自古以来，悬浮在地面上的想法一直是科幻小说和人类想象力的主题。虽然我们还没有悬浮滑板，但我们确实有非常真实的量子悬浮现象。在适当的情况下，一种特制的材料被冷却到低温，并放在一个适当配置的磁体上，它将无限期地悬浮在那里。如果你做一个磁轨，它会悬浮在磁轨的上方或下方，永远保持运动状态。
但永动机在物理学上不是应该是不可能的吗？确实，你不能违反能量守恒定律，但是你可以使任何物理系统中的阻力尽可能的小。在超导的情况下，一组特殊的量子效应确实能使电阻下降到零，从而实现各种奇怪的现象，包括你在下面看到的：量子悬浮。今天我们将介绍它的物理学原理。
如上所示，这个画面距今已有11年，但即使观看了两次、三次甚至100次，仍然让许多人感到震惊。许多事情，即使你不仔细看，也已经很明显了：
悬浮的特殊材料非常冷；
它可以悬浮在磁铁的上方或下方：它被固定在某个位置；
如果你把它放在磁轨上，它不会随着时间的推移而失去任何速度。
这真的是违反直觉的东西，不是传统经典物理学的工作方式。你习惯的永磁体——铁磁体——永远不可能像这样悬浮。让我们看看它们是如何工作的，然后看看这种量子悬浮现象有什么不同。
磁场线，如围绕条形磁铁排列的铁屑所示：磁偶极子。这些永磁体或铁磁体即使在任何外部磁场消失后仍保持磁化状态。
(片来源：Newton Henry Black & Harvey N. Dis, Practical Physics, 1913)
我们所知道的每一种材料都是由原子组成的，原子本身可能会也可能不会结合成分子。原子和分子成为材料内部结构的一部分。当你对该材料施加外部磁场时，这些原子或分子也会被内部磁化，并与外部磁场的方向一致。
铁磁体的特殊性质是，当你去除外部磁场时，内部磁化强度保持不变。这就是它成为永磁体的原因。但几乎所有材料都不是铁磁性的。大多数材料一旦去除外部磁场，就会回到非磁化状态。
在没有磁场的情况下，抗磁性和顺磁性材料平均保持非磁化，而铁磁体具有净磁化。在存在外部磁场的情况下，抗磁性将与磁场方向相反，顺磁体和铁磁体将与磁场方向一致。所有的物质都表现出一定的抗磁性，但是那些顺磁性或铁磁性的材料很容易淹没抗磁性的物质。
(片来源：V. Iacovacci et al., Magnetic Field-Based Technologies for Lab-on-a-Chip Applications in Lab-on-a-Chip Fabrication and Application, eds. M. Stoytcheva & R. Zlatev, 2016)
那么，当你施加外部磁场时，这些非铁磁性材料内部会发生什么？总的来说，这些材料是：
抗磁性的，它们磁化成与外部磁场反平行；
或顺磁性的，它们平行于外部磁场磁化。
事实证明，所有的材料都表现出抗磁性，但有些材料要么是顺磁性，要么是铁磁性。抗磁性总是很弱，所以如果你的材料是顺磁性或铁磁性的，这种效果很容易压倒抗磁性的效果。
因此，当你打开或关闭外部磁场时——这在物理上与移动材料靠近或远离永磁体是一回事——你会改变材料内部的磁化强度。当你改变导电材料内部的磁场时会发生什么？有一个物理学定律：法拉第电磁感应定律。
当你将磁体移入(或移出)线圈时，它会导致导体周围的磁场发生变化，从而对带电粒子产生作用力，并诱导它们运动，从而产生电流。如果磁体是静止的，线圈是运动的，那么现象就非常不同，但是产生的电流是相同的。通过改变导体内部的磁场，可以感应出电流。
(片来源：OpenStaxCollege, CCA-by-4.0)
这条定律告诉你，改变导电材料内部的电场会使其产生内部电流。你产生的这些小电流被称为涡流，它们对抗磁场的内部变化。在正常温度下，这些电流是非常短暂的，因为它们遇到阻力并衰减掉。
但是如果你消除了阻力呢？如果你把它一直开到零呢？无论你信不信，你都可以把几乎任何材料的电阻降低到零；你所要做的就是把它降低到足够低的温度，直到它变成超导体！
在受到变化的外部磁场作用的材料内部，会产生被称为涡流的小电流。通常来说，这些涡流会迅速消失。但是如果材料是超导的，就没有电阻，它们不仅能够，而且需要无限期地持续下去。
这些悬浮材料实际上是由特殊材料制成的——在非常低的温度下具有超导性，或者它们的电阻降至零。原则上，任何导电材料都可以在足够低的温度下实现超导，但这些特殊超导体的有趣之处在于它们可以在77 K (-196.15 ℃)的温度下实现超导：液氮的温度！这些相对较高的临界温度使得制造低成本超导体变得容易。
每种材料都有一个临界温度(下面标为Tc)，当你将该材料冷却到临界温度以下时，它不再对电流有任何电阻。但是，当你把一种材料的温度降低到临界温度以下，使其超导时，会发生什么呢？它从内部排出了所有的磁场！这就是众所周知的迈斯纳效应，它将超导材料变成了完美的抗磁性材料。
