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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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图7.6 鞍点上的小球
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了解了恩绍定理，接下来看看，为什么水滴和青蛙可以稳定地翱翔在磁场之中，不服从自然界的普遍规律呢？这其实是一个似是而非的问题，因为它们并没有破坏自然规律，只不过它们服从的不是恩绍定理。Berry先生告诉Geim，水滴和青蛙之所以能做到这一点是因为它们自身的磁场是由外加磁场引导产生的，而图7.4中的小磁铁的磁场是自己固有的。所以对于水滴和青蛙来说，恩绍定理的前提条件“一块永久磁铁在外加恒定磁场中”就不满足了。通过计算表明，这种由外加磁场引导产生磁性的物质，其势能可以在X、Y、Z三个方向上都是最低点，就像一个圆碗的底一样，从而位于其中的青蛙就处于稳定平衡状态了。关于计算的细节，我们将在“探索与发现”小节中披露。
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至此，Geim先生完全明白了这个实验中的精妙与深远。用Berry先生的话说，这个实验就像是象棋，无论是业余爱好者还是职业大师，都能体会到其中不同层次的乐趣。
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读到此，你可能非常希望能亲眼一见Geim先生的实验吧！不幸的是，他所使用的20T以上的强磁场在整个地球上也只有少数几个大型实验室拥有。其中我国的合肥低温强磁场实验室（位于中国科技大学）和武汉脉冲强磁场实验室（位于华中科技大学）就是其中的两家。所以Geim先生最初的把室温下的强磁现象带给普通老百姓的愿望实际上并没有完全实现。但是幸运的是，我们也可以用强度稍弱的钕铁硼磁铁来实现物美价廉的磁悬浮。那还等什么，一起动手吧！
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动手实践
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首先我们来看如何让一根铅笔芯悬浮在空中。
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所需材料很简单，自动铅笔芯一根和边长5mm左右的正方形钕铁硼磁铁若干，你将看到如图7.7的神奇现象。
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