Az ember már gyerekkorában feltérképezi a gravitáció mûködését, és többnyire arra jut, hogy az mindig vonzó hatású, a kövek a föld felé esnek, az Eötvös-inga a tömegek felé lendül. Késõbb a fizikusok megerõsítik ebben a hitében. Hát akkor gyõzzük le a gravitációt valamilyen más távolható erõvel! Kézenfekvõ megoldásnak tûnik, hogy mágnesekkel próbálkozzunk. Az ember már gyerekkorában jól eljátszik az iskolában vagy otthon talált mágnesekkel, és látja, hogy egyik végükkel taszítják egymást, másikkal vonzzák. Mi sem tûnik egyszerûbbnek tehát, mint jó sok, megfelelõen elhelyezett mágnessel levegõbe taszítani egy másikat. Egy szabadsági fok mellett mûködik is a dolog: ha mondjuk egy vékony kémcsõbe belepottyantunk két kerek, éppen beleférõ mágnest úgy, hogy azonos pólussal nézzenek egymás felé, akkor a két mágnes nem ér össze, legalábbis ha a fellépõ taszítás elég erõs, hogy legyõzze a mágnes súlyát. A látvány azonban nem elég impresszív, ezért tovább kísérletezünk a csõ nélkül, három dimenzióban, de azt tapasztaljuk, hiába próbálkozunk bármilyen ravasz elrendezéssel, sosem tudjuk egyensúlyba hozni a lebegõ mágnest, az mindig félremozdul és leesik, vagy még inkább megpördül, és az ellentétes pólusával a többihez tapad. Nagyon frusztráló, azt hiszem, elõbb-utóbb mindenki feladja. Pláne ha megtudja, hogy Samuel Earnshaw már a XIX. században bebizonyította: rögzített állandó mágnesek semmilyen konfigurációjával nem érhetõ el, hogy terükben stabil egyensúlyi helyzetben lebegjen egy másik mágnes. Kész, nincs tovább.

Illetve mégis, mert bár a tétel az tétel, de érvényességi körét megkerülhetjük. A leggyakrabban alkalmazott trükk a visszacsatolás: egy számítógép vagy valamilyen ravasz elektronika figyeli, merre kezd mozdulni a levitáló tárgy, és az arra ható elektromágnesek erõsségét mindig úgy változtatja, hogy megakadályozza a lepottyanást. De az elektromágnesek helyére képzelhetünk mozgatható állandó mágneseket is. Mivel nem fix mágnesekrõl van szó, ezért ezekre az esetekre Earnshaw tétele nem vonatkozik, tehát nem vagyunk varázslók. És valóban, például a kínai olimpiára épülõ, Siemens által gyártott mágneses vonatot is így tartják lebegésben (méghozzá elég precízen, 10 ± 2 milliméterrel a pálya felett). De lehet kapni egyszerû játékokat is, amik ezen az elven alapulnak, például lebegõ földgömböket.

Egy másik eset, ahol nem érvényes Earnshaw tétele, ha a lebegtetni kívánt mágnes forog. Él ugyanis Amerika egy eldugott szegletében egy Roy Harrigan nevû feltaláló, akinek hiába magyarázták, hogy lehetetlennel próbálkozik. Évekig tartó kísérletezés után az általa készített mágneses pörgettyût sikerült megfelelõ sebességgel megpörgetni, és láss csodát: az lebegni kezdett a statikus mágnesek terében. Harrigan azonban a meg nem értett, szerencsétlen, bogaras feltalálók közé tartozott. Bár hosszú évek után 1983-ban bejegyezték szabadalmát, rossz tapasztalatai miatt senkiben sem bízott, aki üzletet ajánlott neki. Reklám hiányában észrevétlen maradt a szabadalom. Ha néhány kutató vagy mérnök találkozott is vele, könnyen lehet, hogy mûködésképtelennek tartották - nem ez lett volna az elsõ értelmetlen szerkezetre bejegyzett szabadalom.

