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万磁王会飞这个事儿,其实还挺科学的
2016-10-26 作者:福玛特商城 

  摇滚驴 发表于  2016-06-02 11:18

  X战警新三部曲最终章《X战警:天启》上映在即,具有欧米伽级实力的鹰派大神万磁王1这次站在了号称“5000年最强”的最初变种人“天启”一边,又一次试图让变种人统治世界。

  万磁王是漫威漫画中的超级反派,也是X战警的头号死敌。作为X教授的好友,两人因为在变种人与人类如何相处的问题上政见不和走上了截然不同的道路。在漫威漫画无数个平行世界里,万磁王的命运不尽相同,但他强大到近乎变态的能力却被粉丝们津津乐道。

  在漫画和电影的设定中,万磁王的能力是控制磁场——作为一名能控制宇宙四大基本力之一电磁力的人,万磁王当然不会弱。他可以移动山脉和足球场、改变河流的方向、控制集成电路甚至对人实现精神控制;他制造的电磁脉冲曾让全球陷入停电,实在是“地球一小时”活动的最佳代言人。

  再见!图片来源:Marvel

  不过,或许我们都能理解万磁王可以用超能力移动铁块。但在漫画和电影里,万磁王还能让自己在天空中自由飞翔(严格意义上来讲是“悬浮”)。这仅仅是因为他穿了铁盔甲吗?并不完全是,而且这里面的道理其实还挺科学的。

  万磁王是怎么悬浮起来的?

  其实在漫画里,万磁王不只可以移动磁性金属,他还曾经用自己的能力移动过巨石,这又是怎么回事呢。实际上,让物体悬浮并不需要复杂和高深的物理理论:万有引力、静电力和磁力分别是质量、电荷和磁体的基本属性,它们的存在不需要能量维持。所以,要利用这些基本作用力能实现物体悬浮,是不需要外界提供能量的2。

  在漫画里,万磁王可以把整个小岛都举起来。图片来源:Marvel

  在讨论这个问题之前,我们需要简单介绍一下物质的磁场特性:自然界中的物质根据对外部磁场的反应大致可分为:铁磁物质、顺磁物质和抗磁物质。物质的每一个质子、电子和中子中都具有微小的磁场,电子围绕原子核运动,也会产生磁场。一般原子中电子的微型磁场有自行配对的习惯,当配对完成后,原子的合磁场为零,类似于磁铁异性相吸的原理。

  在日常生活中,纸和塑料及金、银等绝大部分金属的磁矩都是配对的,显示出不具有磁性的特点。而类似铁和钴的金属,它们的结构使得电子磁性不配对,于是展现出了极性。可惜在自然状态下,铁块内部的原子会分为南北极两个阵营,相互拉锯又抵消了各自的磁场,使它们无法散发迷人的磁性。但在外部强烈磁场的影响下,原子磁场就会指向同一个方向,形成强大的合磁场。该效应在外部磁场消失后是可以保持的,表现出这种特性的物质被称为铁磁物质。所以,铁磁物质磁化后会很容易被万磁王产生的磁场吸引。

  那么,万磁王能飞,也是因为他可以控制自己血液里的铁吗?答案当然没有那么简单,特别是人体中的铁主要存在于血红蛋白中,在任何时刻,血液中只有很小一部分会被外部磁场吸引3,万磁王要想通过铁元素来控制人体悬浮,恐怕又要上演一出脑力衰竭的戏码了。

另外,大部分物质相邻原子间都有非常微弱的相互作用,如果置于外部强磁场中,它们会沿着磁场的方向排列,磁场消失后,它们又四散而逃,如同课间操结束的同学们一般,这样的物质被称为顺磁物质。顺磁物质同样总是被磁场吸引,但对于万磁王来说,这跟飞起来好像也没什么直接关系。

  顺磁物质在有磁性和无磁性时的状态。图片来源:Wikipedia

  所以,要实现这一目标,还是得获得抗磁物质的帮助。与铁磁物质和顺磁物质不同,抗磁物质的感应磁场总是与外部磁场相反,原子磁性排列总是试图抵消外部磁场的影响。抗磁性本质上一种量子物理效应,任何物质在磁场的作用下,都会产生抗磁效应。但由于抗磁效应很微弱,当物质存在顺磁或铁磁效应时,抗磁效应就被掩盖了。

