是小球在前后方向上是不稳定的，因为稍微有点前后方向的风吹草动，它就溜走了。这就是势能鞍点的特性，至少有一个方向上它是不稳定的。实际上我们在图7.4中遇到的情况就是一个典型的势能鞍点。在竖直方向上，空中的磁铁处于势能最低点，在这个方向上它是稳定的。因为如果迫使它离地面上的磁铁更近，则会感受到更强大的斥力被推开；如果离地面上的磁铁更远，则磁场力迅速减弱，不足以抵抗重力，从而被重力拉回来。但是在水平方向上，空中的磁铁处于势能的最高点。这就是为什么我们感觉它像抹了油一样总想向两边溜走，这是恩绍定理的一个极佳特例。历史上（包括现在）有许许多多的人试图用多个奇形怪状的磁铁把一块小磁铁浮在空中，但都以失败告终，他们以实践证明着恩绍先生的正确。不得不说，虽然理论学家可能缺乏一双灵巧的手，但是他们短短的铅笔头下的几行公式却揭示着最为普遍的真理。
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