去过日本的朋友一定对贯穿日本全国的日本高铁新干线不陌生，这也是当今世界最先进的高铁系统之一。那么，你知道日本正在建设的“磁浮中央铁路”吗？新干线到底是怎样的？这个项目到底有何独特之处？为何这样的项目连日本国内都备受争议？中国的磁浮技术进步到什么程度了？
第一条中央新干线
2014年9月，连接日本东京与名古屋的“磁浮中央新干线”正式开工建设，这项21世纪的庞大梦幻工程预计于2027年投入运营，路线从东京新川至名古屋，2045年从东京至大阪，全线贯通。
是的，你没看错，日本政府确实制定了长达41年的工程规划，比耗时更让人难以置信的是高达9万亿日元（约合5184亿元人民币）的工程造价。
无论是时间还是费用都如此“奢侈”的中央新干线到底是什么呢？
如图所示，中央新干线的大致路线其实和中央本线、关西本线相同，连接日本三大都市圈：东京都市圈、中京都市圈、京阪神都市圈，从东部东京的新川站出发，向西经过神奈川县，列车将经过名古屋县、神奈川县的相模原市、山梨县的甲府市、长野县的饭田市、岐阜县的中津川市。
在中央新干线的设计中，日本首次将自主研发的超导磁悬浮技术运用到高速铁路上。建成后，中央新干线将成为第一条使用磁悬浮列车的城际铁路线，成为世界上速度最快的运营列车。当然，它也可能是迄今为止世界上造价最高的铁路线。
多快呢？超导磁悬浮技术将使中央新干线时速提高到500公里，约为日本目前新干线子弹头列车时速的两倍。从现在的东海道新干线到名古屋，品川到名古屋的最短旅行时间将缩短。从品川到大阪的旅行时间将从1小时28分缩短到49分，从品川到大阪的旅行时间将从2小时18分缩短到1小时7分。
超导磁悬浮技术发挥不可或缺的作用
作为中央新干线引以为傲的核心技术物理学家奥森，超导磁悬浮技术简单来说就是利用列车上超导电磁铁形成的磁场与轨道上线圈形成的磁场产生的排斥力，使列车车体悬浮在轨道上，列车距轨道10厘米高，因此运行时列车阻力大大减小，沿轨道“飞行”的速度可达每小时500公里。
还是有点困惑？我们先来了解一下超导体。
1911年，荷兰莱顿大学的海克·昂内斯偶然发现，当汞被冷却到-268.98℃时，其电阻突然消失。他后来发现，许多金属和合金都具有相同的性质，这种与汞类似在低温下失去电阻的特性就是超导体的零电阻效应，由于它的特殊导电性，卡末林-昂内斯称之为超导状态，这一发现使他获得了1913年的诺贝尔奖。
此后，科学家通过实验不断刷新超导的临界温度，高温超导体发现后更是取得了重大突破，在液氮温度区间（零下196度以上）就能出现超导状态，而且超导悬浮装置更加简单，成本也大大降低，超导技术得以大规模应用。
Onnes，荷兰莱顿大学物理学家
1933年，德国物理学家迈斯纳（W.）和奥森菲尔德（R.）对锡单晶球超导体的磁场分布进行了测量，发现当金属在小磁场中冷却到超导状态时，其磁力线一下子被排出，不能穿过本体。也就是说，当超导体处于超导状态时，本体内部的磁场始终等于零。这种效应被称为“迈斯纳效应”（完全反磁效应），这是超导体的另一个基本特征。
后续实验也证明，不管导体先冷却再加磁场，还是先加磁场再冷却，只要进入超导状态，超导体就会把磁通量全部驱逐出体外。
完全抗磁性是超导体磁悬浮的物理基础。我们来看这样一个实验：在一块浅浅的锡板中放入一块小而强的永久磁铁，然后降低温度，使锡板超导。这时可以看到小磁铁浮起来离开锡板表面，最后稳定悬浮在一定高度。这是因为超导体内部“不允许”任何磁场，如果有外界的磁场穿过超导体内部，超导体必然会产生与之相反的磁场，保证内部磁场强度为零。这样就形成了排斥力。
因此，当在超导体正下方放置一块磁铁，磁通线垂直穿过超导体时，超导体就会获得一个垂直浮力，当这个浮力的大小恰好等于超导体的重力时，超导体就能飘浮在空中。
日本中央新干线采用低温超导磁悬浮原理，利用安装在列车车轮旁的小型超导磁体，当列车前进时，超导材料在轨道上产生强磁场，并与安装在轨道两侧的磁场铝环相互作用，产生向上的浮力，从而消除车轮与轨道之间的摩擦。
安装超导线圈的车轮和轨道的顶视图
日本制造磁浮列车所采用的超导材料，是将超细铌钛合金多芯线埋入铜母线制成的超导导线，当这种超导导线浸入液氦（-269℃）时，进入超导状态，产生强磁场。这是世界上首次将超导技术应用在实用运输设备上，实现可实现稳定时速550公里的大功率强磁线圈，电压为22KV。
为了达到低温超导磁悬浮所需的低温，每组车载强磁单元都配备了液氦和液氮压缩制冷机，组成车载超低温制冷系统。列车运行过程中产生的热能和列车自身产生的热能使氦气逐渐气化，又重新冻结成液氦。液氮压缩制冷机的作用是对冷却超导线圈外部绝缘板的液氮制冷剂进行再冷却，使其维持-196℃的低温液氮状态。
