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萬(wàn)磁王會(huì)飛這個(gè)事兒,其實(shí)還挺科學(xué)的 | 科學(xué)人 | 果殼網(wǎng) 科技有意思

X戰(zhàn)警新三部曲最終章《X戰(zhàn)警:天啟》上映在即,具有歐米伽級(jí)實(shí)力的鷹派大神萬(wàn)磁王1這次站在了號(hào)稱“5000年最強(qiáng)”的最初變種人“天啟”一邊,又一次試圖讓變種人統(tǒng)治世界。

萬(wàn)磁王是漫威漫畫(huà)中的超級(jí)反派,也是X戰(zhàn)警的頭號(hào)死敵。作為X教授的好友,兩人因?yàn)樵谧兎N人與人類如何相處的問(wèn)題上政見(jiàn)不和走上了截然不同的道路。在漫威漫畫(huà)無(wú)數(shù)個(gè)平行世界里,萬(wàn)磁王的命運(yùn)不盡相同,但他強(qiáng)大到近乎變態(tài)的能力卻被粉絲們津津樂(lè)道。

在漫畫(huà)和電影的設(shè)定中,萬(wàn)磁王的能力是控制磁場(chǎng)——作為一名能控制宇宙四大基本力之一電磁力的人,萬(wàn)磁王當(dāng)然不會(huì)弱。他可以移動(dòng)山脈和足球場(chǎng)、改變河流的方向、控制集成電路甚至對(duì)人實(shí)現(xiàn)精神控制;他制造的電磁脈沖曾讓全球陷入停電,實(shí)在是“地球一小時(shí)”活動(dòng)的最佳代言人。

再見(jiàn)!圖片來(lái)源:Marvel

不過(guò),或許我們都能理解萬(wàn)磁王可以用超能力移動(dòng)鐵塊。但在漫畫(huà)和電影里,萬(wàn)磁王還能讓自己在天空中自由飛翔(嚴(yán)格意義上來(lái)講是“懸浮”)。這僅僅是因?yàn)樗┝髓F盔甲嗎?并不完全是,而且這里面的道理其實(shí)還挺科學(xué)的。

萬(wàn)磁王是怎么懸浮起來(lái)的?

其實(shí)在漫畫(huà)里,萬(wàn)磁王不只可以移動(dòng)磁性金屬,他還曾經(jīng)用自己的能力移動(dòng)過(guò)巨石,這又是怎么回事呢。實(shí)際上,讓物體懸浮并不需要復(fù)雜和高深的物理理論:萬(wàn)有引力、靜電力和磁力分別是質(zhì)量、電荷和磁體的基本屬性,它們的存在不需要能量維持。所以,要利用這些基本作用力能實(shí)現(xiàn)物體懸浮,是不需要外界提供能量的2。

在漫畫(huà)里,萬(wàn)磁王可以把整個(gè)小島都舉起來(lái)。圖片來(lái)源:Marvel

在討論這個(gè)問(wèn)題之前,我們需要簡(jiǎn)單介紹一下物質(zhì)的磁場(chǎng)特性:自然界中的物質(zhì)根據(jù)對(duì)外部磁場(chǎng)的反應(yīng)大致可分為:鐵磁物質(zhì)、順磁物質(zhì)和抗磁物質(zhì)。物質(zhì)的每一個(gè)質(zhì)子、電子和中子中都具有微小的磁場(chǎng),電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng),也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。一般原子中電子的微型磁場(chǎng)有自行配對(duì)的習(xí)慣,當(dāng)配對(duì)完成后,原子的合磁場(chǎng)為零,類似于磁鐵異性相吸的原理。

在日常生活中,紙和塑料及金、銀等絕大部分金屬的磁矩都是配對(duì)的,顯示出不具有磁性的特點(diǎn)。而類似鐵和鈷的金屬,它們的結(jié)構(gòu)使得電子磁性不配對(duì),于是展現(xiàn)出了極性??上г谧匀粻顟B(tài)下,鐵塊內(nèi)部的原子會(huì)分為南北極兩個(gè)陣營(yíng),相互拉鋸又抵消了各自的磁場(chǎng),使它們無(wú)法散發(fā)迷人的磁性。但在外部強(qiáng)烈磁場(chǎng)的影響下,原子磁場(chǎng)就會(huì)指向同一個(gè)方向,形成強(qiáng)大的合磁場(chǎng)。該效應(yīng)在外部磁場(chǎng)消失后是可以保持的,表現(xiàn)出這種特性的物質(zhì)被稱為鐵磁物質(zhì)。所以,鐵磁物質(zhì)磁化后會(huì)很容易被萬(wàn)磁王產(chǎn)生的磁場(chǎng)吸引。

