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当超级英雄遇到物理学
王明轩/文
1935年,美国DC漫画公司成立,3年后在自己出版的杂志《动作漫画》上创造出一个穿着蓝色紧身衣、披着红披风的人.他就是超人——Superman,世界上第一位超级英雄.紧接着,DC又创造出了另一位超级英雄——蝙蝠侠.随后在1939年,另一家漫画巨头——漫威漫画公司也在一片惊叹声中成立,并首次亮相它的作品：人类与鱼类的结合体“海王子纳摩”和科学实验英雄“火焰人”,然后就是著名的超级英雄之一 ——美国队长.
当时,第一台可编程计算机才刚刚发明出来,人类还不知道DNA的结构,而手机这种现在随身携带的交流工具,仍然有几十年的光景才会出现.但自那时起,科学技术似乎开始逐渐赶上了漫画故事里的技术,那么,是不是漫画中所有的超能力都已经掌握在人类的手中了呢？
接下来,我们要探索关于超级英雄的科学,并找出其中的物理定律.探究我们最喜欢的超级英雄人物,到底能不能“真正地”使用他们的超能力.
蝙蝠侠并不是超人类,并非刀不入,他依靠的是艰苦训练而得来的力量和智慧,以及更重要的高科技武器装备.今天,我们其实已经掌握了许多类似于蝙蝠侠的装备.
以他的摩托车为例,摩托车是蝙蝠侠的重要工具,它有一个隐身模式,使它可以从人们的视野中消失.相比之下,英国航天航空系统公司已经开发一种被称为自适应伪装的材料制作而成的“隐身斗篷”,按一下按钮就能让“身披斗篷”的坦克从夜视镜中消失,即使热寻导弹的传感器也发现不了坦克的存在.
这种“隐形斗篷”的高科技材料由一种六边形金属板组成,金属板的温度能够快速变化.一辆小型坦克大概需要1000块这种六边形金属板,每块边长14厘米.当坦克中系统扫描设备“读取”附近的建筑和地形时,会复制出它们的热量图.坦克身披的斗篷会模仿这些热量,由此制造出与环境融为一体的红外影像,迷惑敌方侦察设备.该系统还可以模拟汽车、奶牛等物体的外表.
漫画故事里蝙蝠侠的盔甲来自于韦恩公司应用科技部门研制的“高级单兵生存服”,能够抵挡利刃和的正面攻击.现实中,一种我们广泛用于军事和高科技运动产品的合成材料——凯芙拉合成纤维制成的防弹背心,能保护军事和执法人员的生命.当一颗打在背心上,高速的试图穿过纤维层,但事实上,它并不能把纤维推开,因为这种合成纤维紧密编织在一起,纤维会通过小幅度的拉伸吸收的能量,将卡在背心里面.
此外,美国空军为突击士兵研制出了叫做“战场空中引导人工协助认知”（Battlefield Air Targeting Man-Aided Knowledge）的装备,简称正好是BATMAN（蝙蝠侠）.蝙蝠侠装备可以帮助士兵减轻负担,使行动更加灵活.士兵的胸口附近有个微型电脑,可以告诉士兵所在的位置, 并能提供行动战略指引.如果装备没电了,那么士兵可拿出装在腰带上“蝙蝠钩”,把它甩到电力线上,就能获得电能.这种创新的可穿戴设备使得士兵更像蝙蝠侠了.
超人的力量
理论上,超人的能力是可以实现的.
超人出生在氪星,该星球的引力比地球大,导致的结果是超人的骨骼和肌肉在遗传上就能承受更大的引力.
举个例子,当宇航员们去到月球上,他们可以用很小的力气举起重物,或者很轻松就能跳跃好几米高.这种情况也就是超人在地球上的生活经历.地球对他来说,是一个相对低的引力环境,与我们在月球上的情景应该是一样的.
