超导“小时代”之十:四两拨千斤
他强由他强,清风拂山冈。他横任他横,明月照大江。—— 《九阳真经》(来自金庸《倚天屠龙记》)正所谓:“温饱思...
他强由他强,清风拂山冈。他横任他横,明月照大江。
—— 《九阳真经》(来自金庸《倚天屠龙记》)
正所谓:“温饱思哲学,哲学生物理”,古希腊繁荣的物质文明不仅催生了“科学和哲学之祖”泰勒斯,还涌现出如苏格拉底、柏拉图、亚里士多德、德谟克利特等多名哲学家。哲学(英文philosophy)在希腊语里就是Φιλοσοfία,意指“爱好智慧”,和探索万物之理的物理学颇有渊源。实际上,物理学一词(英文physics)就起源自亚里士多德的一本同名著作(希腊语Φυσική),是哲学一词的变体[1]。古希腊最有名的物理学家,当属“力学之父”——阿基米德,在几何学、力学、天文学都做出了非常伟大的贡献。有关阿基米德的科学故事,就总是充满浓浓的哲学味儿。比如他在泡澡时顿悟了浮力原理,然后大喊“ερηκα” ( 英文Eureka, 即“ 找到了”)裸奔上街,玩起了类哲学家的行为艺术[2]。阿基米德对他从事的力学研究充满自信,曾豪言壮语道:“给我一个支点,我可以撬动整个地球!”这句话从物理原理上来说看似没有根本错误,但要真正实现却几乎天方夜谈。阿基米德显然没搞清楚地球到底有多大,——它可是一个平均直径12742 km、总质量约6×1024 kg 的大家伙!假设阿基米德是个体重100 kg 的胖子,而且他还能不知从何处找到一根无比坚韧、无比纤长、无比轻巧的杠杆,加上一个无比坚实的支点。阿基米德在杆这头,地球在杆那头,都属于同一平直时空。那么,阿基米德要把地球移动1 mm,需要跑多远?6×1019 m,折合天文单位约为6300光年[3]!可怜的阿基米德,如果要从实验上验证他的理论,至少要以光速奔跑六千余年,天晓得要穿越到未来什么时代,更别提谁还能注意到把地球移动一毫米前后的区别。何况就是他想这么玩,老天爷也不忍心折磨他。公元前212 年,古罗马军队攻陷叙拉古城,工作中的阿基米德被某无名士兵捅了一剑,时年七十五岁,卒。难不成,阿基米德的杠杆宣言,就这样终结在哲学范畴?细观阿基米德撬地球的姿势,你或许还能领悟到另一层面的“哲学意义”。阿基米德攥拳扬起的左手和斜斜下压的右手,神似太极拳中的一招“白鹤晾翅”(图1)。太极拳术讲究借力打力和“四两拨千斤”,这或许就是阿基米德的杠杆原理精髓——不怕力小,只要原理恰当,用巧了可有大智慧。金庸武侠人物张三丰创立的太极拳法和剑法、张无忌练就的九阳神功和乾坤大挪移,都是“四两拨千斤”的典范。
图1 阿基米德“四两拨千斤”之术
2011 年初,日本女孩林奈津美在东京各个角落拍了一组名为“今天的浮游”照片。照片中的她不借助任何支撑,整个悬浮在空中,仿佛具有自我漂浮的力量。“东京漂浮少女”的名号,从此红遍网络[4]。女孩的秘诀在于单反相机的延时拍摄和不断地奔跑跳跃腾空,其实和印度街头僧人或魔术师们表演的“人体悬浮术”如出一辙,都是视觉欺骗,仅此而已(图2)。
图2 人体“悬浮术” (来自thesuiteworld.com)
如上一节《金钟罩、铁布衫》里讲到,超声波可以让小昆虫甚至小鱼悬浮起来,强磁场可以让青蛙悬浮起来。借助科技的力量,就可以创造奇迹!我们知道,电场和磁场的存在,可以让物体在不发生直接接触的情形下,就产生相互作用。磁铁的南极和北极相吸,同极则相斥。如果精细设计磁铁的形状,让磁性底座产生足够强的斥力,使另一个带有磁性的物体稳定地悬浮起来,就实现了“磁悬浮”。早在1922 年,德国工程师赫尔曼·肯佩尔就提出了电磁悬浮原理。如今,这种磁悬浮早已不稀奇,在各大网络电商平台都可以轻松找到诸如“磁悬浮地球仪”、“磁悬浮音箱”等产品,而且价格不贵。俄罗斯的Kibardin Design 工作室甚至异想天开发明了一种“磁悬浮鼠标”,它不仅无线,而且可以浮在半空中,电脑又多了一种酷玩法(图3)[5]。磁悬浮的力量是很强大的,利用磁铁线圈,可以产生几个特斯拉的磁场,足以把整个列车悬浮起来,有效克服了轨道摩擦带来的阻力,让列车可以跑得更快。2003 年1 月,开往上海浦东机场的高速磁悬浮列车正式运营,跑完全程30 km只需8分钟。2016 年5 月6 日,世界上最长的中低速磁浮运营线在我国长沙开通。预计2017年,北京门头沟的磁悬浮S1线也将建成投入使用[6]。磁悬浮列车技术,正在不断蓬勃发展。也许您注意到了,现有的大多数磁悬浮列车速度都还不算快,顶多和高铁技术差不多(300 km/h)。这主要是因为采用常规导体电磁铁的磁悬浮轨道造价昂贵,稳定性、可靠性、制动性都尚待改进,开快了容易失控,弄不好就要酿出车毁人亡的惨剧。这也是为何我国发展高速铁路运输首选了电动车组的高铁技术,而没有大面积推广常规磁悬浮列车的主要原因之一。
