一提到磁懸，大家馬上想到磁懸列車．但我這里講的不是列車的磁懸技術(shù)，而是把幾塊磁鐵巧妙地擺在一起，把另一塊磁鐵托在空中的現(xiàn)象．這種技術(shù)不耗能不用電，全靠個巧勁兒．磁懸列車雖然神氣卻絕沒那么巧，一停電就只能呆在鐵軌上，寸步難移．
人類有史以來就知道磁鐵擁有神奇的力量．兩塊磁鐵不但能相吸亦能相斥．斥力之大足以把重物托起．因此幾千年來人們一直在嘗試著用磁鐵的斥力來抵抗地球重力，把物體浮在空中．傳說在紀(jì)元之初，一位宗教領(lǐng)袖的陵寢就是用磁鐵砌成，把用磁鐵做成的棺木懸在空中．
可也怪了，人們試了幾千年，卻從來沒有成功過．到如今還有人孜孜不倦的試著．時間到了十九世紀(jì)時，科學(xué)有了突飛猛進的發(fā)展．對磁場的描述也從感性進步到理性．一組麥克斯韋方程(Maxwell’s equations)就把電磁場描述得準(zhǔn)確精致．比麥克斯韋方程還早一些的時侯有一位數(shù)學(xué)家叫山姆·恩紹(Samuel Earnshaw)，于1842年寫了一篇論文，用數(shù)學(xué)方法證明靜態(tài)磁懸浮不可能實現(xiàn)．這就是著名的恩紹定理(Earnshaw’s theorem)，后來被寫進大學(xué)物理教程．大一的學(xué)生剛?cè)氲谰蜁䦟W(xué)到恩紹大定理．大二學(xué)到麥克斯韋方程后，對恩紹定理又有了新的理解，用麥?zhǔn)戏匠痰恼Z言來講，磁力線是不發(fā)散的，在空間中沒有極小值，這樣磁場的斥力在空間就無穩(wěn)定點．磁鐵的斥力雖然能把重物托在空中卻不能穩(wěn)定，就好像用鉛筆尖不能把鉛筆穩(wěn)定地站在桌上一樣．
恩紹定理雖然給出了科學(xué)的證明，卻沒能擋住后人的好奇心和繼續(xù)嘗試．一方面是許多人沒學(xué)過物理，根本不知道什么恩紹大定理(比如我)；另一些人雖然知道不行卻不信邪，靜態(tài)磁懸畢竟太引誘人了．但是如果某個物理學(xué)家在實驗室里擺弄磁懸浮，常常會招來同事們一片譏笑，被認(rèn)為在做蠢事．
可時間到了20 世紀(jì)90 年代，美國市場上居然出現(xiàn)了一種叫“萊維托”(Levitron)的玩具，能把一個磁鐵陀螺穩(wěn)穩(wěn)地浮在半空， 時間達幾分鐘之久，直到陀螺因空氣阻力逐漸減慢轉(zhuǎn)速而跌落．一位叫羅德·專諾(Rod Driver)的教授聞訊立即買了一臺，并在說明書的指導(dǎo)下花了兩個多小時掌握了磁懸的技巧．但他也因此產(chǎn)生了強烈的好奇心，他覺得自己在說明書的指點下還要花兩個小時才能學(xué)會，那么是什么靈感的力量引導(dǎo)著發(fā)明家，在黑暗中反復(fù)摸索終獲成功呢？
帶著這種好奇，專諾博士撥通了專利持有者比爾·霍思(Bill Hones)和他的父親愛得華·霍思(Edward Hones，美國拉斯維莫斯國家實驗室的物理學(xué)家)的電話．可是與爺兒倆談了一個多小時，他仍感到一頭霧水．兩位大科學(xué)家怎么也講不清如何獲得靈感并取得第一次成功．放下電話，專諾博士仍堅持不懈地追尋這個問題．很快他竟然發(fā)現(xiàn)了一個令人吃驚的秘密：霍思父子并不是這項技術(shù)的發(fā)明者，他們是在一位名不見經(jīng)傳的民間人士的指點下學(xué)會這一技術(shù)并將其據(jù)為己有．
