主题：【原创】磁悬浮的惊人秘密---小炉匠炒冷饭 -- 小炉匠

磁悬浮的惊人秘密

　　　　　　　　　　　　　　　　·小炉匠·

　　一提到磁悬，大家马上想到磁悬列车。但炉匠这里讲的不是列车磁悬技术，而是把几块磁铁巧妙地摆在一起，把另一块磁铁托在空中的现象。这种技术不耗能不用电，全靠个巧劲儿。磁悬列车虽然神气却绝没那么巧，一停电就只能呆在铁轨上，寸步难移。

　　人类有史以来就知道磁铁拥有神奇的力量。两块磁铁不但能相吸亦能相斥。斥力之大足以把重物托起。因此几千年来人们一直在尝试着用磁铁的斥力来抵抗地球重力，把物体浮在空中。传说在纪元之初，一位宗教领袖的陵寝就是用磁铁砌成，把用磁铁做成的棺木悬在空中。

　　可也怪了，人们试了几千年，却从来没有成功过。到如今还有人孜孜不倦的试着。时间到了十九世纪时，科学有了突飞猛进的发展。对磁场的描述也从感性进步到理性。一组麦克斯韦方程（Ｍａｘｗｅｌｌ’ｓ　Ｅｑｕａｔｉｏｎｓ）就把电磁场描述的准确精致。比麦克斯韦方程还早一些的时侯有一位数学家叫山姆·恩绍（Ｓａｍｕｅｌ　Ｅａｒｎｓｈａｗ），于１８４２年写了一篇论文，用数学方法证明静态磁悬浮不可能实现。这就是著名的恩绍大定理（Ｅａｒｎｓｈａｗ’ｓ　ｔｈｅｏｒｅｍ），后来被写进大学物理教程。大一的学生刚入道就会学到恩绍大定理。大二学到麦克斯韦方程发表后，对恩绍定理又有了新的理解，用麦氏方程的语言来讲，磁力线是不发散的，在空间中没有极小植，这样磁场的斥力在空间就无稳定点。磁铁的斥力虽然能把重物托在空中却不能稳定，就好象用铅笔尖不能把铅笔稳定地站在桌上。

　　恩绍大定理虽然给出了科学的证明，却没能挡住后人的好奇心和继续尝试。一方面是许多人没学过物理，根本不知道什么恩绍大定理（比如炉匠）；另一些人虽然知不行却不信邪，静态磁悬毕竟太引诱人了。但是如果某个物理学家在实验室里摆弄磁悬浮，常常会招来同事们一片讥笑，被认为在做蠢事。

　　可时间到了二十世纪九十年代，美国市场上居然出现了一种叫莱维托（Ｌｅｖｉｔｒｏｎ）的玩具，能把一个磁铁陀螺稳稳的浮在半空，时间达几分钟之久，直到陀螺因空气阻力逐渐减慢速度而跌落。一位叫罗德·专诺（Ｒｏｄ　Ｄｒｉｖｅｒ）的教授闻讯立即买了一台，并在说明书的指导下花了两个多小时掌握了磁悬的技巧。但他也因此产生了强烈的好奇心，他觉得自己在说明书的指点下还要花两个小时才能学会，那么是什么灵感的力量引导着发明家，在黑暗中反复摸索终获成功呢？

　　带着这种好奇，专诺博士拨通了专利持有者比尔·霍思（Ｂｉｌｌ　Ｈｏｎｅｓ）和他的父亲爱得华·霍思（Ｅｄｗａｒｄ　Ｈｏｎｅｓ，美国拉斯维莫斯国家实验室的物理学家）的电话。可是与爷儿俩谈了一个多小时，他仍感到一头雾水。两位大科学家怎么也讲不清如何获得灵感并取得第一次成功的。放下电话，专沃博士仍坚持不懈的追寻这个问题。很快他竟然发现了一个令人吃惊的秘密：霍思父子并不是这项技术的发明者，他们是在一位名不见经传的民间人士的指点下学会这一技术并将其据为己有。

　　１９９３年，比尔·霍思看到一项美国专利４，３８２，２４５，阐述旋转磁体的悬浮技术。他和他的父亲抱着极大的怀疑态度与专利持有者联系。他们很快收到一盘录像带，清楚地拍下旋转的磁体在空中漂浮。受到恩绍定理的影响，作为物理学家的霍思父子怎么也不能相信。不久他们带着怀疑和兴趣拜访了这位科学的白丁——一位住在弗尔蒙特的民间发明家的罗来·哈里根（Ｒｏｙ　Ｈａｒｒｉｇａｎ）。哈里根先生花了几天时间耐心地教这两位科学家。最后他们终于学会如何在磁铁强烈地斥力下稳定地旋转一个陀螺并轻轻地把它托起，使之自由悬浮在空中。

