格物寻理丨挑战重力：超导磁悬浮的引力突围

2025-10-10 08:12:06 世界杯冠军最多

在未来之城中，列车在空中自由舞动，不触及一丝轨道，却在空中翱翔，零摩擦地穿越城市。

在西湖大学西小理科普团的系列理学科普课程中，理学院物理专业博士生邹文俊带来的《超导磁悬浮》课程引发同学们广泛的好奇心，大家陷入悬浮世界的无限幻想。

我们收到来自学生很多想象和求知欲的提问。格物寻理第二期，我们邀请了理学院博士生邹文俊、杨武璋、沈静怡、陈钢帆，以及西湖大学第一届本科生庞志鸿，为大家解答关于“超导磁悬浮”的有趣问题。

超导体，这种可以零电阻导电的材料，与强大的磁场共同创造出一种近乎神奇的力量。系好你们的安全带，准备开启一场挑战重力的飞行，让我们一同揭开超导磁悬浮的奥秘与奇迹。

什么是超导体

1911年卡末林·昂内斯发现，汞在4.2K（-268.9℃）时电阻突然变成零。22年后，迈斯纳发现当水银的电阻为零时，它还会排斥所有的磁场，后来人们把超导体的完全抗磁性称为迈斯纳效应（图1）。

图1：卡末林·昂内斯以及汞（Hg）的电阻随温度的变化[1]

当被置于磁场当中时，超导体将磁场从其内部排斥出去（图2），而排斥出去的磁场会在超导体表面诱导出环流电流，产生一个磁场。其产生的内部磁场与外部磁场大小相等而方向相反，从而产生排斥力，将自身悬浮在空中（图3）。

图2：在Tc以上（正常态）磁场可以直接穿过超导体，Tc以下（超导态）磁场被挤出超导体[2]

图3：在磁场中悬浮的超导体[3]

随着科学家对超导现象机理的理解，以钡－钇－铜－氧体系为代表的第二类高温超导体（90K以上）显现出极大的应用前景。[4]

量子力学和超导体是什么关系

超导体明明是我们看得见摸得着的东西，量子力学则是科学家在理解原子尺度上那些不再符合经典力学而建立的新体系，为什么理解超导体的性能和原理需要用到量子力学呢？

首先，让我们简要了解量子力学。在经典力学中，能量是连续变化的。然而，当物理学家面对一些现象无法用经典理论解释时，普朗克提出了一个大胆的假设：能量是分立的，存在最小的单位，即能量量子。这引入了普朗克常数和量子的概念，其中普朗克常数h表示最小能量单位，而量子则成为物理量的最小不可分割单位。

在研究物理规律时，我们通常要考虑适用的尺度和环境。当我们关注较大尺度的现象时，经典力学通常是适用的。例如，对于地球的公转或小车的运动，我们不太容易观察到量子效应。然而，当研究尺度缩小到原子级别时，经典力学失效，特别是在描述电子运动时，我们不能准确地确定其位置和动量，这时量子力学变得必要。

在微观尺度，我们需要考虑粒子的波粒二象性和不确定性原理。虽然在宏观尺度，一般的量子效应较小且被平均掉，可以用经典力学描述，但有一些例外，例如超导体中的电子配对和磁性的来源，它们展现了宏观尺度上的量子效应，都需要用量子力学来解释。

在极低温度下，超导体的电子行为表现出量子力学的奇特效应，例如电子配对和磁通排斥。虽然超导体是我们可以看到和触摸的物体，但其性质和行为在微观层面上都受到了量子力学的支配。

超导体为何不会掉落

图4：超导体在磁铁反转后不掉落

如图4显示，第二类超导体在磁铁反转后仍与磁铁保持一定的距离而不掉落，这个现象除了迈斯纳效应起到关键作用外，磁通钉扎效应也是一个重要原因。[5]宏观的第二类超导体内部总是存在缺陷、杂质，而这些不完美的超导体内部缺陷就像扎在超导体里的一根钉子，磁通线被束缚在特定的区域内（图5）。这使得超导体即使偏离了初始位置，被困住的磁通线也会像钉子一样防止其掉落。[6]

图5：磁通钉扎效应[7]

