現在,人們運用空氣動力理論,依靠壓強差成功製造了飛機,運用衝量原理,製造出了火箭。在19世紀,電磁力逐漸被人們發現、關注後,這一種能夠在遠處給對方施加作用力的存在在當時承載了人們飛天的夢想 。
怎麼用電磁力飛起來?如果僅僅用兩塊磁鐵能不能做到呢?也許,兩塊磁鐵,一個放在另外一個上面,因為磁鐵同磁性相互排斥的原理,上方的磁鐵就飛起來了。
19世紀上半葉,許多科學家和工程師進行了嘗試,但是在當時都失敗了。終於,在1842年,英國數學學家恩肖(S. Earnshaw,1805-1888)從嚴格的數學邏輯上證明了它的不可行性。(ps:當時的科學家們尋求的是一種穩定,可控的懸浮。對於磁鐵來說,不穩定的懸浮絲毫沒有可控性。)
1842年恩肖定理:僅通過電荷的靜電相互作用無法將點電荷的靜止集合保持在穩定的固定平衡狀態。
恩肖定理雖然針對的是經典的平方反比定律 力(電和引力)進行的推導,但是也適用於永久磁鐵的磁力(如果磁鐵較硬)(磁鐵的強度不會隨外部磁場而變化)。恩肖定理可以得出許多常見情況下均無法實現穩定磁懸浮。
在恩肖定理提出後,人們放棄了對在兩塊磁鐵間實現磁懸浮的研究。在當時,許多人認為只用兩塊磁鐵進行懸浮是愚蠢的。
但是總有人願意去挑戰不可能。羅伊·哈里根(Roy.M.Harrigan),一位沒有接受過系統教育的美國蒙特州人在自己的工作室中進行著嘗試。相比於其他人,哈里根最大的優勢在於他根本不知道恩肖定理,所以他相信自己會取得成果。而他的嘗試也讓他在實際操作中挖掘出了恩肖定理的隱藏含義。大家再讀一遍恩兄定理:點電荷的靜止集合。
如果不是靜止的是不是就可以穩定懸浮了?事實證明,是的。1979年,哈里根,這位狂熱的自學成才的機械愛好者終於在自己的工作室實現了自旋磁懸浮。他將一塊磁鐵放在下方作為底座同時將另一塊磁鐵製成陀螺當陀螺在底座上方旋轉時,奇蹟發生了,陀螺穩定地螺旋昇天,待在了底座上方。世界上第一個自旋穩定的磁懸浮陀螺製作成功。
有的時候,過多且一知半解的知識會桎梏我們的思考。我們也許需要看起來違背現有理論的奇思妙想。
事後證明,完成這樣的一個工作並不容易。根據測算,對於一個幾十釐米量級的底座和直徑幾釐米的陀螺,其可以找到的穩定懸浮的高度範圍往往只有幾毫米,其重量的搭配則需要達到零點幾克的精度。這對於完全不知道原理的哈里根來說完成這項工作所需要的精力和毅力是難以想象的。
哈里根專利介紹(圖片來源:專利 哈里根)
直到1997年,物理學家西蒙(Simon)才弄明白了這種懸浮的具體過程,而且通過對實驗的完美預言證實了他的理論。總體而言,當陀螺高速旋轉時,磁感線就如同串著轉軸的繩子讓陀螺無法偏離。令人驚奇的是,自旋懸浮的方式和磁鏡捕捉等離子體的方式有著異曲同工之妙,微觀與巨集觀在這裡產生了奇妙的統一。(磁鏡是一種等離子體的捕捉和限制裝置,可以用來開展等離子體研究,包括研究熱核聚變也需要用磁鏡進行基礎研究。不知道有沒有朋友想了解磁鏡,可以在評論區留言,如果多的話我會在近期做出來)
現在,相較於其他磁浮裝置已經用於生產生活,磁浮陀螺依舊沒有作為生產工具,更多的是作為兒童玩具。當然僅僅作為玩具,也使得現在玩具專利的擁有者Hones父子獲得了千萬美元的財富。除此之外,由於這種懸浮方式對傾斜角度的敏感,也許會作為新一代測繪裝置的有力競爭者。