超级英雄物理学 内容简介

所有喜欢物理又害怕数学的人，这本《超级英雄物理学》是我们的福音！
在《超级英雄物理学》中，我们将与作者一同探讨，如果漫画中的超级英雄们生活在现实中，那么：
超人需要多强壮才能一跃而起到屋顶？蜘蛛侠的女友格温·史黛西死于高空坠落还是蜘蛛侠救她的蛛网？x-man里面的风暴女是否真的能控制气象？闪电侠要吃多少汉堡才能跑得比声音还快？超人手中的高楼是否能两地移动仍完整无缺？原子侠能乘坐着电话线中的电子到达电话的另一端吗？探索这些问题答案的过程，就能让你了解动力学、动力学、能量守恒、热力学、电磁学、量子力学和固体物理学，这就是神奇的超级英雄物理学！

超级英雄物理学 本书特色

《超级英雄物理学:和超人、蜘蛛侠一起学物理》编辑推荐：美国权威科学杂志《科学》（Science）和英国著名科学杂志《自然》（Nature）倾力推荐。探索频道2005年度 科学图书“和超人、蜘蛛侠一起学物理”，从万有引力到牛顿运动定律，再到量子力学。

超级英雄物理学 目录

超级英雄物理学 节选

在本书一开始，我们讨论了根据牛顿的运动学法则，超人是如何一下子跳上高高的建筑物，*后又谈论了幻影猫穿越固体墙壁的量子力学隧道以及钢铁侠的晶体管化装甲。我们一路讲述了许多在大学本科的基础物理课程中的许多重大主题，从我们在普通物理中提出的首个话题（例如牛顿的运动学法则和能量守恒定律）到高等物质（量子力学和固态物理）。然而，要是你现在还深深地相信在超级英雄漫画中的一切都绝对是完全遵循物理定律的话，那就说明我的功课还做得不够。因此，我想要总结一下，谈论一些漫画中无论是建立在多么神奇的特例的基础上也的的确确违背了物理规律的非常稀少而罕见的例子。
把那幢楼放下来！
正如本书一开始所讲的那样，在漫画的黄金时代初期，超人是因为其母星氪星的重力要比地球大得多才得到了非常强大的力量。根据他可以在地球上一跃跳上高高的建筑物，我们在**章中计算了在氪星上的重力加速度必定要比地球上至少大15倍。因此，超人其实并不是由金属组成的，而是具有能够适应更强的重力环境的肌肉和骨架。想象一下，你把一整桶一加仑的牛奶举起来，它的重量接近9镑。如果你想要体验一下在一个重力为地球的15倍的星球上的生活，你只要把桶中一加仑的牛奶倒掉，然后只倒入不到半品脱（约合1/16加仑）的牛奶。和举起一整加仑的牛奶相比，你就会发现，举起只装入了半品脱牛奶的相同容器要轻松多了。在《动作漫画》第1期中，超人能够将重量大约3000镑的汽车举过头顶的原因与此类似。对超人（习惯了氪星更大的重力）而言，3000镑的重量就类似于我们将200镑重的物体举过头顶一样。
我们之前注意到，随着人气的上升，超人已经从一个名不见经传的英雄，转变成了一个价值数百万美元的市场帝国中的明星。超人所面临的威胁越发地极端，而他的同伴们的超级力量也变得越来越强大。超人的力量水平对应于幻想水平的上升而上升，不久以后他就能举起坦克、卡车、机车、远洋轮船、大型喷气式客机以及高耸入云的办公楼了。与之类似，惊奇漫画的英雄绿巨人也具有难以置信的力量。绿巨人的力量是与他血液中流动的肾上腺素水平紧密相关的，这就是为什么情绪上的压力会激发他从弱小的罗伯特•布鲁斯•班纳摇身一变，成为八英尺高肌肉发达的绿巨人。这种和肾上腺素之间的关系也就解释了为什么绿巨人越疯狂就会变得越强大。他曾在相当愤怒的状态下把一座城堡和一块岩壁举起来并扔了出去，甚至还挡住了一座要把他压扁的大山，以及许多《秘密战争》的短剧中出现的其他惊奇漫画的超级英雄。当里德•理查兹在匆忙之下改造了钢铁侠的装甲，让它和霹雳火的新星火焰、神奇队长的电磁能量连接起来，从而在大山之中炸开一条逃脱通道时，里德故意辱骂和嘲笑绿巨人，他很清楚，他们要想逃生就要依靠狂怒的绿巨人。
