在校园里亲手做一架磁悬浮列车
2023年05月31日
史蒂芬·霍金曾经说过，为追求科学知识，科学家成为了发现之光的承载者。对于SCIE的G2物理学生来说，今年是一次独特的科学探索之旅，我们通过自己的科研项目，获得了批判性思维技能，并在通往科学发现的道路上体验到了如霍金所述的启发之感。
作为SCIE物理课程的传统，G2学生被要求在整个学年中从事一个与物理相关的项目，主题由学生自由选择。在学年初，我和队友果断地决定做一个关于磁悬浮列车的项目。
现在回想起当初的决定，我们选择这个课题的动机确实显得过于天真。仅仅是因为这个想法本身有着令人无法抗拒的魅力，我们便在没有对可行性进行任何考量的情况下选择投身于这个课题之中 -- 即使知道这只是最基本的物理原理在起作用，但看到事物悬浮于半空中仍旧如同魔法一般，不是吗？
除此之外，新兴磁悬浮技术定义了长途出行方式的未来。由于其与轨道间轻微的摩擦力几乎可以忽略不计，磁悬浮列车可以以极小的能量输入加速至高速。我们希望我们的项目可以为这种令人印象深刻的技术做出即使可能是极其微小的贡献。
在项目设计阶段，我们进行了广泛的研究，并探索了诸多不同的方案来使列车悬浮。最终，我们决定化繁为简，利用磁铁同极之间的排斥力克服列车本身的重力。这完全是基于利用磁铁“同极相斥”原理来实现悬浮的简单想法。
引用爱因斯坦的话：“万物皆应尽简单，直至不能更简”，我相信大多数读者在生活中都曾想过使用磁铁极性进行悬浮的简单想法，并且这个想法也在你们的脑海中萦绕了一段时间，但它很快就会被其他思想所替代。这也曾经发生在我身上，并让我意识到，在大多数情况下，提出一个简单的想法并不困难，真正阻碍着我们去进行实践的，是在将该想法付诸实现过程中所将遇到的诸多问题与挑战。
悬浮的稳定性是我们所面临的最大挑战。我们最初的计划是希望让列车稳定地漂浮在铺满了磁铁的轨道所产生的匀强磁场中；轨道上的每个磁铁都将与安置于列车底部的磁铁互斥。然而，当我们测试这个想法时，列车根本无法在磁铁上方保持稳定。它就像一个蹒跚学步的孩童，总是会倾斜跌倒，试图逃离我们设置好的路径。
经过仔细的检查以及无数次的失败尝试，我们意识到问题的关键在于列车所缺乏的侧向约束力。如果我们无法想出一种方案使列车保持在轨道中心，即使再微小的偏转也会导致其两侧磁排斥力的不平衡，从而便会导致列车的倾覆。
经过数个不眠之夜，无数的解决方案被提出，而后又被一一否决。在一个近乎魔幻般的时刻，我们突然想到，如果在原始轨道内设置一条仅仅用于稳定火车的方向并将其“锁定”到悬浮位置的辅助轨道，所有的问题都将迎刃而解。在我们的列车真正悬浮起来，稳稳停留在空中的那一天，我又度过了一个无眠的夜晚，但这次是因为内心洋溢的喜悦和兴奋。
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然而，这远远不是故事的结尾。在此之后，我们仍然面临着持续的失败，对原有计划的完全推翻，并经常受到放弃的诱惑。尽管如此，我们坚持不懈地完成可对所有问题的修正与改进。最终，这一切都在Science Fair的这一天为我们带来了丰硕的成果。
举办于4月20日的SCIE Science Fair是一场科学创新的盛宴，展出所涵盖的主题从空气动力学到电磁学再到光学，内容极其丰富多元。对我来说，参与的全过程开拓了我的科学视野，并且使我对物理的热情更上一层楼。
这不仅是因为展览每个项目中所包含的稠密的物理知识，也因为它为我们提供了与老师交流并寻求进一步改进的宝贵机会。最终，我们不断失败和坚持不懈的努力得到了回报 -- 我们的项目被老师提名为科学展览的第一名。
收获的奖项和头衔无疑令人愉悦，但在项目过程中发生的个人成长是更为关键的。获得实践经验的机会使我能够理解科学家们在日常研究中面临的巨大困难，并用心珍视每一项伟大的科学发现。
最后，我想表达对我们的物理老师Ms. Carla的感激之情，她为我们提供了源源不断的支持和有价值的建议。我还要祝贺所有G2物理学生在参与和完成项目方面取得的惊人成就。尽管这个横跨了整个学年的旅程是漫长的，但最终，一切的努力无疑都是值得的。
文｜Bobby Chen
图｜Dylan Yang
编辑｜Kelly
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