那么,萬(wàn)磁王能飛,也是因?yàn)樗梢钥刂谱约貉豪锏蔫F嗎?答案當(dāng)然沒(méi)有那么簡(jiǎn)單,特別是人體中的鐵主要存在于血紅蛋白中,在任何時(shí)刻,血液中只有很小一部分會(huì)被外部磁場(chǎng)吸引3,萬(wàn)磁王要想通過(guò)鐵元素來(lái)控制人體懸浮,恐怕又要上演一出腦力衰竭的戲碼了。

另外,大部分物質(zhì)相鄰原子間都有非常微弱的相互作用,如果置于外部強(qiáng)磁場(chǎng)中,它們會(huì)沿著磁場(chǎng)的方向排列,磁場(chǎng)消失后,它們又四散而逃,如同課間操結(jié)束的同學(xué)們一般,這樣的物質(zhì)被稱為順磁物質(zhì)。順磁物質(zhì)同樣總是被磁場(chǎng)吸引,但對(duì)于萬(wàn)磁王來(lái)說(shuō),這跟飛起來(lái)好像也沒(méi)什么直接關(guān)系。

順磁物質(zhì)在有磁性和無(wú)磁性時(shí)的狀態(tài)。圖片來(lái)源:Wikipedia

所以,要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),還是得獲得抗磁物質(zhì)的幫助。與鐵磁物質(zhì)和順磁物質(zhì)不同,抗磁物質(zhì)的感應(yīng)磁場(chǎng)總是與外部磁場(chǎng)相反,原子磁性排列總是試圖抵消外部磁場(chǎng)的影響??勾判员举|(zhì)上一種量子物理效應(yīng),任何物質(zhì)在磁場(chǎng)的作用下,都會(huì)產(chǎn)生抗磁效應(yīng)。但由于抗磁效應(yīng)很微弱,當(dāng)物質(zhì)存在順磁或鐵磁效應(yīng)時(shí),抗磁效應(yīng)就被掩蓋了。

抗磁體,也就是顯示出抗磁效應(yīng)的材料,通常人認(rèn)為的非磁性材料,如水、木材和有機(jī)化合物(石油、塑料)及包含很多核電子的重金屬汞、黃金和鉍等都是抗磁體。伯格曼就是通過(guò)發(fā)現(xiàn)鉍和銻對(duì)磁場(chǎng)有微弱的排斥現(xiàn)象,成為了發(fā)現(xiàn)抗磁性的第一人4。

組成人體的水、蛋白質(zhì)和有機(jī)物等主要成分均為抗磁體,利用它們對(duì)外部磁場(chǎng)的排斥力,理論上就可以把人體懸浮在空中,正如兩個(gè)磁鐵的S極相互排斥。然而,由于抗磁體的磁化率極低(如水的磁化率χv = ?9.05×10?6,負(fù)號(hào)代表抗磁性),想要獲得能夠抵消重力所需的磁場(chǎng)恐怕只有中子星才有。無(wú)奈中子星上的引力也會(huì)相應(yīng)增大,想在中子星上自由飛翔的愿望恐怕難以實(shí)現(xiàn)。

可是,萬(wàn)磁王并不在乎這些,他可以隨心所欲地控制磁場(chǎng),把自己抬起實(shí)在是分分鐘的小事。根據(jù)官方資料,他可以發(fā)出大于地球磁場(chǎng)20萬(wàn)倍的磁場(chǎng),被磁化人體中的反磁性原子即會(huì)被誘導(dǎo)成同一個(gè)方向,對(duì)磁場(chǎng)產(chǎn)生斥力。最終,磁場(chǎng)相互排斥產(chǎn)生的上升力大于人體受到的重力,兩者合成力仍是上升力,凡人就會(huì)被輕松舉起。如上所說(shuō),要做到這一點(diǎn)需要非常強(qiáng)的磁場(chǎng),而且如果人越重,需要的磁場(chǎng)就越強(qiáng)。所以,萬(wàn)磁王耍帥也是需要成本的,比起控制鐵磁材料來(lái)說(shuō),磁化一件抗磁性物體要難得多——也許這就是他總穿著鐵制盔甲的原因。畢竟相對(duì)于其他更實(shí)用的殺傷性技能,懸浮這種浮夸技能還是少浪費(fèi)點(diǎn)MP比較好。所以,各位想要和萬(wàn)磁王愉快的做朋友,還請(qǐng)從喝水健身做起。