在高于超导体临界温度的温度下，磁通量可以自由通过导体的原子。但在临界超导温度以下，所有通量都会被排出。这就是迈斯纳效应的本质。
(片来源：Piotr Jaworski, in Classic and Advanced Ceramics, 2010)
像铝、铅或汞这样的材料，当你将它们冷却到临界温度以下，消除所有内部磁场时，它们的行为就像超导体一样。但是，如果你将多种类型的原子混合在一起产生各种化合物，大多数超导材料将在更高、更容易达到的温度下超导，而这些化合物在材料中的不同位置可以具有不同的属性。这让我们比简单地制造超导体更进了一步。
让我们想象一下，我们有一个里面有杂质的抗磁性物质，而不是一个均匀的、完美的抗磁性物质。
如果你将材料冷却到临界温度以下并改变其内部的磁场，这些内部磁场仍然会被排出，但是有一个例外。任何有杂质的地方，磁场都会保留。因为它不能进入被排出的区域，那些场线被固定在不纯区域内。
暴露在强磁场中的II型超导体的俯视和侧视。请注意，侧视展示了杂质产生的位置和磁通量被固定的位置，而俯视显示了产生的涡流，由于超导性，涡流不会衰减。
(片来源：Philip Hofmann, Aarhus University)
杂质是产生这种磁量子悬浮现象的关键。磁场从超导的纯区域中被排出。但是磁场线穿透了杂质，改变了内部的磁场，产生了涡流。
这就是关键所在：这些涡流是移动的电荷，不会遇到任何阻力，因为材料是超导的！
因此，只要材料保持超导，并且温度低于临界温度，电流就不会衰减，而是无限期持续。
这是一张用扫描SQUID显微镜拍摄的像，一层非常薄(200纳米)的钇钡铜氧化物薄膜受到液氦温度(4 K)和强磁场的影响。黑点是由杂质周围的涡流产生的涡流，而蓝色/白色区域是所有磁通量被排出的地方。
(片来源：F. S. Wells et al., Nature Scientific Reports, 2015)
总的来说，我们在两个不同的区域发生了两件不同的事情：
在纯超导区域，磁场被排出，给你一个完美的抗磁体。
在不纯区域，磁场线被集中并固定，穿过它们，引起持续的涡流。
正是这些不纯区域产生的电流将超导体固定到位，产生了悬浮效应！足够强的外部磁场可以破坏这种效应，但是超导体有两种类型。在I型超导体中，增加磁场强度会破坏所有地方的超导性。但是在II型超导体中，超导性只会在不纯的区域被破坏。因为仍然有区域的磁场被排出，II型超导体可能会经历这种悬浮现象。
通过创建一个外部和内部磁轨指向相反方向的轨道，II型超导体将悬浮，固定在轨道上方或下方，并沿轨道移动。原则上，如果实现室温超导体，按比例放大，就可以实现在大范围内无阻力运动。
(片来源：Henry Mühlpfordt/TU Dresden/Wikimedia Commons)
只要你有外部磁场——这通常是由一系列放置良好的永磁体提供的，你的超导体就会继续悬浮。实际上，只有当材料的温度上升到临界温度以上时，才能结束磁量子悬浮效应。
这给了我们追求这样一个圣杯的信心：如果我们可以创造一种在室温下超导的材料，那么它将无限期地保持这种悬浮状态。
当冷却到足够低的温度时，某些材料会表现出超导性质：它们内部的电阻会降到零。当暴露在强磁场中时，一些超导体会表现出悬浮效应。
(片来源：Peter nussbaumer/Wikimedia Commons)
如果我们为它设计并建造一条磁轨，制造这种杂质含量高的超导体，把它呆到室温，并让它开始运动，它将不受约束地保持运动。如果在真空室中这样做，消除所有的空气阻力，我们将创造出一台永动机：一种可以永远持续运动的装置，在继续运动时不会损失任何能量。
这一切意味着什么？这种悬浮是真实存在的，并且已经在地球上实现了。如果没有实现超导的量子效应，我们永远也不可能做到这一点，但是有了量子效应，这仅仅是设计正确的实验装置的问题。
它也给了我们一个巨大的未来科幻梦。想象一下，由这些正确配置的磁轨组成的道路。假设吊舱、交通工具甚至鞋子里都有合适的室温超导体。想象一下，以相同的速度滑行，不需要消耗一滴燃料，直到减速。
如果我们能够开发出室温、常压、II型超导体，所有这些都有可能成为现实。如果你从零度算起，我们已经朝着大气压下的室温超导体前进了一大半。科学有潜力在不久的将来将低温物理学的“圣杯”变成现实。
原文为BIG THINK文章《How quantum levitation works》，链接如下：
https://bigthink.com/starts-with-a-bang/quantum-levitation/
关于磁悬浮列车原理 磁悬浮原理图的介绍到此就结束了。
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