然而,我们知道,太空旅行会对人体造成了损害.宇航员经常会遭受血流量问题,因为长期以来,人体的血液循环系统已经适应了地球的重力环境,以地球引力为“血泵”,促进血液正常循环.太空的引力比地球上要低,因此,血流量输出在太空中也会减少.此外,由于肌肉和骨骼未得到充分利用,它们将会退化萎缩.
即使超人的身体没有出现问题,仍有几个现象是科学目前不能解释的：婴儿时期的超人,被父母单独放进太空船送到了地球,此时超人若能够操纵这种时空结构,他确实能够在半空中改变方向,转移,并穿越时间来旅行.
想从氪星到达地球,必须走得比光速还快,而目前还未发现任何物质的运动速度能超过光速；他能将头顶上大型物体举起,而物体的边缘却没有摇摇欲坠,一下子就能平衡；以及打到他的胸口后,会被反弹……
在最新的超人电影中,暗示着超人真正的超级力量实际上是在控制引力.根据爱因斯坦的理论,引力实际上是时空结构扭曲的结果.从理论上讲,如果超人能够操纵这种时空结构,他确实能够在半空中改变方向,转移,并穿越时间来旅行.
酝酿一场风暴
漫威旗下的超级英雄“暴风女”能控制化学元素,然后按照自己的意愿,随意从自己身体里释放和投射闪电.更厉害的是,“暴风女”天生就能感应气象能量的形态,利用心念来操纵天气,控制雷电,制造暴风雪.
在自然环境中,通常是暴风云（积雨云）产生电荷,上层为正电,下层为负电,而且还在地面产生正电荷,如影随形地跟着云移动.当暴风云下层的负电与地面的正电相互吸引时,就产生了电流,这就是我们看到的闪电.
如果现实生活中有人能有“暴风女”一样的能力,那么一次闪电就会产生大约1000万千瓦的能量,这足以供应50多座大楼使用一整天了.
闪电般快速
以光速奔跑,闪电侠能不能活下来？
闪电侠是拥有超级速度的一族,这些飞毛腿能超越光速（第三代闪电侠沃利曾经达到过光速的13万亿倍）,逆转时空,也能够穿透物体,甚至穿越平行世界之间的屏障.
但是在宇宙中,如果移动速度达到或超过光速,就暗示着是在挑战物理学了.我们假设闪电侠的速度接近光速,那么……
首先他要面临的挑战是高温.闪电侠穿过大气层,他将与气体、尘埃粒子等物质相互碰撞.在如此快的速度下,他面前的空气会被压缩,因为空气没有足够的时间逃离闪电侠要经过的路线.无论是摩擦还是空气压缩,即使以相对较低的速度移动,都会产生热量.举个例子,“联盟号”飞船以约230米/秒的速度进入地球大气层表面时（不到光速的130万分之一）,周围的温度就达到了炽热的1650摄氏度.面对高温的大气层,闪电侠还能幸存吗？
第二个挑战是如何快速反应.人类最快的神经,能以100米/秒的速度传输信号,但是对于一个以近光速飞行的人,在他大脑反应过来或者做出简单动作之前,身体可能已经移动了数千千米了.
那么他是怎么做到的呢？漫画中闪电侠利用了“深速力”来加速,这也赋予了这位超级英雄的很多能力,其中包括提高耐力、感知、快速愈合和减速老化等能力.但是,也许闪电侠具有操纵时间的超能力更为合理一些.
磁力之王
万磁王是漫威旗下的一个变种人,是超级反派,X战警的头号死敌.他具有控制电磁场的神奇能力,不仅仅会操纵铁制品,他还会漂浮、读心术和控制技术.
通过控制磁场,万磁王很轻易就将金属物体提到半空中,有时甚至连有机生命体也有可能被拎起来.而这些在现实中也有体现.比如磁悬浮列车就是一种靠磁悬浮力（即磁的吸力和斥力）来推动的列车,由其轨道的磁力使之悬浮在空中,让磁铁对抗地心引力,然后利用电磁力引导,推动列车前行.