*终，超人变得非常强大，正如《世界*佳拍档》第86期中的图38所示，他可以在——一手一幢——擎起两幢高层办公楼的同时飞在空中，仿佛手里举着的是两个比萨饼一样！对这张图仔细研究后，我们可以找到他之所以能够把这两幢大楼从哥谭市中搬到大都会的露天展览会上的原因：它们和城市供水或供电设施并没有任何连接。超人事后的评论和他所展现的力量一样令人震惊：“我获准借来了这两幢你需要的哥谭市的大楼。”因为我完全不知道找谁能够得到口头“批准”，从而把两幢高层建筑借走，所以我根本就没办法对此作任何推断。我怀疑这两幢大楼的监管人都没有权力允许超人把他们的大楼借走。但是，当超人问你他能不能借你的一幢办公楼，空运到另一座城市参与慈善活动的时候，我想你也很难拒绝他吧。你*好还是赶快疏散大楼里的所有工人和员工，然后回答：“好的，超人！”
即便你相信了有人，不管他是来自另一个星球的奇怪访客还是偶然在伽马爆炸的辐射下变异的核科学家，真的力大无穷，可以举起大楼，但这些剧情中还是有一处与物理原理相违背的地方：简单地说，建筑物、远洋轮船以及喷气式飞机并不是为了被举起来而设计的。它们要么是应该保持静止的，例如办公大楼，要么就是基于几个点而支撑起来的，例如飞机在跑道上时下面的三个轮子，或者像战舰这样的东西则同样是依靠它们所排开的水才浮起来的。也就是说，举起办公楼的问题在于，垂直方向上的任何微量偏斜都会导致其重力产生不平衡的扭矩，它会让这幢大楼向着水平方向倾斜得越来越厉害。
像高层楼房或城堡这样的建筑物非常庞大，所以建筑边缘到其质心的距离（在第八章中我们称之为“力臂”）也很长。这些建筑是非常沉重的，所以就会产生很大的重量，让建筑物发生扭转。物体越大，它的边缘到超人或者绿巨人持握的那个点的距离就越大，那么让它发生扭转的扭矩的力臂也就越大。图38中超人所举着的建筑物的扭矩要比钢筋混凝土（在混凝土中插入钢筋来增强它的强度）在断裂之前所能承受的扭矩要大上好几倍呢。在现实情况下，如果你举起一幢楼，空运到别的地方，那么在你身后就会留下一条连续不断的建筑瓦砾的痕迹。等超人飞到哥谭市的慈善活动现场时，他手里拿的就不是两幢结构完整无缺的办公楼了，而是手捧几块废墟残渣。超人在一开始举起两幢大楼的时候该做的并不是请求允许他借走大楼，而是请求原谅，因为他把这两幢楼给毁了。
后来的一些漫画作者们意识到了，无论你的超级力量有多么强大，要举起大楼而不让它在你手中支离破碎是不可能的。在惊奇的《神奇四侠》第249期中，有个代号“角斗士”的超人替身提起巴氏大楼（神奇四侠的总部）底下的一角，将它前后挥舞，但却没有给这幢大楼造成任何物理上的伤害。惊奇世界中*聪明的里德•理查兹立刻就发现角斗士所做的事情是不可能发生的。他建立了一种理论，认为角斗士其实一定具有一种过去不为人所知的“触觉驱物”超级力量，在漫画中，这种力量被定义为使物理接触的对象浮在空中的能力。当然，世界上并没有什么叫做“触觉驱物”的东西，但是这的确减少了大量以奇迹来解释的例外，让这个故事可以进展下去。