图3 磁悬浮地球仪、音箱和鼠标(来自knewone.com 和www.kafan.cn)
图4 超导磁悬浮(来自phys.org)
图5 超导的临界参数和临界曲面
图6 超导体的分类:第I 类超导体和第II 类超导体
图7 (左)超导体内的磁场穿透;(右)磁通量子与磁通格子(来自奥斯陆大学物理系主页www.mn.uio.no/fysikk/english/)
图8 高速行驶的超导磁悬浮列车(来自phys.org)
图9 核磁共振成像仪(来自phys.org)
图10 超导磁体在科学研究中的应用
超导电力、超导磁悬浮、超导磁体等都是在承载大电流或强磁场情况下的超导应用,又统称为超导强电应用。对应的,还有超导的弱电应用,主要利用了超导材料内部电子的量子特性,将在下节为您详细介绍。
参考文献
[1] 亚里士多德(古希腊)著,张竹明译. 物理学. 北京:商务印书馆,1982
[2] Biello D. Fact or Fiction?:Archimedes Coined the Term "Eureka!" in the Bath. Scientific American,2006-12-08
[3] 林革. 学与玩,2015,(1):40
[4] http://yowayowacamera.com/
[5] http://www.kibardindesign.com/products/in-progress/the-bat-levitating-kibardin/
[6] 黄文艳. 磁悬浮时代的到来. 中华铁道网,2016-03-15
[7] Moon F C. Superconducting Levitation: Applications to Bearing and Magnetic Transportation. Wiley-VCH,2004
[8] Poole Jr C P,Farach H A,Creswick R J et al. Superconductivity(3rd edition) Elsevier,2014
[9] Tinkham M. Introduction to superconductivity (2nd edition). New York:Dover Publications Inc.,2004
[10] 闻海虎. 物理,2006,35 (1):16;2006,35 (2):111
[11] http://www.quantumlevitation.com/
[12] Justin M. Japan's Maglev Train Breaks World Speed Record with 600 km/ h Test Run. The Guardian (U.S.ed.) (New York),2015-04-21
[13] 丁峰. 中国西南交大:真空管道超高速磁悬浮列车相关技术尚处于试验阶段. 新华网,2014-05-13
[14] Smith K. Nature,2012,484:24
[15] http://www.hfcas.ac.cn/xwzx/tpxw/201305/t20130508_3834306.html
超导“小时代”之二:人间的普罗米修斯
超导“小时代”之三:鸡蛋同源
超导“小时代”之四:电荷收费站
超导“小时代”之五:神奇八卦阵
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超导“小时代”之七:冻冻更健康
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超导“小时代”之九:金钟罩、铁布衫
本文选自《物理》2016年第6期
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