此外,水分子具有抗磁性.在磁场作用下,水分子发生反向磁化,与磁铁不是相互吸引,而是互相排斥.但是一旦磁场消失,这些作用也马上消失,磁场不会残留在水中,水分子的性质不会发生改变.不过水的抗磁性是很弱的,但如果有足够强的磁铁,就可以利用这个属性.现在在实验室中,可以借此悬浮起一只青蛙.
来自蜘蛛的能力
蜘蛛侠的武器灵感来自于现实中承受力甚于钢铁的蜘蛛丝
蜘蛛侠武器——蜘蛛丝,看起来细腻精致柔弱.然而,真实的蜘蛛丝不仅非常强韧,其承受力甚至胜过钢铁.它可以伸展比原来的长度还长30%,能承受拉力相当于其5倍厚度的钢丝.
据估计,如果蜘蛛侠射出一股与铅笔厚度相同的蜘蛛丝,就能拉住一架飞行中的波音747喷气式飞机,使飞机停滞不前.
真正的蜘蛛丝有几种不同的类型,每一种都有各自不同的用途,包括蜘蛛丝之间的相互连接,悬挂作用的非粘性“牵引丝”,包裹其他动物的缠丝等等.生物学家已经成功利用基因工程,将一些蜘蛛丝基因转移到山羊身体里,从而使山羊的羊奶中产生丝蛋白.
不过,蜘蛛侠彼得·帕克并不是通过基因工程这样的方法来获得自己的超能力,而是在意外地被一只受过放射性感染的蜘蛛咬伤后,才获得了蜘蛛一般的超能力,比如超强的力量与敏捷性、能黏附在大部分表面上的能力、可以对危险快速做出反应的蜘蛛感应等.从此,彼得·帕克化身守卫纽约的蜘蛛侠.
他自己发明的手腕式“蛛网发射器”,能射出人造蜘蛛丝,是一种弹性尼龙类聚合物.与真正的蜘蛛一样,蜘蛛侠的蜘蛛丝不是已经提前预备好的丝线,而是一种液体,当他需要蜘蛛丝的帮忙时,就将这液体发射出来,形成自己的战斗大帮手.
然而,两者还是有一个关键的区别.真正的蜘蛛在生产蜘蛛丝时,需要拉扯,线才能出来,无论是通过蜘蛛下降时本身的重量,还是通过风的作用（当蜘蛛造网时,如果丝线跨越距离较大,要靠风力作用）.而蜘蛛侠自己就能从身上发射出蜘蛛丝,而且能往任意方向发射.
侠客的动力装甲
增强士兵力量的军事外骨骼
钢铁侠的动力装甲赋予他超人力量、超人耐力、飞行能力和许多武器.现在,一些外骨骼装备也具有了与钢铁侠装甲相似的超级力量.2010年,美国雷神公司展示了自行研制的外骨骼装备,即“第二代外骨骼装备”（XOS2）,并强调这种装备与《钢铁侠》系列电影中的钢铁盔甲能力相似.
XOS2是一种实验性军事外骨骼,使佩戴者能够举起超过自身体重的物体,这些重量将主要由外骨骼装备承担,确保了人们的身体不会因为受到重压而行动迟缓或者疲累.它通过液压、关节、传感器和电机,控制一个加强版的钢和铝框架,由燃料电池或内燃机产生驱动力.当然,这些设备都不足以与钢铁侠中真正高科技设备——方舟反应炉——相比,正是它产生能量,使动力装甲能被自由操控.
现实生活中,与方舟反应炉最相近的是一种实验性的聚变反应堆,叫做托卡马克,它最先是在冷战时期由苏联发明的.托卡马克的是一个环形的真空室,外面缠绕着线圈.在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场,将其中的等离子体加热到很高的温度,以达到核聚变,释放能量,可与太阳能相当.但到目前为止,人类还无法有效控制和运用托卡马克的能量.
