绕开178年的理论限制,在不可能的区域创造磁场

作者: 二宗主

来源: https://www.livescience.com/magnetic-fields-created-from-afar.html

发布日期: 2020-11-25

一个国际物理学家团队通过特殊排列导线绕开了178年的恩绍定理限制,成功在不可能的区域创造磁场。这一技术不仅具有理论意义,还具有潜在的生物医学、量子计算和神经成像应用。

大约在两个世纪前,丹麦物理学家汉斯·克里斯钦·奥斯特发现电流能产生磁,这种现象几乎无处不在。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问题。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。

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。

这种“错觉”磁场绕开了恩绍定理,令许多物理学家为之兴奋。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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