物體懸?。坎⒉恢辉陔娪袄镉?。

實(shí)際上,物體懸浮不只存在于電影中。強(qiáng)抗磁體熱解石墨薄片就可以穩(wěn)定地懸浮在永磁體之上。根據(jù)理論推導(dǎo)3,磁介質(zhì)在磁場(chǎng)中的受力與磁感應(yīng)強(qiáng)度B 的平方成正比,平衡重力所需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度并沒(méi)有達(dá)到無(wú)解的級(jí)別(這對(duì)萬(wàn)磁王來(lái)說(shuō),真是個(gè)好消息)。

因抗磁性產(chǎn)生磁浮的熱解碳。圖片來(lái)源:Wikipedia

2000年搞笑諾貝爾獎(jiǎng)的獲得者蓋姆(Andre Geim)就曾經(jīng)用中等強(qiáng)磁場(chǎng)(16T)將一只青蛙成功地懸浮了起來(lái),其中就是利用了青蛙的抗磁性原理5。2009年9月,美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(NASA's Jet Propulsion Laboratory)采用超導(dǎo)磁體成功地將一只小白鼠懸浮在空中6,這是抗磁體懸浮技術(shù)的一大進(jìn)步,因?yàn)樾∈蟮纳锝M成更接近人類7。此后,實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃對(duì)骨骼和肌肉組織進(jìn)行試驗(yàn),驗(yàn)證人體懸浮的可能性。

蓋姆的懸浮青蛙實(shí)驗(yàn)。圖片來(lái)源:thetimes

雖然抗磁懸浮從原理上是不需要能量的,但在現(xiàn)實(shí)中維持強(qiáng)大的磁場(chǎng)也需要電能或其他能量。如果在自然界中能找到產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)的鐵磁物質(zhì),就可以實(shí)現(xiàn)科幻小說(shuō)中無(wú)能量輸入的反重力機(jī)器,在地球上創(chuàng)造微重力環(huán)境,進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)或魔術(shù)表演。

綜上所述,萬(wàn)磁王能夠讓自己和他人懸浮和飛行的原理是他能夠產(chǎn)生非常強(qiáng)大的磁場(chǎng),足以從本質(zhì)上極化抗磁體內(nèi)部原子的磁場(chǎng)。他通過(guò)控制磁力,將我們和其他物質(zhì)都變成了磁性物質(zhì),并通過(guò)磁場(chǎng)間的斥力抬升了物體。無(wú)論是鐵磁體、順磁體還是抗磁體,自然界的物質(zhì)都逃脫不了萬(wàn)磁王的手心。萬(wàn)磁王乃是名副其實(shí)的萬(wàn)物磁性之王,是的,這還挺科學(xué)的。(編輯:Mo)

參考文獻(xiàn):

X-Men Wiki - Wolverine, Marvel Comics, Origins

《青蛙懸浮——一個(gè)令人驚奇和充滿遐思卻只需經(jīng)典物理知識(shí)的實(shí)驗(yàn)》楊曉峰,許麗萍,魏天杰,《大學(xué)物理》2011年10月

《超級(jí)英雄物理學(xué)》詹姆斯·卡卡里奧斯著,江苑微譯,山西人民出版社

Wikipedia 'Diamagnetism'

Geim A. Everyone's megnetism [J] . Physcis Today,1998, 9: 36~39.

Liu, Yuanming; Zhu, Da-Ming; Strayer, Donald M.; Israelsson, Ulf E. (2010).

'Magnetic levitation of large water droplets and mice'. Advances in Space Research 45 (1): 208–213.Bibcode:2010AdSpR..45..208L. doi:10.1016/j.asr.2009.08.033.

Jump up^ Choi, Charles Q. (2009-09-09).

'Mice levitated in lab'. Live Science. Retrieved September 2011.

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