怎么用科学让青蛙漂浮起来？

摘要：孙悟空能腾云驾雾，哪吒能上天入地，哈利・波特里的巫师骑个扫帚就能原地起飞，而现实中的我……起跳半米就落地（

孙悟空能腾云驾雾，哪吒能上天入地，哈利・波特里的巫师骑个扫帚就能原地起飞，而现实中的我……起跳半米就落地（

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小说故事里的角色有着腾云驾雾的超自然能力，一些科幻电影中也有充满想象力、令人叹为观止的场景。比如电影《阿凡达》中，那些漂浮在空中的群山，奇妙又梦幻，是现实生活中遥不可及的奇景。

电影《阿凡达》中漂浮的群山。图片来源于网络

那么在真实的物理世界，是否真的存在让物体漂浮起来的可能呢？答案是肯定的。这种神奇能力的来源，就是强磁场。

然而，要想打造能够“漂浮群山”的强磁场环境，是一件极其困难的事情。这里我们先要建立一个对磁场强度的基本概念。我们身边的地磁强度大约是0.4Gs，日常生活中我们一般接触的条形磁铁/玩具磁铁，它的磁场强度大约有2000~4000Gs。

条形磁铁产生的磁场。图片来源于网络

从数值上看，玩具磁铁的磁场是地磁场的万倍级，是不是看上去已经很强了？实际上，这个强度距离“漂浮群山”，还差着十万八千里呢！

“漂浮群山”难度太高，这节课先学个简单的——用科学将青蛙漂浮起来。漂浮青蛙同样需要强磁场，制造强磁场需要用一种特殊的材料：超导体。

极低温下的发现

超导体是1911年荷兰物理学家卡莫林·昂内斯发现的。他在1908年把氦气这种稀有气体液化，得到了4.2K（-269℃）的低温。

氦这种液体有一个神奇的性质，当它的温度达到2.2K的时候，它的粘滞力会突然消失，成为超流体，导热能力极大加强。原来液氦处于沸腾的状态，当对它减压降温，它突然就不沸腾了，转变成在表面静静的蒸发。图片来源于网络

卡莫林·昂内斯测量低温下水银的电阻时发现，在4.2K附近时，水银的电阻突然消失了！他惊讶地重复了这个实验，经过反复验证，他确定这是一种新的现象，人们把它称为超导体。

卡末林·昂内斯和他的氦液化器

水银在低温下电阻的变化。图片来源于网络

抗磁性

抗磁性指的是能够抵抗外磁场的能力。比如一个具有抗磁性的小圆柱，在磁场的作用下能推着它走。

抗磁性示意图。图片来源于网络

超导体所具有的抗磁性是完全抗磁性，这也是除了零电阻以外，超导体最基本也是最神奇的现象。当超导体处于正常态时，磁场是可以进入到超导体内部的；但是温度降低到超导体临界温度以下后，磁场则被完全排出，超导体内部磁感应强度为0。这种效应又被称为迈斯纳效应。

迈斯纳和迈斯纳效应。图片来源：维基百科

超导体具有三个临界参量：临界电流Ic、临界温度Tc和临界磁场Bc。当超导体所处的温度超过临界温度或者所处环境磁场超过临界磁场时，超导体将会失超；如果超导体载有电流，当电流超过临界电流时磁体也会失超。因此，超导体承载的电流不会无限大。

几种实用超导体和临界参数

高温超导体

超导体的临界温度是限制其应用的一个重要参量，毕竟维持超低温需要昂贵的设备。有没有临界温度高的超导体呢？1986年科学家们发现了一些温度比较高的超导体，它们可以在液氮温度77K，也就是-196℃维持超导态。虽然温度仍然很低，但相比于液氦温度4.2K算是高的了。科学家们将40K作为划分，临界温度高于40K的就叫高温超导体。最常用的高温超导体是由华人物理学家朱经武和我国著名科学家赵忠贤各自独立发现的钇钡铜氧。

有了高温超导，就能直观地演示超导体的完全抗磁性了。首先用液氮将超导体冷却。