Levitron

Mégis rábukkant valaki 1993-ban, egy Bill Hones nevû vállalkozó, aki maga is évek óta próbált mágneseket levitálni. Hones megkereste Harrigant, azonban nem sikerült üzletet kötniük. Azért elkérte a prototípust, amelyre néhány apró módosítás után saját szabadalmi bejegyzést kapott. Azóta saját találmányaként forgalmazza a mágneses pörgettyût, a "levitront". Ha megvesszük a játékot, a mindössze néhány centis pörgettyû és a talapzat mellett a csomagban egy csomó apró kis súlyt is találunk. Ezzel tudjuk módosítani a levitron tömegét, amire akkor van szükség, ha például megváltozik a hõmérséklet pár fokkal. Ha jól állítjuk be, akkor is csak egy nagyon kis, pár köbcentis térfogat lesz a talapzat fölött, ahol (némi gyakorlás után) kezünkkel megfelelõen megpörgetve lebegésbe tudjuk hozni. Ha ügyesek vagyunk, néhány percig marad a levegõben, de végül, ahogy a légellenállás hatására percenként ezer alá csökken a fordulatszám, eltûnik az egyensúlyi helyzet, és lepottyan. Mióta kapható, foglalkozott vele néhány fizikus, úgyhogy már ismert a levitron nem is olyan egyszerû elmélete. Lényege, hogy - akár a kémcsõ esetében - a talapzat és a levitron azonos pólussal néz egymás felé, a forgás pedig - akárcsak egy hagyományos pörgettyûnél - megakadályozza, hogy a levitron fejre álljon, és ellentétes pólusát magához rántsa a lenti mágnes. De kiderült, hogy a stabilitáshoz a picit megdõlt tengely precessziója is szükséges. Gyorsabb forgáshoz lassabb precesszió tartozik, ezért 2000 feletti fordulatszámon ugyancsak röpképtelen az eszköz. Egyszóval olyan érzékeny, hogy csak játéknak jó - igaz, annak nem rossz, elég különös, hihetetlen érzés ugyanis látni a lebegõ tárgyat, és végighúzni a kezünket alatta, az agy szinte el sem akarja hinni. Érdekesség viszont, hogy manapság a fizikusok használnak hasonló elven mûködõ részecskecsapdákat, amik pörgettyûk helyett mágneses momentummal rendelkezõ részecskéket tartanak fogva.

Egy harmadik eset, amire nem érvényes az Earnshaw-tétel, ha diamágneses anyagokat használunk. Jó, de mik azok? A hétköznapi életben legfeljebb kétfelé szoktuk osztani az anyagokat mágneses szempontból: mágneses vagy nem az. Pedig összetételük és szerkezetük miatt rengeteg féle módon tudnak viselkedni. A három legegyszerûbb típus a dia-, a para- és a ferromágneses anyagoké. Számos olyan anyag van, amelyekben az õket felépítõ atomok eredendõen kicsiny mágnestûként viselkednek. Ha azonban az atomok teljesen rendezetlenül, véletlenszerû irányban helyezkednek el, akkor ezek hatása semlegesíti egymást, és kívülrõl nem észlelünk semmit. Viszont ha külsõ mágneses térbe helyezzük az anyagot, akkor az - akár a rúdmágnesek, vagy ahogy az iránytûk a Föld mágneses vonalai mentén - az atomokat úgy igyekszik forgatni, hogy vele párhuzamos legyen a terük, és ahogy így beállnak párhuzamosan, erõsíteni fogják a külsõ teret. A folyamat persze függ a hõmérséklettõl: minél melegebb van, az atomok annál jobban izegnek-mozognak, nem fognak teljesen engedelmeskedni a külsõ hatásnak. Az így viselkedõ anyagok a paramágnesek. Ilyen például a króm, a platina vagy az oxigén. Hogyha (bizonyos hõmérséklet alatt) külsõ tér nélkül is rendezõdnek, vagy legalábbis amikor kikapcsoljuk, akkor is úgy maradnak az atomok, ferromágnesrõl beszélünk. A vason kívül ilyen például a nikkel és a kobalt is. Különféle ötvözetekbõl a megszokottnál sokkalta erõsebb állandó mágnesek is készülnek, párszáz vagy -ezer forintért bárki szerezhet néhányat, hogy aztán néhány ártatlan tréfát kövessen el velük, mint például étteremben az asztal alatt húzogatva az evõeszközök megtáncoltatása (figyeljük meg a pincérek arcát :)).