1993 年，比爾·霍思看到一項美國專利(專利號：4，382，245)，闡述旋轉(zhuǎn)磁體的懸浮技術(shù)．他和他的父親抱著極大的懷疑態(tài)度與專利持有者聯(lián)系．他們很快收到一盤錄像帶，清楚地拍下旋轉(zhuǎn)的磁體在空中漂�。艿蕉鹘B定理的影響，作為物理學(xué)家的霍思父子怎么也不能相信．不久他們帶著懷疑和興趣拜訪了這位科學(xué)的白丁—— 一位住在弗爾蒙特的民間發(fā)明家羅來·哈里根(Roy Harrigan)．哈里根先生花了幾天時間耐心地教這兩位科學(xué)家．最后他們終于學(xué)會如何在磁鐵強烈地斥力下穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)一個陀螺并輕輕地把它托起，使之自由懸浮在空中．
霍思父子激動地提議與這位民間發(fā)明家合作．兒子比爾是一位專營科學(xué)玩具的商人．他說可以把利潤的5%分給哈里根先生，并在每個玩具的包裝上印上哈里根的名字和專利號．哈里根先生平靜地面對著兩位亢奮的科學(xué)家和商人．這位民間發(fā)明家的小屋里堆滿了磁鐵、電池、儀器和各種稀奇古怪的玩藝兒．他認(rèn)為這磁懸技術(shù)比起他幾十年來的其他發(fā)明不過是小菜一碟．同時，作為一個民間發(fā)明家多年來挨過不少專家和其他合作者的欺騙．為此他從一開始就征得客人的同意，用錄像機錄下了他們會面的一切活動．他很愿意和霍思父子合作，卻懷疑為什么他們竟不肯留下1000 美元作信用抵押．最后這位固執(zhí)的民間發(fā)明家雖然拒絕在合同上簽字，但卻在霍思父子的極力游說之下，看著他的磁懸裝置在攝像機前被裝進盒子，由霍思父子帶回去研究．
父親愛得華是拉斯維莫斯(國家原子彈基地)有名的物理學(xué)家．回去之后他用基地的超級計算機仔細(xì)地研究了磁懸的理論，并作了一些小修改，隨即用自己的名字申請了專利．之后，他們與中國大陸的廠商聯(lián)系，利用中國生產(chǎn)的廉價強磁鐵“釹鐵硼”為原料，大批生產(chǎn)這種磁懸陀螺玩具．幾年來，萊維托風(fēng)靡美國，迷倒了無數(shù)對科學(xué)充滿好奇的青少年(圖2)．根據(jù)維基百科，從1994 到1999 年他們就賣了75 萬臺．但是，他們不僅對哈里根先生分文不付，甚至只字不提他的原始貢獻．
謊言重復(fù)多了似乎連自己都信以為真，對著電視臺采訪的攝像鏡頭，父子倆信誓旦旦地說這是他們多年的研究結(jié)果．他們的確研究了多年，但完全是失敗的記錄，若無哈里根先生指點迷津，他們可能還在徒勞無功地摸索中．
專諾博士對自己的發(fā)現(xiàn)十分震驚．他把事實寫成兩篇文章，于1999 年在普懷登斯雜志(The ProvidenceJournal，September22，1999)上公布于眾．霍思父子的一位代理商謝洛克夫婦(Mikeand Karen Sherlock)知道真相后亦十分氣憤，馬上停止銷售萊維托，并在自己的網(wǎng)站上公布了真相．霍思父子回敬了謝洛克夫婦一場官司，告他們誹謗和濫用別人的冠名商標(biāo)萊維托．至今在網(wǎng)上仍能查到美國第十上訴庭2000 年編號為CV-97-1266LH／WWD的案例記錄．待塵埃落定，萊維托依舊在霍思的玩具網(wǎng)站上暢銷．謝洛克夫婦決定幫助發(fā)明家哈里根先生用自己的專利制造出商品與萊維托競爭．但歷盡滄桑的發(fā)明家已不再相信任何人，并發(fā)誓再不與他人合作．
專諾博士進一步的研究竟然又有更驚人的發(fā)現(xiàn)，原來在哈里根先生之前，另一位民間發(fā)明家約瑟夫·謝夫(Joseph Chieffo)在完全不知道哈里根先生的情況下于1984年獨立作出同樣的發(fā)現(xiàn)，用旋轉(zhuǎn)的磁場懸浮重物．謝夫的遭遇更慘．他無力說服制造商收買他的發(fā)明，也無錢申請專利．1988 年他在四處碰壁的情況下在一家科普雜志上登廣告，用5 元的價格出賣磁懸秘密的說明書，但應(yīng)者寥寥，不久就銷聲匿跡．