普通磁悬浮和超导磁悬浮的区别

上海的磁悬浮列车2006年就开始运营了，但为什么说起超导和超导磁悬浮，大家还是津津乐道。这里就要搞清楚普通的磁悬浮列车和超导磁悬浮列车之间的区别。虽然看起来都实现了悬浮前进的效果，但普通的磁悬浮列车是在轨道和车体之间分别安装了线圈，当车体下方的线圈通过电流时，会成为电磁铁进而产生磁场（图6）。这个磁场与轨道上的电磁铁产生的磁场同极相斥，产生一个排斥力，使得列车悬浮在轨道上，与轨道几乎没有物理接触。[8] P.S. 市面上售卖的看起来很神奇的悬浮地球仪也是使用同样的原理（图7）。

图6：上海最高时速431km/h的磁悬浮列车[9]

图7：磁悬浮地球仪[10]

常规导体做成的电磁铁存在电阻，在使用的过程中会产生大量的热，但超导体的电阻为零，不存在任何的电损耗和热效应，一旦超导线圈通电并闭合，电流会持续地存在线圈内，节约了大量的能源，第二类超导体中存在的磁通钉扎效应，会使超导体在磁铁上方会被固定住，无论怎么翻转都不容易掉，所以用超导体做成的列车更不容易脱轨，这是超导磁悬浮的根本优势之一。[11]但目前常压下的超导体都需要在极低的温度下才能实现，想要真正坐上超导磁悬浮列车，需要建立低温列车运行系统，或者依靠科学家继续探索常压室温下就能实现的超导体。

科幻中的磁悬浮汽车会普及吗？

1989年的科幻电影回到未来Ⅱ，畅想到2015年，飞行汽车已经普及（图8），而已经身处“未来”的我们，眼下仍受地面交通拥堵的困扰。那么，超导磁悬浮汽车要想成为现实，究竟需要哪些条件呢？设想一下，将未来的城市道路上铺设电磁铁材料，并采用室温超导材料制造汽车，使汽车通过超导体和磁场的相互作用实现悬浮，通过调整外部磁场的方向和强度来控制磁悬浮汽车的刹车以及高度。这些磁悬浮汽车将在城市中高速、安静、高效地移动，既提供卓越的出行体验，又减少了能源消耗和环境污染。

图8：回到未来Ⅱ电影剧照[12]

研究超导体对社会的积极影响6

图9：祖冲之号超导量子计算机模型和电路设计[13]

超导体最大的优点就是零电阻，一旦能实现室温常压超导，超导体的应用场景就会大大提升，随之而来的首先就是能源损耗的极大降低。

一个最简单的例子：手机上如果使用超导体作为器件，电流在传递过程中不再发热，打再多局游戏手机也不会烫得像暖手宝；再比如电流传输速度增加，信号的传输和处理速度也会更快，计算机的运行速度有机会实现再一次飞跃，为现在的大模型数据时代提供强有力的运算基础能力。还有在“人造太阳”——可控核聚变、量子计算机等等重大领域，室温常压超导体都可以大展身手[14]。

可以说，室温常压超导体的出现­­会像瓦特发明蒸汽机一样，引发新一轮的工业革命。而这场新一代的科技革命正在科学家对新材料、新机理、新器件的深入理解和发现中加速到来。

参考文献

[1]https://quantumlevitation.com/what-is-superconductivity/

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/London_equations

[3]https://quantumlevitation.com/what-is-superconducting-levitation-and-how-does-it-work/

[4] Sheng, Z., Hermann, A. Bulk superconductivity at 120 K in the Tl–Ca/Ba–Cu–O system. Nature 332, 138–139 (1988). https://doi.org/10.1038/332138a0

[5] Brandt, E. H. (2002). Magnetic properties of type‐II superconductors with different shapes. Physical Review B, 65(1), 014506.

[6]Malmivuo, J., & Plonsey, R. (1995). Bioelectromagnetism: Principles and applications of bioelectric and biomagnetic fields. Oxford University Press.

[7] https://en.wikipedia.org/wiki/Flux_pinning

[8] Zhang, Y., Guo, S., Zou, S., & Zhang, Y. (2020). A Review of Recent Developments in Maglev Technologies and Their Applications. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems.

[9] 上海磁浮列车_百度百科 (baidu.com)

[10] 磁悬浮地球仪_百度百科 (baidu.com)

[11] Luo, H., Deng, Z., & Li, Q. (2015). Review on current magnetic levitation and guidance technologies. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, 229(2), 125-142.

[12]https://eu.usatoday.com/story/life/movies/2015/10/20/back-to-the-future-pop-culture-milestones-1985/74173794/

[13]祖冲之号_百度百科 (baidu.com)

[14] Snider, E., Dasenbrock-Gammon, N., McBride, R. et al. RETRACTED ARTICLE: Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride. Nature 586, 373–377 (2020).