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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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幸运的是，这个方法不但存在，而且并不需要高科技设备，以我们业余科学家的经济实力也足以达成。说起来这个方法还真是巧妙[2]，如图8.2所示，我们在陀螺底座下面放了一个条形磁铁，这个磁铁产生的磁场比底座的磁场要弱很多，但是由于陀螺悬浮在空中，即使很弱的磁场也能对它的悬浮形态产生影响。如图8.2左图所示，当条形磁铁的北极指向右边时，会使陀螺转轴微小地向左倾斜（同性相斥）；而如果把条形磁铁的南北极反向（图8.2右图），则会使得陀螺转轴微小地向右倾斜（图中对陀螺转轴的偏转程度进行了夸张）。如果我们能够让条形磁铁在底座下旋转起来，那么陀螺也会跟着转动。实际上我们并不需要条形磁铁完成一个完整的旋转，而只需要如图8.2那样，让磁场的指向来回交替变换，就足以驱动陀螺，使得它旋转的周期与磁场交变的周期一致[3]。这个操作可以很容易地通过一个电磁铁来实现，我们把一个电磁铁放在底座之下，用控制电路通入交变的电流，就形成了一个指向来回变换的磁场（类似的装置在第6章的无刷直流电机中有用到）。通过电磁铁的驱动，小陀螺可以保持恒定的旋转速度，从而永远悬浮在空中。美国加州的一所大学的物理系就有一个这样的装置，它悬浮在空中超过一年的时间。后来加州发生了一次地震，导致该城市停电，陀螺才掉下来。
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图8.2 驱动磁悬浮陀螺的原理
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这个装置是不是看起来很诱人呢！让我们一起来制作一个吧！
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动手实践
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首先，我们来看产生交变磁场的装置（见图8.3）这个其貌不扬的东西实质就是一块电磁铁。在第6章中，我们使用的电磁铁是把漆包线缠绕在一根圆形的铁螺丝钉上，一般电磁铁都是这样的形状。但是，因为在本制作中，我们需要把电磁铁放置在底座磁铁之下，就应因地制宜地采用扁平的电磁铁了。
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图8.3 产生交变磁场的电磁铁
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