1701076326
1701076327
1701076328
图7.6 鞍点上的小球
1701076329
1701076330
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。
1701076331
1701076332
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。
1701076333
1701076334
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！
1701076335
1701076336
动手实践
1701076337
1701076338
首先我们来看如何让一根铅笔芯悬浮在空中。
1701076339
1701076340
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。
1701076341
1701076342
1701076343
1701076344
1701076345
图7.7 铅笔芯在磁铁阵列表面的悬浮
1701076346
1701076347
是不是很震撼呢?材料如此简单，结果却如此出人意料。心急的读者肯定迫不及待地买回钕铁硼磁铁和铅笔芯，要亲自尝试一下了，但是你的第一次尝试很有可能是失败的。因为这看似简单的现象，实际上也暗藏玄机。首先，这些四四方方的磁铁要怎么摆放在一起形成如图7.7所示的阵列呢？把它们凑在一起的方式有许多种，而只有一种方式是可以产生悬浮的。那就是如图7.8所示的那种相邻磁铁南北极相反的棋盘式结构，而且其中的原因还颇为复杂。简而言之，只有这样排列的磁铁阵才能在竖直方向上产生足够大的排斥力，同时在水平方向上具有势能最低点。
1701076348
1701076349
1701076350
1701076351
1701076352
图7.8 南北极交错排列的棋盘结构
1701076353
1701076354
其次，不是所有铅笔芯都能浮起来。据我的朋友测试，很多种国产铅笔芯不但不能悬浮起来，反而会被牢牢地吸附在磁铁上。据分析这是因为国产铅笔芯大都含有粘土成分，其中的四氧化三铁与磁铁的吸引力大过石墨与磁铁的排斥力。有一种日本生产的派通铅笔芯（网上有卖）是磁悬浮爱好者信得过的品牌，其生产的各种型号都能顺利悬浮。最后，铅笔芯的长短也是很重要的，太短了也不能被浮起来（见图7.9），与磁铁的排列一样，这也是一个颇为复杂的问题。因为一根悬在空中的铅笔芯，其各个部分所受的排斥力是不一样的。这个力既要平衡掉它的重力，又不能产生力矩使得它旋转（比如图7.9中最短的那两根铅笔芯就是因为自身各处所受的排斥力不对称，在这个力矩作用下产生旋转，导致一头碰着磁铁，一头悬在空中）。总体来说，铅笔芯的悬浮容易实现，但是要深入探究它的稳定性，还不是一件容易的事情。如果读者中有物理专业的朋友，可以把这个当作一个小课题来研究一下，研究成果足以在国际杂志上发表。
1701076355
1701076356
1701076357
1701076358
1701076359
图7.9 不同长度铅笔芯的悬浮
1701076360
1701076361
上面的这个实验虽然简单，但是深入的原理比较复杂。接下来的这个实验则恰好相反，它制作起来稍微麻烦一点，但是原理上就要简单得多了。上面的实验里石墨是被悬浮的主角，而下面的实验中被悬浮的主角是一块小磁铁，石墨只是起到帮助它稳定的作用。
1701076362
1701076363
整个装置如图7.10所示，因为我当年在亚利桑那大学物理系学习的时候，有条件很方便地使用电锯、车床、打孔机等工具，所以才得以制作这样一个看起来颇为“专业”的装置。与悬浮有关的重要部件在图7.10中以红色箭头标记了出来，其中的大钕铁硼磁铁吸引着位于两块石墨之间的小钕铁硼磁铁（浮子）。大家可能都有过用一块大磁铁从桌面上吸起另一块小磁铁的经历，毫无疑问，这种情况下磁铁相互吸引力足以平衡掉小磁铁的重力。而且在水平方向上，小磁铁是稳定的——用手把它向侧边推动一下，它还会回到大磁铁的正下方来，这表明它的势能在水平方向上的最低点就是位于大磁铁的正下方。但是恩绍先生又来捣乱了，他的定理指出，至少有一个方向上小磁铁是不稳定的。果然，此时竖直方向上它是不稳定的。我们拿大磁铁的手撤得再快也避免不了桌面上的小磁铁以迅雷不及掩耳之势，吸附到大磁铁上的命运。
1701076364
1701076365
1701076366
1701076367
1701076368
图7.10 石墨稳定下的磁铁悬浮装置
1701076369
1701076370
那么如果我们能够想个法子，使得当小磁铁偏离平衡位置（即大磁铁对它的吸引力等于其重力的位置）奔向大磁铁时，我们给它一个向下的推力；当小磁铁偏离平衡位置远离大磁铁时，我们给它一个向上的推力，这样就能使得它老老实实呆在平衡位置了。要做这件事人的反应速度是远远不够的，这时石墨就派上了用场。它的逆磁性告诉我们，当小磁铁靠它越近时，它对小磁铁产生一个越大的排斥力，这样两块石墨片把小磁铁夹在中间就起到了稳定小磁铁的作用。当小磁铁试图靠近或远离平衡位置时，它也更靠近了上面或下面的石墨片，在石墨片中诱导出更强的反抗磁场，从而产生更大的排斥力把它推回平衡位置。图7.11展示了小磁铁悬浮的样子。
1701076371
1701076372
1701076373
1701076374
1701076375
图7.11 小磁铁悬浮在两块石墨之间