提個問題,在地球上有什麽辦法能讓身體抵抗重力,懸浮在空中?
回答這個問題之前,我們先來看一個小實驗。
圖片上是懸浮在聲波中的水滴。
除了水滴之外,塑膠小球也能在聲波中懸浮。
制作能懸浮小球的聲波場很簡單。
下方放置一個發出超聲波的喇叭,上方也放一個喇叭。
喇叭發射出兩道相向而行的聲波。
當兩道聲波疊加在一起,波形一致時,產生駐波。
駐波的意思是2道聲波疊加之後,圖形看上去仿佛停駐不動了,圖形上位移不變的地方叫節點,位移最大的波峰或波谷,叫反節點。
把小球或者水滴放進聲波場裏,小球在節點處達到聲壓和重力平衡,懸浮在空中。
每次新增加的一滴水,都會懸浮在駐波的節點處,水滴之間間隔距離相等,相當於聲波的半個波長。
制造聲波場的研究團隊,還能操縱聲波,隔空移動木棍,搭建木頭框架。
看起來聲波場很好用,那麽它能讓人懸浮在空中嗎?
回答這個問題之前,我們先放一只螞蟻進場試試看。
畫面裏綠白色小球是塑膠參照物。
螞蟻在聲波場裏也能漂浮,但它一直在空中轉圈圈,轉得還非常快。
取出螞蟻,換成一只瓢蟲,瓢蟲也在轉圈圈。
蟲子在聲波場裏越轉越快,最後被直接甩出場地。
小個頭的蟲子能夠懸浮在聲波裏,但是個頭再大一點,就浮不起來了。
你看,這就是聲波場的局限所在,聲波場只能控制微小物體的移動,只有尺寸比一半波長更短的物體,才能平穩地懸浮在空中。
所以,聲波場不能懸浮人體。
不過,雖然你沒法懸浮在聲波場裏,懸浮在磁場裏,卻很有希望。
這是一段27年前的影片圖片。
一只漂浮在空心管道裏的青蛙。
青蛙待在磁場裏,生平第一次體驗到了身體騰空的磁懸浮。
接著,磁場裏的青蛙換成螞蚱。
螞蚱換成菜花。
菜花換成一滴水、草莓、披薩等物體,全部都輕松漂浮在空中。
磁力在磁場裏垂直分布,青蛙身體裏的原子在磁場裏形成弱磁力,弱磁力跟磁場原有磁力方向相反,就像兩塊磁鐵的同極互相排斥一樣。
青蛙身體裏抵抗磁場的弱磁力,正好抵消了它的重力,於是青蛙懸浮在空中。
能讓青蛙懸浮的磁場,必須非常強才行。
做個對比,你在生活中能體驗到的最強磁場,是醫院裏核磁共振成像。
核磁共振儀的磁場強度為3個特斯拉,還不能讓青蛙懸浮。
青蛙懸浮的磁場強度為16個特斯拉,這個磁力是你家冰箱貼的1600倍。
理論上,只要磁場足夠強,人體也能懸浮在空中。
1997年進行的青蛙磁懸浮實驗,是有生命的生物第一次在磁場裏漂浮。
從強磁場裏出來的青蛙,依然活蹦亂跳,健康地生活。
帶青蛙去體驗磁懸浮的安德烈·海姆教授,因此獲得了2000年搞笑諾貝爾物理學獎。
說起來,評判搞笑諾貝爾獎的標準,不僅僅只是研究內容搞笑,評判官更看重的是科研人員的想象力和創造力。
海姆教授的創造力,並沒有局限在磁懸浮青蛙上。
來看另一個例子。
有一次,海姆教授的學生在做石墨的分層實驗。
進行過很多次嘗試之後,學生得到的石墨分層厚度都在微米量級,遠遠做不到分離出單層石墨。
學生走投無路,只能求助海姆教授。
這時,海姆教授突發奇想,用膠帶紙來分層石墨。
結果,他成功地用膠帶紙分離出單層石墨,單層石墨學名石墨烯 。
石墨烯是世界上第一種二維的晶體物質。
海姆教授「手撕石墨烯」的研究,獲得了2010年諾貝爾物理獎。
安德烈·海姆教授是搞笑諾貝爾獎和正經諾貝爾獎的雙獎得主。
搞笑諾貝爾獎跟正經諾貝爾獎之間的距離,並不像我們想象中那麽遙遠。
好了,關於磁懸浮青蛙的秘密,先聊到這兒。
下一期,我們接著來講,搞笑諾貝爾獎背後,那些很有創造力的故事。
關註法蘭西is培根,為你講解自然界的秘密,下期見。
參考資料:
1、Diamagnetic Levitation
2、Geim Becomes First Nobel & Ig Nobel Winner