孫悟空能騰云駕霧，哪吒能上天入地，哈利?波特里的巫師騎個掃帚就能原地起飛，而現實中的我……起跳半米就落地（）。

小說故事里的角色有著騰云駕霧的超自然能力，一些科幻電影中也有充滿想象力、令人嘆為觀止的場景。比如電影《阿凡達》中，那些漂浮在空中的群山，奇妙又夢幻，是現實生活中遙不可及的奇景。

電影《阿凡達》中漂浮的群山。圖片來源于網絡

那么在真實的物理世界，是否真的存在讓物體漂浮起來的可能呢？答案是肯定的。這種神奇能力的來源，就是強磁場。

然而，要想打造能夠“漂浮群山”的強磁場環境，是一件極其困難的事情。這里我們先要建立一個對磁場強度的基本概念。我們身邊的地磁強度大約是0.4Gs，日常生活中我們一般接觸的條形磁鐵/玩具磁鐵，它的磁場強度大約有2000~4000Gs。

條形磁鐵產生的磁場。圖片來源于網絡

從數值上看，玩具磁鐵的磁場是地磁場的萬倍級，是不是看上去已經很強了？實際上，這個強度距離“漂浮群山”，還差著十萬八千里呢！

“漂浮群山”難度太高，這節課先學個簡單的——用科學將青蛙漂浮起來。漂浮青蛙同樣需要強磁場，制造強磁場需要用一種特殊的材料：超導體。

01

極低溫下的發現

超導體是1911年荷蘭物理學家卡莫林·昂內斯發現的。他在1908年把氦氣這種稀有氣體液化，得到了4.2K（-269℃）的低溫。

氦這種液體有一個神奇的性質，當它的溫度達到2.2K的時候，它的粘滯力會突然消失，成為超流體，導熱能力極大加強。原來液氦處于沸騰的狀態，當對它減壓降溫，它突然就不沸騰了，轉變成在表面靜靜的蒸發。圖片來源于網絡

卡莫林·昂內斯測量低溫下水銀的電阻時發現，在4.2K附近時，水銀的電阻突然消失了！他驚訝地重復了這個實驗，經過反復驗證，他確定這是一種新的現象，人們把它稱為超導體。

卡末林·昂內斯和他的氦液化器

水銀在低溫下電阻的變化。圖片來源于網絡

02

抗磁性

抗磁性指的是能夠抵抗外磁場的能力。比如一個具有抗磁性的小圓柱，在磁場的作用下能推著它走。

抗磁性示意圖。圖片來源于網絡

超導體所具有的抗磁性是完全抗磁性，這也是除了零電阻以外，超導體最基本也是最神奇的現象。當超導體處于正常態時，磁場是可以進入到超導體內部的；但是溫度降低到超導體臨界溫度以下后，磁場則被完全排出，超導體內部磁感應強度為0。這種效應又被稱為邁斯納效應。

邁斯納和邁斯納效應。圖片來源：維基百科

超導體具有三個臨界參量：臨界電流Ic、臨界溫度Tc和臨界磁場Bc。當超導體所處的溫度超過臨界溫度或者所處環境磁場超過臨界磁場時，超導體將會失超；如果超導體載有電流，當電流超過臨界電流時磁體也會失超。因此，超導體承載的電流不會無限大。

幾種實用超導體和臨界參數

03

高溫超導體

超導體的臨界溫度是限制其應用的一個重要參量，畢竟維持超低溫需要昂貴的設備。有沒有臨界溫度高的超導體呢？1986年科學家們發現了一些溫度比較高的超導體，它們可以在液氮溫度77K，也就是-196℃維持超導態。雖然溫度仍然很低，但相比于液氦溫度4.2K算是高的了。科學家們將40K作為劃分，臨界溫度高于40K的就叫高溫超導體。最常用的高溫超導體是由華人物理學家朱經武和我國著名科學家趙忠賢各自獨立發現的釔鋇銅氧。

