量子磁悬浮是个什么鬼？

2017-09-21 编辑部 岭南天问阁

先看一篇介绍文章：

原载极客汽车公号：有个叫做“量子锁定”的技术，它能让汽车“飞”起来

最近一次去咖啡厅无意中看到有人在放一部老电影《第五元素》，又一次看到了满屏飞车的场面。点上一支烟，看着窗外的小雨，任由思维又一次开始策马奔腾。在我的设想中未来的交通一定是三维立体的，车总有一天一定会以某种形态飞起来。只不过那种黑科技目前似乎还停留在实验室里，或者还没有被人发现。

思绪流转中瞥见咖啡厅书架上的《费曼物理学讲义——量子力学》，我与他对视了几秒，脑子里突然一个词蹦了出来“量子锁定”。对，就是“量子锁定”——超导体的磁悬浮技术。

关于“量子锁定”，先看个视频，我再解释。

https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?vid=z0134x0rf65&width=500&height=375&auto=0

先科普一下，什么是超导体。其实很简单，就是导体在温度接近绝对零度（-273.15℃）的时候突然变成没有电阻的导体同时会产生抗磁性。随着科技的发展，目前发现的材料在-140℃附近就能产生超导现象，而液氮的沸点是-196℃，足以让材料发生超导现象。刚才在视频中看到的圆盘就是泡在液氮中的超导体。

再说说量子锁定是怎么回事，这个和超导体的特性有关系，在一定磁场强度下磁感线无法穿过超导体，而是牢牢的框住超导体，换句话说就是可以浮起来了，目前的超导磁悬浮就是利用这个原理做的。而量子锁定需要将磁场进一步提升，超过临界值后，会有少数磁感线穿过导体，通过这些磁感线可以锁定住超导体的位置，就像视频中的圆盘一样始终保持一定的姿态悬浮在磁铁上。

果壳网对量子悬浮的介绍：

【科技前瞻】量子悬浮！奇迹or骗局？

什么是超导悬浮

超导体有着各种奇特的性质，最著名的就是其抗磁性，也称作迈斯纳效应。

1933年，德国物理学家迈斯纳（Walther Meissner）发现了超导体的完全抗磁性，即当超导体处于超导状态时，在外磁场H小于临界磁场Hc时，产生迈斯纳效应，体内磁感应强度突变为0。

抗磁性的简单解释：当把超导体放进磁场中时，由于电感应作用，在超导体表面形成感应电流I（永久电流），在超导体内部，感应电流I激发的磁场和外磁场等值反向，相互抵消。下图显示出放进磁场中的超导体球体的磁感应分布情况。

超导体的抗磁性使得在外界磁场不太强的情况下产生斥力。如果将一个处于超导状态的物体放在一块永久磁铁上，斥力与重力平衡，就实现了超导悬浮。

有了对超导悬浮的基本认识之后，再来解答对视频里的“量子悬浮”的种种疑问。

Q1、那个冒着白气的盘子是什么？

A1、主要由3部分组成

a）500 µm蓝宝石单晶基底圆盘（single crystal sapphire wafer），纯属打酱油的支撑材料。

b）一层0.5 µm的高温超导材料：yttrium barium copper oxide（YBa2Cu3O7-x）。它的相变温度在 -185.15℃左右，各种悬浮现象都由此材料提供。

c）最后镀上一层金，起保护作用。

Q2、我问的是冒白气的是神马？

A2、盘子上厚厚一层白色的物质应该是固氮，起冷却作用，使该超导材料处于超导状态。（氮气的沸点-195.75℃，凝固点-209.95℃，低于该超导体的相变温度。）

Q3、量子漂浮在哪里？

A3、我们已经知道因为超导体有“迈斯纳效应”，即超导体的抗磁性，可以在磁场中悬浮[2]。而在这个视频中，不同于一般超导悬浮的是，此处采用的高温超导材料属于二型超导体。对于二型超导体，存在两个临界场——下临界场Hc1和上临界场Hc2。当外磁场H小于Hc1时，产生完全的抗磁性，体内磁场为0；当外磁场H介于Hc1和Hc2之间时，会有部分磁场穿透超导体，产生穿透的位置是量子化的，如下图所示，产生了分离的磁通管（flux tubes）[3]。超导体就是被这些磁通管锁定(pin)住的，这种现象被称作“quantum levitation”，也就是中文直译过来的量子漂浮。

Q4、看，为什么可以倒着放？这不是“反重力”吗？

A4、正如前面说的，整个超导体相当于被磁通管所固定住（试想一块被万箭穿心的烧饼），所以能够平衡各个方向不大的外力。

另外，当外力较小（拿着磁铁到处走的时候）是时，超导盘与磁铁的相对位置不会改变，而当外力较大（如视频中实验者用手调整圆盘角度）时，圆盘可以稳定在了一个新的角度。这是因为当外力较大时，圆盘越过了之前的势垒，与磁铁相对位置发生改变，在新的位置上重新形成磁通管，所以可以稳定在磁场强度足够的范围内的几乎任何方向。

Q5、视频中他们直接用手碰固氮！零下一百多度，不冻死了？

A5、君不见还有喝液氮的同学，至于原理嘛，很简单。在固氮和皮肤短暂接触的时候并没有直接接触到固氮，由于气化较快，在皮肤和固氮间形成薄薄的一层气体，而气体传热较慢，所以在短时间的接触下并不会造成伤害。（严重警告：喝液氮什么的还是太危险，别人做不会受伤，不代表你也行，别轻易模仿哈。）

实验危险，请勿模仿。

好了，基本原理介绍完毕。量子悬浮，科学奇迹？算不上，大骗局？也不算，只是国内媒体的噱头罢了。对大众而言，倒是个非常好的展示科学神奇的现象，很适合于在科技馆展出。