低温超导需要复杂的低温系统，但与普通磁悬浮相比具有以下优点：
※悬挂间隙较大，一般大于100mm；
※速度高，可达500km/h以上；
※可同时实现悬浮、导向、推进；
※直线同步电机效率高达70%-80%；
※低能耗客货运输；
※永久电流操作不需要机载电源系统，重量更轻，功耗更低。
值得一提的是，该项日本技术于2015年4月21日在山梨县磁浮试验线创造了时速603公里的载人地面轨道交通世界新纪录。
一个有争议的项目
为了通过超导磁悬浮技术的发展谋求国民经济的均衡发展并带动相关产业的发展，日本于1962年开始了直线电机驱动的悬浮列车的初步研发。日本旅客铁道公司（JR东海）为此倾注了全部心血，联合100多家公司进行了数十年的精心研究。
JR东日本运行路线图
随着1999年2月10日，随着日本山梨县时速500公里、载客270人的5车组运行试验的成功，日本超导磁浮列车基本研制计划已接近完成，将转入商业运营线路开发建设阶段。
2014年4月12日，安倍晋三乘坐磁浮列车前往山梨县实验中心。
诚然，超导磁浮高速列车肯定是一项重大技术突破，必将为日本带来多项世界第一。然而，许多人仍对这一项目的目的、市场需求、技术安全性等提出质疑。
人们怀疑是否真的有必要建设中央新干线。由于日本人口正在快速老龄化，人口正在减少，预计磁浮列车投入使用时，可能会出现载客量不足的问题。另外，也有人担心，如果日本首都、中部和关西地区完全一体化，大量需求将集中在东京，降低名古屋、大阪等地方中心城市的作用。
中央新干线缺乏换乘站，耗电量大也是一大问题。磁浮列车所需电力是东海道新干线的3倍，高峰时段整个中央新干线需用电27万千瓦。如果磁浮列车投入运营，日本将需要增加3、4座核电站才能满足需求。如此巨大的耗电量，对目前的日本来说，是一个相当可怕的前景。
中国高铁仍是强劲竞争对手
近年来，在世界范围内全速前进的中国高铁，采用的是轮轨技术。在进行高铁建设可行性论证和相关技术研究时，也存在着磁悬浮与轮轨技术路线的竞争。技术原因主要有两点：
第一，我国轮轨试验速度已突破574.8公里每小时，运营速度也可突破350公里每小时，中国南车制造的模型试验速度甚至已达到605公里每小时，大大缩小了与磁浮的速度差距。速度在300公里以上时，对运动物体的阻力90%是空气阻力网校头条，磁浮虽然没有机械阻力，但由于仍需要磁力来使列车悬浮物理学家奥森，因此也需要消耗大量的能源。所以当轮轨技术轻松突破300公里每小时的速度时，磁浮技术的相对优势就不再那么明显了。
第二是经济和技术因素，磁浮线路的建设成本比轮轨线路高很多，更重要的是随着经济社会需求的增加，高铁线路只有形成网络才能发挥出最大作用，线路数量也将成倍增长。
从技术上来说，磁浮换轨的难度非常大，因此磁浮很难接入互联网，常规磁浮技术中，列车是贴在轨道上的，换轨比较困难，超导磁浮运行在U型槽内，换轨就更加困难了。换轨困难还带来另外一个困难，就是增加了救援的难度，这也是一个缺点。
与新型低温超导磁悬浮技术相比，中国高铁依然具有价格低廉、性价比高、运营经验丰富的优势，竞争力有目共睹。
中国从未停止探索磁悬浮
其实，中国对磁浮的探索从未停止，中国正在研制超级磁浮列车，采用真空钢管设计，未来时速可达2000公里，早在2014年，西南交通大学牵引动力国家重点实验室超导技术研究所，中国科学家就成功完成了载人高温超导磁悬浮圆形轨道试验。
不过由于环形轨道半径较小，被限制在6米，导致试验车未能达到预期的25公里/分钟的速度。不过必须要提到的是，温度和日本中央新干线采用的-269摄氏度不同，高温超导磁悬浮技术采用的是零下196摄氏度的液氮，以保证超导材料的性能。要知道氦气是稀有气体，在空气中只占1/52000，而空气中70%都是氮气，所以高温超导体的成本至少比低温超导体便宜50倍。
除了成本之外，高温超导磁悬浮是自然界中唯一能够实现被动稳定悬浮的技术：与低温超导磁悬浮不同，它不需要复杂的悬浮和控制制导，在车辆静止时也能悬浮，这方面的表现也非常值得期待。
不管怎样，我们总是乐于看到人类科技的进步与创新，中央新干线的优缺点、成功与失败，或许只有时间才能给出明确的答案。
出品：科普中国
制作：可乐格普益
制作方：中国科学院计算机网络信息中心
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