提个问题,在地球上有什么办法能让身体抵抗重力,悬浮在空中?
回答这个问题之前,我们先来看一个小实验。
图片上是悬浮在声波中的水滴。
除了水滴之外,塑料小球也能在声波中悬浮。
制作能悬浮小球的声波场很简单。
下方放置一个发出超声波的扬声器,上方也放一个扬声器。
扬声器发射出两道相向而行的声波。
当两道声波叠加在一起,波形一致时,产生驻波。
驻波的意思是2道声波叠加之后,图形看上去仿佛停驻不动了,图形上位移不变的地方叫节点,位移最大的波峰或波谷,叫反节点。
把小球或者水滴放进声波场里,小球在节点处达到声压和重力平衡,悬浮在空中。
每次新增加的一滴水,都会悬浮在驻波的节点处,水滴之间间隔距离相等,相当于声波的半个波长。
制造声波场的研究团队,还能操纵声波,隔空移动木棍,搭建木头框架。
看起来声波场很好用,那么它能让人悬浮在空中吗?
回答这个问题之前,我们先放一只蚂蚁进场试试看。
画面里绿白色小球是塑料参照物。
蚂蚁在声波场里也能漂浮,但它一直在空中转圈圈,转得还非常快。
取出蚂蚁,换成一只瓢虫,瓢虫也在转圈圈。
虫子在声波场里越转越快,最后被直接甩出场地。
小个头的虫子能够悬浮在声波里,但是个头再大一点,就浮不起来了。
你看,这就是声波场的局限所在,声波场只能控制微小物体的移动,只有尺寸比一半波长更短的物体,才能平稳地悬浮在空中。
所以,声波场不能悬浮人体。
不过,虽然你没法悬浮在声波场里,悬浮在磁场里,却很有希望。
这是一段27年前的视频图片。
一只漂浮在空心管道里的青蛙。
青蛙待在磁场里,生平第一次体验到了身体腾空的磁悬浮。
接着,磁场里的青蛙换成蚂蚱。
蚂蚱换成菜花。
菜花换成一滴水、草莓、披萨等物体,全部都轻松漂浮在空中。
磁力在磁场里垂直分布,青蛙身体里的原子在磁场里形成弱磁力,弱磁力跟磁场原有磁力方向相反,就像两块磁铁的同极互相排斥一样。
青蛙身体里抵抗磁场的弱磁力,正好抵消了它的重力,于是青蛙悬浮在空中。
能让青蛙悬浮的磁场,必须非常强才行。
做个对比,你在生活中能体验到的最强磁场,是医院里核磁共振成像。
核磁共振仪的磁场强度为3个特斯拉,还不能让青蛙悬浮。
青蛙悬浮的磁场强度为16个特斯拉,这个磁力是你家冰箱贴的1600倍。
理论上,只要磁场足够强,人体也能悬浮在空中。
1997年进行的青蛙磁悬浮实验,是有生命的生物第一次在磁场里漂浮。
从强磁场里出来的青蛙,依然活蹦乱跳,健康地生活。
带青蛙去体验磁悬浮的安德烈·海姆教授,因此获得了2000年搞笑诺贝尔物理学奖。
说起来,评判搞笑诺贝尔奖的标准,不仅仅只是研究内容搞笑,评判官更看重的是科研人员的想象力和创造力。
海姆教授的创造力,并没有局限在磁悬浮青蛙上。
来看另一个例子。
有一次,海姆教授的学生在做石墨的分层实验。
进行过很多次尝试之后,学生得到的石墨分层厚度都在微米量级,远远做不到分离出单层石墨。
学生走投无路,只能求助海姆教授。
这时,海姆教授突发奇想,用胶带纸来分层石墨。
结果,他成功地用胶带纸分离出单层石墨,单层石墨学名石墨烯 。
石墨烯是世界上第一种二维的晶体物质。
海姆教授「手撕石墨烯」的研究,获得了2010年诺贝尔物理奖。
安德烈·海姆教授是搞笑诺贝尔奖和正经诺贝尔奖的双奖得主。
搞笑诺贝尔奖跟正经诺贝尔奖之间的距离,并不像我们想象中那么遥远。
好了,关于磁悬浮青蛙的秘密,先聊到这儿。
下一期,我们接着来讲,搞笑诺贝尔奖背后,那些很有创造力的故事。
关注法兰西is培根,为你讲解自然界的秘密,下期见。
参考资料:
1、Diamagnetic Levitation
2、Geim Becomes First Nobel & Ig Nobel Winner