安德烈·海姆(Andre Geim)教授廣為人知的成就莫過于與康斯坦丁·諾沃肖洛夫首次成功制備單層石墨烯并表征了它的物理性質。二人因此分享了2010年諾貝爾物理學獎。
其實,海姆教授在手撕石墨的腦洞之前,早在1997年已報道了用磁懸浮讓一只活青蛙練就“輕功”。當時這項成果讓同行大吃一驚。據海姆教授團隊回憶,當他們將實驗結果告知周圍同事時,90%的人表示完全不信。該開創(chuàng)性工作于2000年獲得搞笑諾貝爾物理學獎。
搞笑諾貝爾獎(Ig?Noble?Prizes)由《科學幽默雜志》(Annals?of Improbable Research)舉辦,自1991年起每年在生物、物理、化學、醫(yī)學、文學等領域評出“乍看令人捧腹,隨后發(fā)人深省”的研究(research that makes people laugh and then think),是對瑞典皇家科學院頒發(fā)的“正經”諾貝爾獎的有趣模仿。
青蛙何以懸???
常識告訴我們,青蛙沒有磁性,不能與磁場發(fā)生作用。物理學中將這類不具或僅呈現微弱磁性的物質歸為抗磁質。抗磁質中分子或原子外的電子對在外加磁場中會產生抵觸磁場的斥力。該斥力方向與磁場方向相反,如同兩塊磁鐵同極相斥。所有物質,包括人體,都能不同程度地抵抗外加磁場。
但為什么我們拿著磁鐵卻感受不到磁鐵對我們的排斥呢?因為磁場強度不夠大。理論計算表明,一塊10厘米長的磁鐵要想懸浮起抗磁質,其產生的磁場強度至少要達到約10特斯拉(T,磁場強度單位)。而日常生活中使用的磁鐵表面的磁場強度只有~0.5 T。即便是磁性超強的釹磁鐵的磁場強度也就1 T左右。因此,日常生活中我們無法感受到明顯的斥力。
海姆教授的“武器”
海姆教授當時任職的荷蘭奈梅亨大學(University of Nijmegen)的強磁場實驗室配有能產生磁場強度高達~500 T的超強電磁鐵。抗磁質在如此強的磁場中產生的斥力大到足以平衡物體自身重力,因而懸浮起來。1997年,海姆教授團隊發(fā)表了用16 T的電磁場托舉活青蛙的論文(參考資料[3])。
不僅青蛙,水滴、螞蚱、草莓、番茄、堅果等抗磁質,只要置于強磁場中合適的位置,使斥力和重力相平衡,統統都能在空氣中浮起來。浮起的活物還能在空中“游泳”、翻滾,并在實驗后正常存活。
[水滴懸浮]
[螞蚱懸浮]
[草莓懸浮]
[番茄懸浮]
(以上視頻和圖片均來自參考資料[2])
需要指出的是,磁懸浮列車使用的材料是電導體或超導體,與海姆教授研究用的抗磁質不是一類物質。但二者涉及的磁力與重力互相抵消的原理是一致的。
這項研究有什么用?
海姆教授的磁懸浮工作使得在地面、常溫下開展微重力研究成為可能。例如,利用這項技術,科學家們無需飛到外太空便能觀察晶體在無重力環(huán)境下的生長過程。
此外,海姆教授團隊使用青蛙、草莓等在大眾眼中不怎么“科學”的物品傳遞了科學研究并非木訥、枯燥、乏味的觀點。繼搞笑諾貝爾獎后,2010年海姆教授又以手撕石墨制備出單層石墨烯斬獲“正經”諾貝爾獎。他不愧是一位把“拿諾獎”當“做游戲”的大師。
后記——海姆教授是首位諾貝爾獎和搞笑諾貝爾獎的雙料得主嗎?
答:不準確。
參考資料:
[1]?Geim?Becomes First Nobel & Ig?Nobel Winner, Improbable Research Website,?https://www.improbable.com/2010/10/05/geim-becomes-first-nobel-ig-nobel-winner/
[2]?Diamagnetic Levitation, High Field Magnet Laboratory website,?https://www.ru.nl/hfml/research/levitation/diamagnetic-levitation/
[3]?M. V. Berry and A. K.?Geim,?Of Flying Frogs and?Levitrons,?Eur. J. Phys.?1997, 18, 307-313.