繞開178年的理論限制 在不可能的區域創造磁場

將21根筆直導線精準排列成圖中所示結構，再通過控制流過每根導線的電流大小，可以產生一個在這個裝置之外的虛擬導線。

大約在兩個世紀前，丹麥物理學家漢斯·克裡斯欽·奧斯特（Hans Christian Oersted）發現電流能產生磁，這種現象幾乎無處不在，例如宇宙中的帶電粒子云在行進過程中會產生巨大的星際磁場，地核中熔融金屬的運動產生了地球的南北磁極，甚至人類大腦中的神經細胞活動也會產生微量的磁性。

無論從理論的角度還是應用角度，這種電生磁的普遍性都帶來了許多的問題。例如，醫生在看磁共振成像時，必須對背景磁場進行處理；再比如對於需要進行精密測試的實驗人員來說，他們不得不建造複雜的屏蔽，來阻隔一些由簡單事物所產生的（比如牆壁內的電線）會干擾測量結果的磁場。如此一來，能夠遠距離地對磁場進行控制、限制或者塑造，就非常有用了。

多年來，科學家們一直在努力應對這一挑戰，然而卻始終難以實現。原因在於，1842年，英國數學家塞繆爾·恩紹（Samuel Earnshaw）用數學證明了這樣一個定理，這個定理表明，磁場的最大強度不能在磁源之外；換言之，每個磁場都必須圍繞產生它的物體，並從這個物體中輻射出去，磁場的強度隨著離磁源距離的增加而減小。

這便是恩紹定理，它意味著，如果不能實際將一個磁源放置在空間中的目標位置，就不能在那個位置產生最大磁場強度。而這樣的「事實」會限制我們塑造磁場的能力。然而最近，一個國際物理學家團隊似乎找到了解決方法，成功地繞開了這個已經存在了178年的理論的限制。在新的研究中，他們通過將一組導線排列成特殊結構，使得當電流通過這組導線時，產生了一個像是源自於另一個磁源所產生的磁場。

研究人員所採用的方法非常簡單卻精妙。他們受到光學領域研究的啟發，應用到了一些被稱為「超材料」的材料，這些材料具有一些不存在於任何自然材料中的特性。他們設想了一種磁導率（表示當某種材料暴露於磁場時會增加或減少多少磁場的參數）為-1的材料，在這樣一種材料內部，所產生的磁場方向將會與初始磁場方向相反。

不過，依靠一種不存在的材料來進行模擬似乎並沒有太大說服力。然而，研究人員卻證實了，即使不存在這種具有負磁導率的假想材料，通過對導線進行精密地排列，也能達到仿佛使用了超材料的效果。

他們將20根筆直的導線排列成一個高40釐米、直徑8釐米的空心圓柱體，再讓第21根導線穿過圓柱體的中心。當電流流過這所有的21根導線時，就會在這些導線的周圍區域出現一個複雜的磁場，其形狀隨著單個電流的強度和方向變化。

在實驗中，物理學家們發現通過為這個結構中的每根導線設置正確的電流，就能創造出一個仿佛由一個並不存在的虛擬導線所產生的磁場，這根虛擬導線不是貫穿圓柱體的中心，而是在圓柱體外2釐米處。磁場就像是憑空出現的一樣，製造出了一種磁源在遠處的錯覺。這種「錯覺」磁場繞開了恩紹定理，令許多物理學家為之興奮。

這項成果不僅具有理論意義，還帶來了潛在的應用突破。一個主要應用就是用於生物醫學方面。比如說假如有這樣一種抗癌藥物，它可以通過由磁性納米顆粒製成的膠囊而直接進入人體深處的腫瘤處，我們無法做到在腫瘤中插入磁性材料來引導納米顆粒的路徑，但這項技術可以幫助我們在腫瘤的正中心創造出一個源自於身體外部的磁場，那麼就可以在通過一個沒有任何侵入性傷害的過程在體內引導藥物傳送了。

除了藥物傳遞之外，它還能應用於量子計算。許多量子計算機的設計都依賴於在空間中的精確位置捕獲原子，這是一項困難的任務。物理學家可以借用這項技術對此加以簡化，比如用它來消除一些會干擾測量結果的噪聲磁場。

此外，它還能被用於神經成像技術，一種被稱為「經顱磁刺激」的技術會通過磁場來激活大腦的不同區域。使用新研究中所涉及的技術，能讓醫生有可能更細緻地定位大腦中需要刺激的區域，從而使患有阿爾茨海默病或帕金森病等神經系統疾病的患者得到更準確的診斷和治療。

當然，這是一項還需要進一步完善和改進的技術。研究人員表示，從實驗到真正投入實際應用，還將有一段漫長的路程要走。但是，一旦能真正將這種「錯覺」磁場投入實際，那麼它所能開啟的潛在的應用將遠遠超出想像。