　　霍思父子激动地提议与这位民间发明家合作。儿子比尔是一位专营科学玩具的商人。他说可以把利润的５％分给哈里根先生，并在每个玩具的包装上印上他的名字和专利号４，３８２，２４５。哈里根先生平静地面对着两位亢奋的科学家和商人。这位民间发明家的小屋里堆满了磁铁，电池，仪器和各种稀奇古怪的玩艺儿。他认为这磁悬技术比起他几十年来的其他发明不过是小菜一碟。同时，作为一个民间发明家多年来挨过不少专家和其他合作者的坑。为此他从一开始就征得客人的同意，用录像机录下了他们会面的一切活动。他很愿意和霍思父子合作，却怀疑为什么他们竟不肯留下１０００美元作信用抵押。最后这位固执的民间发明家虽然拒绝在合同上签字，但却在霍思父子的极力游说之下，看着他的磁悬装置在摄像机前被装进盒子，由霍思父子带回去研究。

　　父亲爱得华·霍思是拉斯维莫斯（国家原子弹基地）有名的物理学家。回去之后他用基地的超级计算机仔细地研究了磁悬的理论，并作了一些小修改，随即用自己的名字申请了专利。之后，他们与中国大陆的厂商联系，利用中国发明的廉价强磁铁‘钕铁硼’为原料，大批生产这种磁悬陀螺玩具。几年来这种叫莱维托（Ｌｅｖｉｔｒｏｎ）的玩具风靡美国，迷倒了无数对科学充满好奇的青少年。他们卖了几十万台，不仅对哈里根先生分文不付，甚至只字不提他的原始贡献。谎言重复多了似乎连自己都信以为真，对着电视台采访的摄像镜头父子俩信誓旦旦地说这是他们多年的研究结果。他们的确研究了多年，但完全是失败的记录，若无哈里根先生指点迷津，他们可能还在徒劳无功地摸索中。

　　专诺博士对自己的发现十分震惊。他把事实写成文章，于１９９９年在普怀登斯杂志（Ｔｈｅ　Ｐｒｏｖｉｄｅｎｃｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ　２２，１９９９）上公布于众。霍思父子的一位代理商谢洛克夫妇（Ｍｉｋｅ　ａｎｄ　Ｋａｒｅｎ　Ｓｈｅｒｌｏｃｋ）知道真相后亦十分气愤，马上停止销售莱维托并在自己的网站上公布了真相。霍思父子回敬了谢洛克夫妇一场官司，告他们诽谤和滥用别人的冠名商标莱维托。至今在网上仍能查到美国第十上诉庭２０００年编号为ＣＶ—９７—１２６６ＬＨ／ＷＷＤ的案例记录。待尘埃落定，莱维托依旧在霍思的玩具网站上畅销。谢洛克夫妇决定帮助发明家哈里根先生用自己的专利制造出商品与莱维托竞争。但历尽沧桑的发明家已不再相信任何人，并发誓再不与他人合作。

　　专诺博士进一步的研究竟然又有惊人发现，原来在哈里根先生之前，另一位民间发明家，约瑟夫·谢夫（Ｊｏｓｅｐｈ　Ｃｈｉｅｆｆｏ）在完全不知道哈里根先生的情况下于１９８４年独立作出同样的发现，用旋转的磁场悬浮重物。谢夫的遭遇更惨。他无力说服制造商收买他的发明，也无法获得专利。１９８８年在四处碰壁的情况下他在一家科普杂志上登广告，用５元的价格出卖磁悬秘密的说明书，但应者寥寥，不久就销声匿迹。

　　到此读者一定感到奇怪，既然恩绍已经用数学方法严格地证明了静态磁悬是不可能的，为什么还会有磁悬陀螺的成功？这岂不违反基本的科学原理吗？仔细的分析认为，磁悬陀螺并不违反恩绍定理。磁悬陀螺用的是旋转磁体，玩过陀螺的朋友都知道旋转的陀螺利用一种特殊的力量——“进动”来保持稳定。虽然磁场不能稳定地托起静态的陀螺，但陀螺旋转时，不稳定的偏斜使陀螺出现绕轴旋转的进动，并通过进动使陀螺转回稳定点，进而飞升漂浮于磁场之上。１９９７年，纽约州罗切斯特大学的钟斯（ＴＢ　Ｊｏｎｅｓ）及合作者在美国应用物理杂志（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ　８２（２）：１５）上发表一篇文章，详细阐述了磁悬陀螺的稳定条件及其转速，重量的关系。他们的分析进一步证明民间发明家们确实身手不凡：陀螺在磁体上几十毫米的空中浮动，但稳定区域只有４毫米左右宽，陀螺必须呆在这一看不见摸不着的狭小区域中才能稳定。不仅如此，陀螺的重量必须精确到１％左右，轻则飞出，重则落地。加之陀螺的稳定还随环境温度变化，必须随时调整。使用者还要学会在磁体强烈的斥力下把陀螺转到一定的转速，快了慢了都不能稳定。从这点看，哈里根和谢夫先生都是高人。只有上帝才知道他们怎么能在无数的失败中找出这么多条件的最佳组合。相比之下科学家们倒像是照葫芦画瓢的粗人，只会按部就班地写公式。

