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这位说了，要研究无重力下的人体反应有个更简单的办法，把航天员派到死海里进行训练不就行了吗，那里水的浮力足以完全平衡掉人体的重力。确实，各国宇航员训练有一个科目就是穿着笨重的宇航服在水底进行训练，以适应微重力环境。但是这种环境与真正的微重力环境有一个重要的区别，那就是在太空中，人的每一个细胞单独拿出来都是几乎不受重力的；水下训练中，人体只不过是外表受到了来自水的浮力平衡掉了身体的重量，而身体内每一个细胞都还是受到同样的重力以及细胞周围组织对它的支撑力，这和人站在地表没有本质区别。所以在水下呆再长的时间也不会出现航天员骨质流失那样的问题。但是，逆磁悬浮就不一样了，因为老鼠体内每一个细胞都含大量的水，而且大致上水含量都相当，这样每个细胞都会感受到外加磁场的斥力，平衡掉自身的重力。所以老鼠的骨骼不再需要支撑肌肉的重量，就会出现航天员在太空中所经历的骨质流失的现象了。
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逆磁悬浮的另外一个重要应用前景就是悬浮列车。目前世界上运营的悬浮列车（如上海磁悬浮列车）都是采用电磁铁加以复杂的电路控制（我将在后面的章节中制作一个这样的装置），建设成本巨大，不利于推广。而逆磁悬浮具有天生的稳定性，而且不需要耗电就能产生悬浮，用于列车轨道，将会大大减少成本。然而，你从第5章以及本章的诸多实验看到了，逆磁效应是一种非常微弱的现象，除非在实验室中的强磁场内，否则它产生的推力是微乎其微的。有没有别的材料具有更大的逆磁性，从而可以悬浮其很重的物体呢？有。在第5章“探索与发现”小节中的表格里，你会发现最后一行赫然写着，超导体。其逆磁效应比石墨、水等要强万倍。毫无疑问，超导体是制造磁悬浮列车的最佳材料。然而不幸的是，目前的超导材料还需要冷却到零下140℃左右才能变成超导状态，即使地球上最冷的南北极也无法达到这个温度。图7.13展示了一个超导悬浮实验，悬浮在空中的是一块普通磁铁，它的下面放着一块黑色的超导体（钇钡铜氧，简称YBCO），其超导转变温度是零下180℃左右。值得一提的是，它是由华人物理学家朱经武和吴茂昆率领的研究团队在1987年发现的。在这个材料合成以前，最高超导转变温度是零下240℃左右，钇钡铜氧的发现，让科学界极为振奋。因为终于有一种材料可以在液态氮的环境下超导了（液氮温度为零下196℃）！液态氮相对来说是一种非常便宜的冷却剂，目前一升只需人民币3～4块，可比汽油便宜！图7.13中，黑色的钇钡铜氧超导体就是浸没在液氮之中，所以你才会看到它周围升腾的雾气，就像我们在一只刚刚从冰箱里拿出的冰棒周围看到的雾气一样。图7.13中的镊子尖端上也凝结了一层雪花。
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图7.13 超导逆磁悬浮
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高温超导研究是目前物理学最大的研究前沿之一，我们还没有一个完整的理论来解释高温超导现象，也不知道我们是否有可能实现室温超导。但是世界上有许许多多个聪明勤奋的科学家倾注毕生的精力在朝那个方向奋斗，读者中或许也会有人将会从事这个方向。或许在不太遥远的未来，我们就能够乘坐由超导体做成的磁悬浮列车，在距离地面十几厘米的地方以飞机的速度，火车的票价奔驰着，那个时候，我国的春运难题将有望得到解决了。
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[1].请见Berry教授的网页：http://www.phy.bris.ac.uk/people/berry_mv/igberry.html。其中有一段叫作How I ended up levitating frogs.