超级小却超级强
现实中的希格斯玻是否就像“ 皮姆粒子”？
漫画中,科学家汉克·皮姆博士发现了一种可以改变物体大小的亚原子粒子,并用自己的名字将其命名为“皮姆粒子”,后将其融合于战斗服中,从而使自己拥有身体自由变化大小,以及能与所有种类蚂蚁沟通的能力,此后化身蚁人从事超级英雄活动.
你是不是觉得这种能力像天方夜谭,不可能实现？确实,这在目前是不可能实现的.但在现实世界中,有一些物质却与“皮姆粒子”有相似之处.2012年,瑞士的科学家宣布他们发现了希格斯玻.这是一种基本粒子,被认为是希格斯场存在的证据,希格斯场是无处不在的,并负责给其他粒子以质量.
但是,我们还不能操纵希格斯场来改变亚原子粒子的质量,而且希格斯场也不影响粒子的大小.
超级英雄的超级材料
在漫画书中,超级英雄的装备的性能常常令人惊叹,现实生活中有没有类似的原材料呢？
URU
这种金属矿物只存在于仙境——北欧众神之家.它可以承受极端的力量和温度,能将自己神奇的魔力传送给新主人.妙尔尼尔,即雷神之锤,就是使用URU在一颗垂死之星的锻造而成的.虽然URU的性能听起来很不靠谱,但有些现实的“故事”与它的出身确实有一些相似之处.比如,在恒星中心的核反应器内,原子核彼此熔合,通过聚变形成具有不同性质的重元素.自然界中的金属元素都是在这些恒星里锻造出的,或在大质量恒星死亡时的剧烈爆炸中产生的.
氪石
氪石是超人世界里具有放射性的矿石,其中含有氪这种化学元素,超人若是接近此元素,就会丧失超能力.虽然地球上真正的元素中,也有以“氪”为名的,但超人世界里的氪与现实中的氪没有任何关系.
现实中,氪气——是一种无色无味的惰性气体,注入氪气的电灯泡是很光亮的白色光源,常用于制作荧光灯.而在电影《超人归来》的描述中,氪石的化学成分是氟钠锂硼硅酸盐.不过,令人难以置信的是,在2007年,科学家报告说,他们发现了一种化学结构与氪石类似的化合物,叫做贾达尔石.与氪石成分不同的是,贾达尔石不含氟,没有放射性,而且只是白色粉末.当暴露于紫外线下,它会变成桔红色.
振金
振金是一种能吸收所有振动的虚构金属,比钢更轻.它能完全分散被打击时传入的能量,使它几乎坚不可摧.在漫画中,斯塔克工业首先在非洲发现了振金,并用来制作成了美国队长的盾牌.
吸收金属振动的能力与结构特性有关,即粘弹性.弹性材料（如橡胶）在被施加一个力后,会返回到原来的形状；而粘性材料（如蜂蜜）则抵制流动.当两者结合起来,这两者的特性使得材料能将振动能量耗散为热能,从而使它们能吸收冲击.在现实中,金属、高分子材料聚和陶制品可用于制作减振物体,有些研究者声称他们研发的减振器能吸收95%传入的冲击能量,但还是没有振金令人印象深刻.
艾德曼金属
在漫威漫画中,艾德曼金属是宇宙中最坚硬的金属之一,足够多的艾德曼金属能在核爆炸中毫发无损.它具体的组成成分是绝对机密,我们仅能获知它是一种密度极高的人造铁基合金.艾德曼金属有很多用途,其中最著名的是金刚狼超强的骨架和爪子,金属能直接与骨头连接.
在现实医学中,已经有金属与骨结合的技术了.其中最常用的金属是钛,因为它耐腐蚀,同时也不干扰人体细胞的正常运作.充分考虑金属的机械性能、形状和表面粗糙度后,医生就可以把钛植入物和活骨真正地结合起来.
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