磁场强度|绕开178年的理论限制，在不可能的区域创造磁场_电流的磁场|导线测量|科学|科

【磁场强度|绕开178年的理论限制，在不可能的区域创造磁场】

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大约在两个世纪前，丹麦物理学家汉斯·克里斯钦·奥斯特（Hans Christian Oersted）发现电流能产生磁，这种现象几乎无处不在，例如宇宙中的带电粒子云在行进过程中会产生巨大的星际磁场，地核中熔融金属的运动产生了地球的南北磁极，甚至人类大脑中的神经细胞活动也会产生微量的磁性。
无论从理论的角度还是应用角度，这种电生磁的普遍性都带来了许多的问题。例如，医生在看磁共振成像时，必须对背景磁场进行处理；再比如对于需要进行精密测试的实验人员来说，他们不得不建造复杂的屏蔽，来阻隔一些由简单事物所产生的（比如墙壁内的电线）会干扰测量结果的磁场。如此一来，能够远距离地对磁场进行控制、限制或者塑造，就非常有用了。
多年来，科学家们一直在努力应对这一挑战，然而却始终难以实现。原因在于， 1842年，英国数学家塞缪尔·恩绍（Samuel Earnshaw）用数学证明了这样一个定理，这个定理表明，磁场的最大强度不能在磁源之外；换言之，每个磁场都必须围绕产生它的物体，并从这个物体中辐射出去，磁场的强度随着离磁源距离的增加而减小。
这便是恩绍定理，它意味着，如果不能实际将一个磁源放置在空间中的目标位置，就不能在那个位置产生最大磁场强度。而这样的“事实”会限制我们塑造磁场的能力。然而最近，一个国际物理学家团队似乎找到了解决方法，成功地绕开了这个已经存在了178年的理论的限制。在新的研究中，他们通过将一组导线排列成特殊结构，使得当电流通过这组导线时，产生了一个像是源自于另一个磁源所产生的磁场。
研究结果被发表在了近期的《物理评论快报》上。

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研究人员所采用的方法非常简单却精妙。他们受到光学领域研究的启发，应用到了一些被称为“超材料”的材料，这些材料具有一些不存在于任何自然材料中的特性。他们设想了一种磁导率（表示当某种材料暴露于磁场时会增加或减少多少磁场的参数）为-1的材料，在这样一种材料内部，所产生的磁场方向将会与初始磁场方向相反。
不过，依靠一种不存在的材料来进行模拟似乎并没有太大说服力。然而，研究人员却证实了，即使不存在这种具有负磁导率的假想材料，通过对导线进行精密地排列，也能达到仿佛使用了超材料的效果。
他们将20根笔直的导线排列成一个高40厘米、直径8厘米的空心圆柱体，再让第21根导线穿过圆柱体的中心。当电流流过这所有的21根导线时，就会在这些导线的周围区域出现一个复杂的磁场，其形状随着单个电流的强度和方向变化。

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在实验中，物理学家们发现通过为这个结构中的每根导线设置正确的电流，就能创造出一个仿佛由一个并不存在的虚拟导线所产生的磁场，这根虚拟导线不是贯穿圆柱体的中心，而是在圆柱体外2厘米处。磁场就像是凭空出现的一样，制造出了一种磁源在远处的错觉。这种“错觉”磁场绕开了恩绍定理，令许多物理学家为之兴奋。

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这项成果不仅具有理论意义，还带来了潜在的应用突破。
一个主要应用就是用于生物医学方面。比如说假如有这样一种抗癌药物，它可以通过由磁性纳米颗粒制成的胶囊而直接进入人体深处的肿瘤处，我们无法做到在肿瘤中插入磁性材料来引导纳米颗粒的路径，但这项技术可以帮助我们在肿瘤的正中心创造出一个源自于身体外部的磁场，那么就可以在通过一个没有任何侵入性伤害的过程在体内引导药物传送了。
除了药物传递之外，它还能应用于量子计算。许多量子计算机的设计都依赖于在空间中的精确位置捕获原子，这是一项困难的任务。物理学家可以借用这项技术对此加以简化，比如用它来消除一些会干扰测量结果的噪声磁场。
此外，它还能被用于神经成像技术，一种被称为“经颅磁刺激”的技术会通过磁场来激活大脑的不同区域。使用新研究中所涉及的技术，能让医生有可能更细致地定位大脑中需要刺激的区域，从而使患有阿尔茨海默病或帕金森病等神经系统疾病的患者得到更准确的诊断和治疗。

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当然，这是一项还需要进一步完善和改进的技术。研究人员表示，从实验到真正投入实际应用，还将有一段漫长的路程要走。但是，一旦能真正将这种“错觉”磁场投入实际，那么它所能开启的潜在的应用将远远超出想象。为了实现这一目标，论文作者决定接下来他们将要着手设计出能够产生三维磁场的导线结构，期待这项史无前例的突破将能带给我们更多的惊喜。
参考来源：
https://www.livescience.com/magnetic-fields-created-from-afar.html
https://headtopics.com/us/can-you-generate-a-magnetic-field-remotely-16688009
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.177204
来源：原理

编辑：yrLewis

磁场强度|绕开178年的理论限制，在不可能的区域创造磁场

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