科学故事丨2-3月合刊——奥妙无穷的磁学世界

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你看过科幻电影《X战警》吗？里面有一个令人印象深刻的角色，叫做万磁王。他有着超凡的能力，可以控制、制造磁场，远程操控各种金属物体。虽然万磁王是科幻的想象，但磁的神奇之处却是真实存在的。人们借助磁技术也可以操控磁场，实现隔空取物的神奇能力，甚至还能控制细胞大小的纳米机器人，在人体血管中清扫垃圾。具体是怎么一回事呢？我们跟着北京大学物理学院研究员罗昭初，走进磁学世界，一探它的奥秘吧。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

装在“黑箱子”里的磁学

 

 

 

 

 

磁学是一门古老的学科，最早大概可以追溯到公元前六世纪。

 

在古希腊，有一个叫做泰勒斯的科学家。他发现一些特殊的石头，可以互相吸引。这是非常神奇的事情，因为正常情况下，我们一般要接触在一起，才有力的相互作用。这些特殊的石头，就是磁石。

 

关于磁，真正留下文字记录的历史，要到中国的春秋战国时期。中国古代经典著作《鬼谷子》《韩非子》中，都记录了“司南”这个概念。

 

 

对于司南，你会不会有这样的疑问：为什么扁平的四方盘子上放个勺子，勺柄就可以指示方向呢？

 

这可不是普通的勺子，而是磁勺，它的作用等同于一根装在轴上的磁针。在地球天然磁场的作用下，磁针的南极会始终指向地理的南极。所以，中国古人不仅发现了磁体相互作用的事实，还将它利用到了实际生活中。

 

指南针的发现意义非凡，有了它，人们才有能力实现远洋航行。船在大海上航行时，夜晚可以参照北斗七星辨别方向，那白天没有参照物，怎么办呢？指南针的作用就体现出来了。无论是中国明朝时的郑和下西洋，还是欧洲大航海时代的地理大发现，都离不开指南针的帮助。

 

但是，那个年代的磁学，就像是一个黑箱子。我们虽然发现磁体可以相互吸引，学会用磁体做指南针帮助导航，但磁性的来源是什么，磁体为什么可以相互吸引，依然是未解之谜。直到19世纪，人们的认识才有所突破。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

磁与电的秘密

 

 

 

 

 

19世纪，科学家们在电学实验中，发现了这样的现象：两个带电的物体，当它们的电荷相同时会产生排斥力，相反时会产生吸引力。这就跟磁体的相互作用非常相似，而且它们都可以不接触就发生作用力。

 

所以，电跟磁之间，是不是存在着某种联系呢？

 

1820年，丹麦科学家奥斯特发现，将通电的导线靠近磁针，磁针发生了转动。而断电后，转动又消失了。从这可以看出，本来没有磁性的导线在通电后，会短暂地表现出一个磁性。这就是电流的磁效应。

 

那么问题又来了：电能产生磁，磁能产生电吗？

 

英国科学家法拉第在奥斯特发现这个现象时，就在思考这个问题。但直到1831年，他通过反复探索，才得到了肯定的答案。这就是赫赫有名的电磁感应试验。

 

 

这是一个非常伟大的发现，我们能有源源不断的电可以使用，离不开它的功劳。因为我们发电机工作的基本原理，都是基于电磁感应定律。

 

而后，又有很多的科学家发现了很多有趣的电磁学知识。1865年，英国科学家麦克斯韦总结了这些规律，归纳出了著名的麦克斯韦方程组。即使现在，这个公式依然描述着我们生活中遇到的绝大多数的电磁学相关现象，包括家用电器、手机、电脑等。不仅如此，这个公式还预言了电磁波的存在。这是非常伟大的一个预言，因为没有电磁波，就没有今天的无线通讯，手机里的4G、5G都不可能存在。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

“隔空取物”的神通

 

 

 

 

 

而今，磁学又有什么新的发展应用呢？

 

你知道太空垃圾吗？随着人们探索的脚步迈向太空，越来越多的航天器被发射到了太空。航天器表面脱落的材料、被遗弃的火箭、达到使用寿命的卫星等，都是太空垃圾。它们被遗弃在太空中，仍旧在轨道上以非常快的速度在转动，如果不小心撞到了运行中的航天器，后果是灾难性的。

 

那么，如何对这些太空垃圾进行回收呢？为了帮助理解，我们先来讲一个磁学上的经典试验。

 

准备两个一样的球体，一个有磁性，一个没有磁性。我们将没有磁性的球体从铜管中放下，它会做正常的自由落体运动。但如果我们放的是磁性球体，它的下落速度就会大大减慢。

 

我们都知道，铜管是不带磁性的，它跟磁体本没有相互作用。但当磁性球体从铜管中穿过的时候，我们可以想象，铜管的下边就像法拉第做实验时那个线圈一样，会产生一个环形的电流。有了这个电流，它又会像奥斯特实验中一样，产生一个磁场。这时候的磁场就可以等效为虚拟的磁体，对磁性球体的运动产生阻碍。

 

2021年，人们基于这个效应提出了一种方案，来解决太空垃圾回收的问题。

 

太空垃圾基本都是一些非磁性的金属导体。正常情况下，这些金属导体不会跟磁体相互作用，但是，用类似铜管试验的方式，产生一个变化的磁场，我们可以让导体短暂地带有磁性，跟磁场发生相互作用，实现移动。由此我们便可通过远程操控“隔空取物”，实现太空垃圾的回收。

 

在现代生活中，磁学已经被应用到了各个领域，和我们的生产生活密不可分。像信息领域的磁硬盘存储、磁传感器，能源领域的各种的电动机、发电机，军事领域的电磁弹射器，还有我们在研究中的医疗领域的纳米磁性机器人。

 

人体细胞其实就是一个功能非常强大的纳米机器人，有的像搬运工，会把我们的蛋白质搬运到固定的地方；有的像生产线工人，根据DNA、RNA的信息，制造出蛋白质。正因为有了它们，我们的细胞才能够正常运转。

 

如果我们能够做出类似的纳米磁性机器人，将它放入人体后，通过加磁场的方式让它移动到特殊的位置，比如说生病的地方。通过这样的一个微操作，我们就可以实现局域的精准医学治疗。

 

 

磁学是一个历久弥新的学科，关于它的未解之谜仍有很多：磁场上的南北极一直相伴相生，能不能把它们分开？永磁材料有巨大的吸力，有没有更强的磁性材料，能把电子就极化到一个方向上？能不能选择一些轻的元素作为磁性材料，使得磁体更轻便……希望未来有更多的青少年朋友，能够投入到研究当中来，发现更多磁学的奥秘。

 

文章来源/《科学故事会》杂志2024年2-3月合刊

文/罗昭初（北京大学物理学院）

特约供稿/中国物理学会《科学一小时》

审校/《科学故事会》编辑部

 

 

 

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