Nem kell meditálni

Vannak mágnesesen semleges molekulákból vagy atomokból álló anyagok is. Ha ezekhez közelítünk egy mágnest, akkor módosulni fognak az atomok elektronpályái, a megváltozott pályájú elektronok árama pedig mágneses teret kelt, méghozzá éppen ellenkezõ irányút, kis mértékben lerontva azt. Ezek a diamágneses anyagok, amelyek tehát éppen fordítva mûködnek, mint a paramágnesek. Valójában ez az effektus minden anyagban hat, csak észrevehetetlenül gyenge. Még a legerõsebb diamágnesek - a bizmut vagy a pirolitikus grafit - is sok nagyságrenddel gyengébbek, mint a "hagyományos" mágnesek.

Kivételek a szupravezetõ anyagok. Ezek - más érdekes tulajdonságaik mellett - "tökéletes" diamágnesek, amelyek teljesen kiszorítják magukból a mágneses teret. Ezt kihasználva szintén elérhetõ a stabil levitáció. A képen látható szumóbirkózó egy mágneses lapon áll, amely az alatta levõ (letakart) szupravezetõ felett lebeg. Ezt, bár nem látszik a képen, a lepel alatt folyékony nitrogénnel hûtik, ugyanis a különleges tulajdonság csak kb. mínusz 200 fok alatt jelentkezik. Ezért kutatnak régóta olyan ötvözetek után, amelyek szobahõmérsékleten is szupravezetõk.

Lebegõ béka

A diamágneses levitáció az egyetlen, ahol nincsen veszteség, energiabefektetés nélkül is végtelen ideig fennálhat a lebegõ állapot, persze csak ha eltekintünk a hûtésre fordított energiától. No de használhatunk hagyományos diamágneses anyagokat is! Nos, a víz is ilyen, és az élõlények, mint tudjuk, jelentõs részben vízbõl állnak. Az imént, a szupravezetõknél használtnál százszor erõsebb, 10 Tesla erõsségû, inhomogén mágneses térben már sikerült vízcseppeket, de gyümölcsöket, sõt állatokat (pl. békát) is súlytalan állapotba hozni.

Ha nincs saját laboratóriumunk, egy másik, otthon is könnyen összerakható konfiguráció, a "diamágnesesen stabilizált levitáció". Itt erõs állandó mágnes biztosítja az emelõerõt, a lebegtetni kívánt mágneshez közel pedig, alatta és fölötte egy-egy vékony diamágneses lapka van, amelyek taszító hatása (bármely pólusra) stabil egyensúlyt eredményez. A www.scitoys.com címen részletesen leírják, hogyan barkácsolhatunk otthon magunk is ilyen és hasonló kísérleteket. Persze egy igazi fizikus az ujját használja diamágnesnek. :-)

És hogy mire jó mindez? Mágneses lebegtetésû vonatokon kívül is elképzelhetõ hasznos alkalmazás. Egyik ilyen a mágneses csapágy. Ezekben a hagyományos csapágyakkal szemben nincsenek érintkezõ felszínek, amik így nem is kopnak el, és élettartamuk szinte korlátlan - ráadásul a súrlódás hiánya miatt az energiaveszteség is minimális. Ezzel az energiatárolás egy szokatlan formája, a lendkerék is egyre piacképessebbé fog válni. A vákuumban lebegõ felpörgetett lendkerék napokig, hónapokig tárolhatja az energiát forgási energia formájában, ugyanakkor szükség esetén sokkal gyorsabban kinyerhetõ belõle, mint különféle kémiai telepekbõl, akkumulátorokból - mindez nagyobb élettartam és végtelen újratölthetõség mellett, bármiféle környezetszennyezés nélkül! Ráadásul egységnyi tömegre sokkal több energia jut, egyedül az anyag szakítószilárdsága szab határt a sebességnek. Például 20 cm átmérõjû kompozit mûanyag lendkerékkel százezer feletti fordulatszámot értek el.

Biztos sok egyéb praktikus alkalmazása képzelhetõ még el a levitációnak, de ezt már rátok bízom, sok sikert és jó feltalálást!