到此讀者一定感到奇怪，既然恩紹已經(jīng)用數(shù)學(xué)方法嚴(yán)格地證明了靜態(tài)磁懸是不可能的，為什么還會有磁懸陀螺的成功？這豈不違反基本的科學(xué)原理嗎？原因是磁懸陀螺并不違反恩紹定理．磁懸陀螺用的是旋轉(zhuǎn)磁體，玩過陀螺的朋友都知道旋轉(zhuǎn)的陀螺利用一種特殊的力量——“進動”來保持穩(wěn)定．不轉(zhuǎn)的陀螺是不能站立在桌子上的．旋轉(zhuǎn)的陀螺是靠進動來維持平衡，立在桌上.同樣，雖然磁場不能穩(wěn)定地托起靜態(tài)的陀螺，但磁鐵陀螺旋轉(zhuǎn)時，不穩(wěn)定的偏斜使陀螺出現(xiàn)繞軸旋轉(zhuǎn)的進動，并通過進動使陀螺轉(zhuǎn)回穩(wěn)定點，進而飛升漂浮于磁場之上．
但是，陀螺立在磁場上需要的條件遠比立在桌上苛刻．1997年，紐約州羅切斯特大學(xué)的鐘斯(TB Jones)及合作者在美國應(yīng)用物理雜志(J. Appl.Phys.，1997，82(2)：15)上發(fā)表一篇文章，詳細(xì)闡述了磁懸陀螺的穩(wěn)定條件及其轉(zhuǎn)速、重量的關(guān)系．他們的分析進一步證明民間發(fā)明家們確實身手不凡：陀螺在磁體上幾十毫米的空中浮動，但穩(wěn)定區(qū)域只有4 mm左右寬，看不見摸不著．陀螺必須在磁體強烈的斥力下轉(zhuǎn)到一定的轉(zhuǎn)速，并保持在這一狹小區(qū)域中才能穩(wěn)定．不僅如此，陀螺的重量必須精確到1％左右，輕則飛出，重則落地．加之陀螺的穩(wěn)定還隨環(huán)境溫度變化，必須隨時調(diào)整．同時滿足所有這些條件是非常困難的. 只有上帝才知道哈里根和謝夫等人是怎么能在無數(shù)的失敗中找出這么多條件的最佳組合．從這點看，高人在民間．相比之下，學(xué)院里的科學(xué)家們倒像是照葫蘆畫瓢只會照本宣科寫公式的庸人．
寫到這里我必須坦白，作為一個生物學(xué)家，我對物理常識才疏學(xué)淺，“不知有漢”．我也玩過靜止磁懸浮，重復(fù)了過萬人的好奇、無知和失�。衣犝f萊維托這種玩具后也是毫不猶豫，立即買了一臺，但照著說明書卻怎么也玩不好．無奈之下把它帶到實驗室中去讓我那些天才的學(xué)生們?nèi)ネ�，果然不過一個周末，就收到德國學(xué)生邁克的電子郵件，附來他面對懸浮的陀螺欣喜若狂的照片．
在邁克的指導(dǎo)下，不出十分鐘我也學(xué)會了，差不多能百發(fā)百中．我深深地體會到天才的發(fā)明家與跟隨的模仿者的能力竟有百分之九十九不相上下，唯一不同只是那靈機一閃的第一推動．沒有這靈機一閃，百年來多少受過正規(guī)教育的物理學(xué)家受到恩紹定理的影響而無所建樹．著名的計算機科學(xué)家，Methematica 的創(chuàng)始人斯洛德·格瑞(Theodore Gray)在一本科普雜志中寫到“為什么那么多科學(xué)家在這么長的時間內(nèi)(對靜態(tài)磁懸)這個問題毫無建樹呢？這正表明負(fù)面思維(negative thinking)是威力強大的”．如果你在書中學(xué)到某些事是不可能的，你多半會不再多想．只有那些不信邪的人，先認(rèn)為這可以實現(xiàn)，然后再找理論漏洞，突破就是這樣產(chǎn)生的．
