一提到磁悬浮,大家马上想到磁悬浮列车。但这里讲的不是列车磁悬浮技术,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,全靠一个巧劲儿。磁悬浮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。可也怪了,人们试了几千年却从来没有成功过。到了十九世纪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。麦克斯韦方程(Maxwell's Equations)就把电磁场描述得准确精致。比麦克斯韦方程还早一些的时候,数学家山姆·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。用麦氏方程的语言来讲,磁力线是不发散的、在空间中没有极小值,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。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(Leviton)的玩具,能把一个磁铁陀螺稳稳地浮在半空,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。罗德·专诺(Rod Driver)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、关于是什么灵感的力量引导发明家在黑暗中反复摸索终获成功的好奇心。
带着这种好奇,专诺博士拨通了专利持有者比尔·霍思(Bill Hones)和其父亲爱德华·霍思(Edward Hones,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家)的电话。与他们谈了一个多小时仍感到一头雾水,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。专诺还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,他和父亲与专利持有者联系,很快收到一盘清楚地拍下旋转磁体在空中漂浮的录像带。作为物理学家的霍思父子怎么也不能相信,不久他们拜访了这位民间发明家罗伊·哈里根(Roy Harrigan)。哈里根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斥力下稳定地旋转一个陀螺并把它轻轻托起、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。哈里根先生平静地面对这两位亢奋的科学家和商人,他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,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。
父亲爱德华·霍思是洛斯阿拉莫斯(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研究了磁悬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。
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)上公布于众。霍思父子的一位代理商谢洛克夫妇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。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,但谢夫的遭遇更惨,他无力说服制造商收买他的发明、也无法获得专利。
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?仔细分析认为,磁悬陀螺并不违反恩绍定理。磁悬陀螺用的是旋转磁体,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(T. B. Jones)及合作者在美国应用物理杂志(J. Appl. Phys 82(2):15)上发表文章,详细阐述了磁悬陀螺的稳定条件及其转速、重量的关系。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。从这点看,哈里根和谢夫先生都是高人。
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扑运动员,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 年挪威科学家安德烈·根姆(Andre Geim,那明根大学)用强磁场浮起了一只青蛙(文见 1997 Eur. J. Phys. 18:307)。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,用一般物体的反磁性虽弱但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。