随着磁悬浮列车的推广，磁悬浮技术的应用价值逐渐为人了解。2003年日本的磁悬浮列车已经达到了500公里/小时的速度，而波音飞机737型号的正常飞行速度也不过就800公里/小时。除了高速列车，磁悬浮技术还用于一些高速旋转的泵组中，将来还有望用于更高效率的风能发电机组等。本文简单介绍磁悬浮的物理原理。
随着磁悬浮列车的推广，磁悬浮技术的应用价值逐渐为人了解。2003年日本的磁悬浮列车已经达到了500公里/小时的速度，而波音飞机737型号的正常飞行速度也不过就800公里/小时。除了高速列车，磁悬浮技术还用于一些高速旋转的泵组中，将来还有望用于更高效率的风能发电机组等。本文简单介绍磁悬浮的物理原理。
（图片来源:loveNUDT）
使用磁悬浮技术，而不让相对运动物体直接接触，明显好处就是摩擦力的减少。高速列车、高速转动的泵和风电机组使用磁悬浮技术均利用了这一特点。摩擦力的起因复杂，并不仅仅源于两接触表面的粗糙不平，还与接触面的局部形变有关，也与表面分子的引力有关。摩擦力产生的热量不仅是一种能量的浪费，在高速运动的情况下，局部过热还可能引起不必要的形变，影响设备的寿命和性能。不管是接触面的局部形变，还是表面分子的引力，磁悬浮都可以让运动的列车和静止的导轨分离，避免了固体表面接触所产生的摩擦力。虽然磁悬浮列车在磁场中运动也有阻力，但是这个阻力通常远远小于火车与普通铁轨之间的摩擦力。
我们把玩两块磁铁，可以体会到磁铁间的斥力，但想靠斥力让其中一块磁铁稳定地悬空是不可能的。物理上稳定的悬浮是有条件的，稳定悬浮的一个方法是使用抗磁性材料。最著名的抗磁性材料是超导体。顾名思义，超导体的一个必要条件是无限大电导，另一个必要条件是完全抗磁性。高温超导的基础研究之所以重要，一个原因就是因为它有广泛的应用前景，比如能轻易实现磁悬浮。
我们以超导体为例，示范一种磁悬浮的工作机制。下图表面感生电流的产生方式可以用如下方法直观理解：把磁体的南北极理解为一对正负磁荷（孤立磁荷实际上是不存在的！），超导体相当于一面镜子，镜子里面产生一对镜像的正负磁荷（实际上也是不存在的！）：正磁荷在正镜像磁荷之上，负磁荷在负镜像磁荷之上；这样，超导体表面上的磁体受到一个来自表面的斥力。或者也可以从磁通线的角度来理解：由于超导体的完全抗磁性，磁铁产生的磁通线无法穿越超导体，于是靠近超导体表面的磁通线被挤压，从而产生了提供悬浮的磁力。
（磁铁置于超导体之上。超导体的表面感生电流，产生斥力悬浮磁铁。图片来源：https://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/maglev.html）
运行的磁悬浮列车远比上面的解释要复杂得多，需要考虑加减速、稳定性和安全性、维持超导的低温环境等。
磁悬浮列车的推进可以依靠变化的磁场实现，列车本身可以不需要引擎。在有导轨的情况下，不一定需要使用抗磁性材料，因此，磁悬浮列车不一定使用超导体。虽然导轨本身可能与列车接触，但是因为摩擦力与两物体间的压力成正比，所以只要导轨对列车的压力小于列车所受的重力，那么磁悬浮就能减轻列车前进过程中的阻力。现有的磁悬浮列车有两种，一种采用电磁悬浮技术，一种采用电动悬浮技术。后者有技术优势，但是需要先使用轮胎给列车以一定的初始速度。磁悬浮列车所涉及的物理学原理远远比磁悬浮本身的原理复杂，不在本文讨论范围。
（一个导轨和列车示意图，列车采用C型固定方式。图片来源:Transrapid International）
磁悬浮列车上的磁场多大？有的公司宣称只是地磁场的2倍。彩电产生的磁场可以是地磁场10倍，而我们生活中随处可以的永久磁铁产生的静磁场最大可以是地磁场的2万倍。换句话说，如果我们敢把玩永久磁铁，便不需要担心地磁场几十倍的磁场。实际的磁悬浮列车附近，磁场肯定有一个强弱分布，可能会强于两倍地磁，不过如果乘客路过时不需要担心轮子有铁边框的行李箱拉不动，那么在人活动的范围内肯定不会有强磁场。交变磁场相关的物理可以参考科学公园《波的科普》系列文章。如果担忧磁悬浮对人体的影响，可以参考国际上一些技术发达国家对磁悬浮的应用和推广程度。
比起其他交通工具，磁悬浮列车在综合考虑速度、运行成本、舒适程度、噪声等方面有优势。除中国外，目前美国、德国、日本、韩国等国家均有磁悬浮列车，美国、韩国均有在建的磁悬浮列车项目，美国、英国、德国、澳大利亚、印度均有建造磁悬浮列车的计划。磁悬浮是一个可能在未来需要广泛普及的技术。
作者：锁相；凝聚态物理学教授