　　写到这里我必须坦白，炉匠自己也玩过静止磁悬浮，皆因对物理常识才疏学浅，“不知有汉”。重复了万人的好奇，无知和失败。我听说莱维托之后也是毫不犹豫，立即买了一台，但照着说明书却怎么也玩不好。无奈之下把它带到实验室中去让我那些天才的学生们去玩，果然不过一个周末，就收到德国学生迈克的电子邮件，附来他面对悬浮的陀螺欣喜若狂的照片。

在迈克的指导下，不出十分钟我也学会了，差不多能百发百中。我深深的体会到天才的发明家与跟随的模仿者的能力竟有百分之九十九不相上下，唯一不同只是那灵机一闪的第一推动。没有这灵机一闪百年来多少受过正规教育的物理学家受到恩绍定理的影响而无所建树。著名的计算机科学家，Ｍｅｔｈｅｍａｔｉｃａ的创始人斯洛德·格瑞（Ｔｈｅｏｄｏｒｅ　Ｇｒａｙ）在一本科普杂志中写到“为什么那么多科学家在这么长的时间内（对静态磁悬）这个问题毫无建树呢？这正表明负面思维（ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｔｈｉｎｋｉｎｇ）是威力强大的”。如果你在书中学到某些事是不可能的，你多半会不再多想。只有那些不信邪的人，先认为这可以实现，然后再找理论漏洞，突破就是这样产生的。

　　炉匠作为过来人，要提醒那些跃跃欲试，准备不信邪的年轻人和民间科学家。违反常理的研究代价极大且大多都要失败的。突变的生物大多数是要死去的，在亿万次失败的突变事件中，个把成功者脱颖而出。正是这些成功者，使生物进化出了眼睛，翅膀和大脑，统治了世界。但你要想做违反常理的事，要准备好一辈子一事无成，当个失败的垫底数字。唯一的捷径是遍读关于这个问题的所有文献，用前人的知识教训武装自己。现在网络发达，鼠标一点信息扑面而来，没上过大学也能成为专家。

　　最后再提一下科学界里的其他高人。恩绍定理能容忍的另两个例外是超导磁悬和反磁（Ｄｉａｍａｇｎｅｔｉｃ）磁悬。超导磁悬虽能托起日本大相朴运动员，但已不新鲜，反磁磁悬却还有点意思。大多数物质的反磁性都太弱了，不足以抵抗重力。但利用很强的磁铁还是可以实现普通物体的反磁磁悬。１９９７年挪威科学家安德·根姆（Ａｎｄｒｅ　Ｇｅｉｍ，那明根大学，Ｎｉｊｍｅｇｅｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）用强磁场浮起了一只青蛙（文见１９９７　Ｅｕｒ．Ｊ．Ｐｈｙｓ．１８：３０７）。然而无论他如何强辨这项工作的意义，还是难逃于２０００年获得搞笑诺贝尔奖（Ｉｇ　Ｎｏｂｅｌ　ａｗａｒｄｓ）。但科学界里也有象哈里根和谢夫先生那样真正的高人。九十年代中，爱尔兰的几位科学家想出了一种巧妙的方法，用普通磁体承担重力而只用物质的反磁性来维持稳定。这样用一般物体的反磁性虽弱，但就已足够维持几克重物的磁悬稳定。比如，用人手指的反磁性就足以使一块小磁铁悬浮在空中。这种“手指磁悬”非常巧妙且有轰动的新闻效果。让他们在科技界的顶级杂志自然（Ｎａｔｕｒｅ　４００：３２４，１９９９）上发表了这篇文章。

　　这些惊人的故事就发生在前几年，说不定下一个大轰动就是您的巧妙发明。

　　（文中人，物皆用真名，以便读者在网上查阅。霍思父子与民间发明家哈里根的故事是以专诺先生在普怀登斯杂志上的文章为蓝本。篇幅所限参考文献从略，可用人名的英文作为关键词在网上查出相关资料。匠以为教书之真谛在于用简单的语言阐明复杂的理论，故常常尝试写科普文章，愿与天下的外行分享科学之乐。二零零五年春节，大雪茫茫中于米国马里兰州盖色斯浦镇。

• here