我作為一個科學(xué)界中的過來人，在此要提醒那些躍躍欲試、準(zhǔn)備突破科學(xué)重大難題的年輕人和民間科學(xué)家，違反常理的研究代價極大而且大多都要失敗的．科學(xué)研究的重大發(fā)現(xiàn)的過程與生命進化產(chǎn)生成功者的過程類似，有極大的隨機性．生命進化是靠隨機突變和自然選擇結(jié)合．突變的生物絕大多數(shù)是要死去的，但在億萬次失敗的突變事件中，會有個把成功者脫穎而出．正是這些成功者，使生物進化出了眼睛、翅膀和大腦，統(tǒng)治了世界．所以，你要想做出個重大發(fā)現(xiàn)，就要準(zhǔn)備好一輩子一事無成，當(dāng)個失敗的墊底數(shù)字．但是，科研與隨機進化還是有不同，有捷徑的．這捷徑就是遍讀關(guān)于一個問題的所有文獻，用前人的知識和教訓(xùn)武裝自己，站在巨人的肩膀上．在互連網(wǎng)發(fā)達的今天，利用谷歌和維基百科的研究已經(jīng)成了最快捷有效的文獻查詢手段．民間科學(xué)家雖然負(fù)面思維少，敢于創(chuàng)新，但一般都輸不起．所以利用互聯(lián)網(wǎng)這種低成本的前期研究是極為重要的．同時，為了避免哈里根和謝夫那樣的悲摧故事，自己的發(fā)明也應(yīng)該利用互聯(lián)網(wǎng)盡早告知天下.
超導(dǎo)磁懸和反磁磁懸是靜態(tài)磁懸浮的兩個特例，都不違反恩紹定理．超導(dǎo)磁懸就是所謂邁斯納效應(yīng)(Meissnereffect)，指磁力線不能穿過超導(dǎo)體．用通俗的話講，就是因為超導(dǎo)體內(nèi)沒有電阻，因此沒有電壓．所以根據(jù)法拉第定律就不容許有變化的磁場．這樣當(dāng)磁鐵接近超導(dǎo)體時，磁力線就像碰到一面鏡子．由超導(dǎo)表面無限大的感生電流產(chǎn)生與磁鐵磁場完全相同但方向相反的磁場，把磁鐵托在空中。
反磁磁懸是利用物質(zhì)對磁場的排斥力實現(xiàn)磁懸．可是大多數(shù)物質(zhì)的反磁性都太弱了，不足以抵抗重力．只有在磁場非常強的時候才能實現(xiàn)．安德·根姆(Andre·Geim)，是個俄裔，英德血統(tǒng)(有點亂)的科學(xué)家．他在那明根大學(xué)做博士后的時候用學(xué)校的16T強磁鐵浮起了一只青蛙(圖5)(文見Eur. J. Phys，．1997，18：307)．然而無論他如何強辨這項工作的意義，還是難逃于2000 年獲得搞笑諾貝爾獎(Ig Nobel Prize)．
可是根姆這老兄也不是吃素的，幾年后他到了曼徹斯特大學(xué)當(dāng)教授，并于2004年發(fā)表了石墨烯的文章，于2010年得了真的諾貝爾獎．也算科學(xué)界的一段佳話.
科學(xué)界里也有像哈里根和謝夫先生那樣真正的高人．九十年代中，愛爾蘭的幾位科學(xué)家想出了一種巧妙的方法，用普通磁體承擔(dān)重力而只用物質(zhì)的反磁性來維持穩(wěn)定．這樣可以不用超級強磁鐵就足夠維持幾克磁鐵的穩(wěn)定懸�。热�，用人手指的反磁性就足以使一塊小磁鐵懸浮在空中．這種“手指磁懸”非常巧妙且具有轟動的新聞效果．讓他們在科技界的頂級雜志自然(Nature，1999，400：324)上發(fā)表了這篇文章．
靜態(tài)磁懸浮這種千年老問題在幾年前還會有這些驚人的故事，說明創(chuàng)新是一種藝術(shù)，是沒有止境的．說不定下一個大轟動就是您的巧妙發(fā)明呢．
責(zé)編：科普知識網(wǎng)