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[2].Berry先生很有可能在不久的将来，继Geim先生之后，成为获得正牌诺贝尔奖和搞笑诺贝尔奖的第二人。
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我们都是科学家：那些妙趣横生而寓意深远的科学实验（修订版） [:1701074932]
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我们都是科学家：那些妙趣横生而寓意深远的科学实验（修订版） 8 永远悬浮的陀螺
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一分钟简介
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本章开始于一个非常好玩而且物美价廉的玩具：磁悬浮陀螺。我们将会解密陀螺稳定悬浮的真正原因。你将会看到，一个简单的玩具，包含了深刻的道理，如此深刻，以至于需要一位顶级物理学家写了好几页纸才解释得清。如果你还在为陀螺悬浮了一两分钟以后终究会坠落而惋惜，我们将亲手做一个简单的装置，使得它永远悬浮！
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闲话基本原理
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飞翔是人类亘古不变的梦想，地球上各个民族的神话里，远离凡间的仙人们总是腾云驾雾，翱翔天际。然而在神奇的万有引力作用下，地面上一切具有质量的物体都像牛顿的苹果一样，离不开大地的束缚。当然，从整个宇宙的角度来看，如果只存在万有引力的话，各个星系之间将会由于互相吸引而越靠越近，最终天地大冲撞—那位被人嘲笑了千年的杞人终于在人类文明毁灭的前一秒钟被追认为伟大的预言家。然而天文学家们在1990年左右通过对超新星的观测表明，宇宙中除了万有引力以外，还有一种神秘的斥力。它如此强大，甚至超过了引力的影响，使得宇宙在不断地加速膨胀。2011年的诺贝尔物理学奖就授予了3位最早发现这一现象的天文学家。引起这种斥力的东西我们还搞不清它是什么，所以就把它叫作“暗能量”（Dark Energy）。
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如果有一天能很便宜地“买”到暗能量，那么我们就能在铁轨上“铺”一层，火车上也“镀”一层，那么悬浮列车就变得容易了。但是这听起来比杞人忧天更不靠谱。我们从第7章逆磁悬浮中已经了解到，磁性物质之间的排斥力如果运用得当，也可以产生悬浮。然而普通逆磁材料产生的悬浮力非常有限，室温超导材料遥不可及，恩绍先生又早早地告诉我们强有力的永久磁铁无法实现稳定悬浮。
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20多年前，当美国一个小镇上的发明怪人Roy Harrigan先生尝试让一块磁铁稳定地悬浮在另外一块磁铁之上时，就有物理学家告诫他这是在浪费时间，因为这违背了基本的物理规律——恩绍定理。但Harrigan先生是一位自学成才的高中毕业生，对于那些大学物理才有可能学到的知识没有什么了解，所以物理学家们的好意提醒他根本没往心里去。当然，作为一个优秀的发明家，他了解曾经有很多人尝试过各种磁铁的组合，但都没能让一块小磁铁悬浮在空中，所以他不打算重蹈覆辙。但是为什么这些人会失败呢？他注意到，当一块小磁铁的某极靠近放在桌面上的另一块小磁铁的相同极时（见图7.4），空中的那块小磁铁会试图翻个身，与桌面小磁铁从相互排斥变成相互吸引。如果解决了这个问题，空中的小磁铁就有望能够稳定悬浮了。
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这个问题的解决方案也许现在看起来显得理所当然，但是不知道当年Harrigan先生通过了多少次尝试才找到它。我们都知道旋转的陀螺可以直立不倒，这是因为陀螺的角动量守恒使得它试图维持最开始转动时的姿态。那么，如果我们把一块小磁铁镶嵌在一个陀螺里，当它旋转起来的时候就能够有效抵御它翻转的企图，这样一直阻碍磁铁稳定悬浮的难题应该就可以解决了。这便是我们现在能从网上买到的物美价廉的“磁悬浮陀螺”（见图8.1）。玩过磁悬浮陀螺的朋友肯定了解，这看似简单的想法要实践起来是非常困难的。首先在磁铁底座上旋转小陀螺就是要克服的第一个难题，因为，在那里陀螺感受到非常大的翻转力矩。当你掌握了旋转陀螺的秘笈后，小心翼翼地用图8.1中的透明塑料板将旋转中的陀螺抬高到悬浮位置。但是不管你多么小心，极有可能在离底座四五厘米的地方，陀螺腾空而起，当你来不及庆祝，它又飘然而去。这时你要增加陀螺的重量（通过在陀螺转轴上放置圆形垫片），并根据陀螺飞离的方向来抬高底座的某一边（比如图8.1中底座右边的楔子就是稍微使得底座右边抬高。如果没有这块楔子，陀螺就会朝右边飞离平衡位置）。这个调试的过程需要耐心、观察力和对判断力。当然，这一切努力的痛苦在陀螺成功悬浮后将会变成极大的喜悦，与对Harrigan先生由衷的钦佩。《无线电》杂志曾经刊登过一篇文章[1]，教大家如何自己买两块磁铁来DIY一个类似的磁悬浮陀螺，那也是非常有趣的一个过程。
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至此，你会觉得自己已经练成了独步天下的陀螺磁悬浮秘笈，然而，几天之后你想给朋友展示这一奇观时，很有可能发现原来的陀螺无法稳定悬浮了，即使底座没有移动，陀螺的重量没有改变。不要着急，这是因为气温几度的变化也足以改变磁铁的强度（见第5章“说磁”）。如果天气变冷，那么磁铁变强，斥力增大，所以就要增加陀螺的重量；如果天气变热，那么磁铁变弱，斥力减小，所以就要减少陀螺的重量。
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图8.1 陀螺悬浮在空中的情景
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了解了这些，并勤加练习，你将终成一代磁悬浮陀螺宗师！但是，作为业余科学家，我们的心底里可能还是会有一些迷惑：难道一本正经的恩绍先生就这么被击败了吗？旋转的陀螺的确不会翻转，但是它在平衡位置处的势能是如何由鞍点变成一个碗底的呢？（见第7章“逆磁悬浮”关于恩绍定理的证明。）
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这个问题其实并不简单，Harrigan先生自己或许也不了解他的发明是如此的深刻。这一切的谜底都得等到我们的老朋友，第6章中的主人公之一Berry教授在一篇著名的论文中给出解答，我们将在本章“探索与发现”小节中来了解其中到底有何奥妙。
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当我们欣赏着神奇的悬浮陀螺时，慢慢地我们能感受到它的转速减慢（与空气的摩擦消耗了陀螺的转动能量），它开始在空中摇摆。几分钟之后，终于“啪”的一声，眨眼间，它完成翻转、降落等一系列高难度动作，与底座吸在了一起。精彩结束得太快了！有没有一种方法能让它的转速保持恒定，从而永远悬浮在空中呢？
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