...磁悬浮为什么叫做量子磁悬浮。请详解与悬浮有关的量子方面的知识
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发布时间：2024-10-24 15:00
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时间：2024-10-30 08:19
所谓量子磁悬浮，其实只是磁悬浮实验中，通过改变超导体的物 理尺寸而出现的一种奇妙现象。 超导体的特征之一是排斥磁场，即其“体内”不会穿过磁场线，于是将 超导体置于磁场中时，超导体会受到一种被磁场排斥的力，也就是超 导体会受到磁体施加给它的远离磁体的力。 磁悬浮就是靠上述的超导 体抗磁的性质， 将超导体放在磁体的上方， 使斥力重力平衡而实现的。 【超导体本身受到地球的引力（也就是重力）会向下向磁体靠近，然 而超导体越是靠近磁体，其受到的磁体排斥的力量也就越大，当超导 体靠近磁体到它们俩之间的排斥力等于地球对超导体的重力时， 超导 体就在磁体上方悬浮了】但此时的超导体的悬浮是会飘的，也可以说 是不稳定的，当你向下压一下超导体然后松开，它会在磁体上方上下 做“简谐振动”， 也就是说普通的磁悬浮， 是有一个悬浮的“平衡点”的。 而量子磁悬浮，它不同于普通磁悬浮的最大特点是，它没有所谓的平 衡点，而是磁体（严格的说应该是磁场）和超导体之间有一种“维持 现状”的特点，也就是说，你施加外力将一个“量子超导体”放在磁场 中，然后撤去所有外力，它会在磁场中保持原有位置不变（如果磁场 足够强，能够改变“量子超导体”的特性使其适应这部分磁场） 。而这 种在磁场中“保持现状”的能力也取决于磁场的结构， 如果磁场是不均 匀的， 那么当外力给这个“量子超导体”一个初速度时它会受到在磁场 中“维持现状”的阻力而最终停止，而如果磁场是均匀的，那么当外力 给这个“量子超导体”一个初速度的时候， 它将在均匀磁场中一直按这 个速度运动下去。注意，上述的“均匀”是相对初速度方向的，不是三 维空间均匀的意思，也就是说，如果磁场在 x 方向上是不变的，那么 我们称它为 x 方向是均匀的（当然这个 x 可以是直线也可以是曲线， 比如圆弧或者均匀的螺旋线等） ，而在 y 和 z 方向都是不均匀的，也 就是说沿着 y 和 z 方向磁场都是有变化的 （这里的讨论不考虑周期性 变化） ，那么按上述条件，当初速度沿着 x 方向时，“量子超导体”将 沿着 x 轴方向一直以初速度运动下去， 而若初速度方向为 y 或 z 方向， 那么“量子超导体”将在在磁场中“维持现状”的阻力作用下停止运动。 量子磁悬浮具有上述特性， 主要取决于“量子超导体”具有一种对磁场 的“适应”的特性。而这种“适应磁场”的特性来自于超导体的超薄的特 性，在外界的磁场足够强的时候，磁场线可以“刺穿”超薄的超导体， 在超薄的超导体上形成磁场通道，当然这个“磁场通道”是“很多 个”（应该是磁场线穿过分子间隙或者是晶格间隙产生的，这个时候 也可以将超薄的超导体看做是一面网，网孔较小，而网绳较粗，网孔 就是“磁场通道”， 网绳就是超导体， 阻止磁力线穿透自身） 而穿过“磁 ， 场通道”的磁力线又要在空间尽量的分散着分布，此时的磁力线穿过 “磁场通道”的景象可以形象的比喻成女生的头上扎着扎头绳一样， 扎 头绳将头发紧紧地束缚在一起，而扎头绳的两端，头发是蓬松的。在 没有外场干扰的情况下，磁力线有一种在空间尽量分散分布的趋势， 而且它的形状在没有外力的情况下是不会变的， 也就是说要改变磁力 线的空间自由分散的形状就要施加外力，而此时的类似于扎头绳的 “磁场通道”不管怎么动， 都会改变磁力线的形状， 也就是说没有外力， 或者说外力不够不足以改变“磁场通道”的情况下，“磁场通道”相对磁 场的位置是不会改变的 （也就是上面我提到的“量子超导体”适应了这 部分磁场，量子超导体之所以能够适应，还有一个重要的原因就是它 尺寸够薄，“磁场通道”够密，磁场在穿过通道时，量子超导体的前后 两面的磁场（靠近量子超导体的部分）可以看做是完全一样的，也就 是两边用着相同的力使量子超导体嵌在了那个位置） 。这也就是量子 悬浮实验中“悬而不飘”现象的原因。也即是在将“量子超导体”置于磁 体下方，磁体依然可以将其“吸住”的原因，即此时重力不够大，不足 以改变量子超导体的“磁场通道”来适应新的磁场。将一块“量子超导 体”置于方形或任何其他非旋转对称的磁铁上时，你给“量子超导体” 一个转动初速度，它是不会一直转下去的，因为沿着转轴转动的方向 上的磁场是不均匀的，而将其放在环形磁体上时，你给它一个转动的 初速度，在没有外界阻力的时候它是可以一直转下去的，因为在以环 形磁铁中轴线为转轴的转动方向上，磁场是均匀的，“量子超导体” 在绕着这个转轴旋转的时候， 可以看成它相对磁场的位置没有发生变 化。这也是实验中“量子超导体”在圆圈轨道上运动时，它的各个质点 始终相对圆圈轨道圆心距离不变 （其公转一周， 自身相对的自转一周） 的原因。而若是将普通的超导体放在圆圈轨道上运动，在没有初转速 也没有外力的时候，普通的超导体将不会自转。当然，磁力线和“磁 场通道”的引入并不严谨， 或者说还有一些特性要赋予“磁场通道” （比 如说在环形轨道上运动时） ，但是这样的引入还是能使我的叙述比较 便于理解的。 上面这段的内容是我看了演示实验视频之后， 我自己对这个现象的理 解，今天写出来，也希望有对这个演示实验现象感兴趣的网友给我拍 砖，或者有人知道确切理论依据的能够贴给我看看，我对这些新的现 象都是比较干兴趣的。