有了高溫超導，就能直觀地演示超導體的完全抗磁性了。首先用液氮將超導體冷卻。

液氮冷卻釔鋇銅氧。圖片來源于網絡

然后把它放到磁鐵做的軌道上，可以看到超導體處于漂浮狀態，一推它就開始不停地運動。

超導磁懸浮實驗（超導塊請勿觸碰，謹防凍傷）。圖片來源：SLAB三棱鏡科普志愿服務隊

甚至將超導體放在下方，它也能懸浮起來。這是超導體所具有的釘扎效應的體現，超導現象是一種宏觀的量子現象。

超導磁懸浮克服重力。圖片來源于網絡

04

如何把青蛙漂浮起來

讓我們回到最初的那個問題：如何讓青蛙漂浮起來。青蛙是含水量很高的動物，而水是一種典型的抗磁性物質。所以如果建造一個很強的磁場，那么不僅僅是青蛙，那些含水量高、重量小的動植物，比如螞蚱、番茄，都能夠漂浮起來。

（一些搞笑的小實驗）

漂浮的青蛙。圖片來源于網絡

漂浮的水滴。圖片來源于網絡

漂浮的番茄。圖片來源于網絡

要建造這么強的磁場，自然要下一番功夫的。要用載流能力強的導線繞成螺線管通上電，電會生磁，螺線管中間就產生了磁場。多個螺線管套在一起，電流越強，內部的磁場就越高。那么問題來了，什么樣的導線載流高呢？答案自然是超導體。

超導體導線通常采用三種材料，最外側的是低溫超導體，如鈮鈦和鈮三錫；中間的是高溫超導體，釔鋇銅氧；最內側的則是常規導體銅，而銅在通電后會產生巨大的熱量，所以還要用不導電的高純水冷卻。這樣力大磚飛，磁體中心處就能產生超過45特斯拉的強磁場。

穩態強磁場實驗裝置混合磁體。圖片來源于網絡

05

從實驗中獲得知識，知識改變世界

說回剛才的小實驗。大家一定很好奇，第一個拿青蛙做漂浮實驗的人，到底擁有著怎樣“美麗”的精神狀態（bushi ）。安德烈·海姆，一位美國的物理學家，他和團隊在1997年首次嘗試并實現了讓青蛙漂浮的實驗，而這個實驗也因為太過滑稽，讓他在2000年榮獲了搞笑諾貝爾獎（一個獎勵幽默有意思的科研項目的獎項）。

安德烈·海姆獲得搞笑諾貝爾獎頒獎現場。圖片來源于網絡

大家不要誤會，安德烈·海姆在正經的物理學研究上也是十分拿手的！他在2004年首次剝離出單層的石墨烯，并在2010年獲得了諾貝爾物理學獎。這一次，是真正的諾貝爾獎哦

科學正是在這種不斷詢問，不斷探索的過程中前進。有時看起來很荒唐，有時看起來很復雜，但正因為有意思，一代代科學家不斷地研究它。就像超導體，從卡莫林·昂內斯發現超導體以來，已經有十位物理學家因此獲得諾貝爾獎。

因超導獲得諾貝爾獎的科學家們。圖片來源：《超導小時代》

超導體也走入實際應用中。超導磁體是磁共振設備的核心部件，它產生的高均勻度強磁場，能夠將人體內部組織“照”出來，幫助醫生診斷病灶。在可控核聚變中，能夠將高溫的等離子體約束起來依靠的是磁場，而超導體則是產生強磁場的唯一材料。在科研儀器、儲能、輸電等領域，都有超導的身影。

可控核聚變ITER項目。圖片來源于網絡

有沒有室溫超導體？超導產生的機制是什么？能否將超導體更廣泛地應用到生活中？一個一個有意思的問題不斷激勵著研究人員探索。相信在不遠的將來，人類能夠在超導領域取得更大的突破，超導體必然造福于更廣泛的人民大眾當中。

來源：松山湖材料實驗室

原標題：科普UP 丨 怎么用科學讓青蛙漂浮起來？

編輯：瀟瀟雨歇

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