  抗磁体,也就是显示出抗磁效应的材料,通常人认为的非磁性材料,如水、木材和有机化合物(石油、塑料)及包含很多核电子的重金属汞、黄金和铋等都是抗磁体。伯格曼就是通过发现铋和锑对磁场有微弱的排斥现象,成为了发现抗磁性的第一人4。

  组成人体的水、蛋白质和有机物等主要成分均为抗磁体,利用它们对外部磁场的排斥力,理论上就可以把人体悬浮在空中,正如两个磁铁的S极相互排斥。然而,由于抗磁体的磁化率极低(如水的磁化率χv = −9.05×10−6,负号代表抗磁性),想要获得能够抵消重力所需的磁场恐怕只有中子星才有。无奈中子星上的引力也会相应增大,想在中子星上自由飞翔的愿望恐怕难以实现。

  可是,万磁王并不在乎这些,他可以随心所欲地控制磁场,把自己抬起实在是分分钟的小事。根据官方资料,他可以发出大于地球磁场20万倍的磁场,被磁化人体中的反磁性原子即会被诱导成同一个方向,对磁场产生斥力。最终,磁场相互排斥产生的上升力大于人体受到的重力,两者合成力仍是上升力,凡人就会被轻松举起。如上所说,要做到这一点需要非常强的磁场,而且如果人越重,需要的磁场就越强。所以,万磁王耍帅也是需要成本的,比起控制铁磁材料来说,磁化一件抗磁性物体要难得多——也许这就是他总穿着铁制盔甲的原因。毕竟相对于其他更实用的杀伤性技能,悬浮这种浮夸技能还是少浪费点MP比较好。所以,各位想要和万磁王愉快的做朋友,还请从喝水健身做起。

  物体悬浮?并不只在电影里有。

  实际上,物体悬浮不只存在于电影中。强抗磁体热解石墨薄片就可以稳定地悬浮在永磁体之上。根据理论推导3,磁介质在磁场中的受力与磁感应强度B 的平方成正比,平衡重力所需要的磁场强度并没有达到无解的级别(这对万磁王来说,真是个好消息)。

  因抗磁性产生磁浮的热解碳。图片来源:Wikipedia

  2000年搞笑诺贝尔奖的获得者盖姆(Andre Geim)就曾经用中等强磁场(16T)将一只青蛙成功地悬浮了起来,其中就是利用了青蛙的抗磁性原理5。2009年9月,美国宇航局喷气推进实验室(NASA's Jet Propulsion Laboratory)采用超导磁体成功地将一只小白鼠悬浮在空中6,这是抗磁体悬浮技术的一大进步,因为小鼠的生物组成更接近人类7。此后,实验室计划对骨骼和肌肉组织进行试验,验证人体悬浮的可能性。

  盖姆的悬浮青蛙实验。图片来源:thetimes

  虽然抗磁悬浮从原理上是不需要能量的,但在现实中维持强大的磁场也需要电能或其他能量。如果在自然界中能找到产生强磁场的铁磁物质,就可以实现科幻小说中无能量输入的反重力机器,在地球上创造微重力环境,进行科学实验或魔术表演。

  综上所述,万磁王能够让自己和他人悬浮和飞行的原理是他能够产生非常强大的磁场,足以从本质上极化抗磁体内部原子的磁场。他通过控制磁力,将我们和其他物质都变成了磁性物质,并通过磁场间的斥力抬升了物体。无论是铁磁体、顺磁体还是抗磁体,自然界的物质都逃脱不了万磁王的手心。万磁王乃是名副其实的万物磁性之王,是的,这还挺科学的。(编辑:Mo)

参考文献:

1.X-Men Wiki - Wolverine, Marvel Comics, Origins

2.《青蛙悬浮——一个令人惊奇和充满遐思却只需经典物理知识的实验》杨晓峰,许丽萍,魏天杰,《大学物理》2011年10月

3.《超级英雄物理学》詹姆斯•卡卡里奥斯著,江苑微译,山西人民出版社

4.Wikipedia "Diamagnetism"

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

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

6."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).

7."Mice levitated in lab". Live Science. Retrieved September 2011.


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