如果我们把巨人和红木树作个比较（这可不只是因为他的个性有时候有点木），我们就会发现，树越高，树干就越粗。为了给其上的巨大质量提供支撑，树就需要有一个宽大的底部。在美国独立宣言签署的那个年代，欧拉和拉格朗日这两位数学家证明了，低于某一高度的圆柱是稳定的，并且会因压在其底部之上的物质的重力而被压缩，但是，当超过了某一高度时（其值取决于组成圆柱的物质强度），它就会在弯曲作用下变得不稳定了。只要有一丁点偏离绝对垂直中心的扰动，就会造成很大的扭转力，也就是我们在第八章中的杠杆例子中的“扭矩”，会导致圆柱由于其自身重力而弯曲。从原理上讲，巨人可以长得和红木树一样高，但是他的移动能力也必须和红木树一样（假设他在平方/立方法则的高度限制之下——参见第十章）。如果他试图追击或者与超级恶棍战斗的话，就不可避免地会让他的上半身向着他双腿的前方倾斜。这样，他的上半身的重量就会导致他的身体发生扭转，你还来不及喊“斯坦•李”，这个大块头就已经倒在地上了。
同样的命运也不可避免地发生在了超胆侠的早期敌人高跷人的身上。高跷人拥有一种机械化的装甲，带有两条液压腿，当这两条腿完全伸展开来的时候，可以让他在站立时有几层楼高。就如同春天过后一定是夏天一样，超胆侠也一定会用他警棍上的电线将高跷人的双腿缠住，导致他失去平衡，于是这一期的冒险故事就很快落下了帷幕。
蜘蛛侠的对手章鱼博士的行走方式是另一个和质心有关的神秘事件。研究科学家奥托•奥克塔维厄斯运用的是连接在他腰间挽具上的四条机械手臂，他利用这四条手臂操作放射性同位素。一次不可避免的放射性爆炸事故让这副挽具和手臂与奥克塔维厄斯融合在了一起，于是章鱼博士就诞生了。但是这些手臂是非常沉重的，我们经常能看到他用自己的双腿站着，而所有的四只手臂都在他的背后动来动去的！因此，它们应该会产生很大的扭矩，让章鱼博士朝背后倒下去，或者，如果手臂在他前面的话，则会朝前倒下去。蜘蛛侠只要趁他的手臂没有将他自己稳定在地面上的时机朝他扔出一个苹果，就能将他击倒（或者解除他的武装）。
当我们太过认真地用物理学来看待这些故事的时候，很快就能得出那些并不令人满意的解释，这就应该很清楚地说明了为什么很少有人希望物理学教授来创作超级英雄的漫画。
正义联盟将月亮系在了绳子上
在2001年正义联盟的冒险的*后，出现了一场不真实的丰功伟绩（到了这个时候，他们已经把队名中的“美国”两字去掉了，不过讲述他们的冒险的漫画还是使用了JLA的缩写）。在JLA第58期中，我们看到超人、神奇女侠和绿灯侠将月亮拉入了地球的大气圈，以此击败了一群叛变的火星人。也许我应该先回过头来解释一下为什么他们觉得这是一个好主意。
火星人从1955年的《侦探漫画》第225期中进入了DC的世界，在这一期中，一位物理教授试图开发出一种星际通讯设备，却意外地制造出了一种传送光线。他用这种强有力的光线将乔恩•乔恩斯（火星的人类猎手）送上了地球。乔恩*终选择了伪装身份，成为一名与犯罪斗争的超级英雄，也是美国正义联盟早在1960年成立时的成员之一。乔恩•乔恩斯拥有多得让人眼花缭乱的可与超人匹敌的超级力量——包括飞行、超强的力道、刀枪不入、火星呼吸（相当于超人的超级呼吸）、超级听力、火星视力，以及许多超人只有做梦时才拥有的例如心灵感应、隐形和变形的能力。就像超人需要氪气石来制造一些他在一纳秒内解决不了的麻烦一样，这个比超人更强大的火星的人类猎手需要一个更为普遍的阿喀琉斯之踵，才能解释他为什么不嫌麻烦和其他的超级英雄一起组队、建立联盟。于是，漫画就说乔恩和所有的火星人一样怕火。结果，你不需要找一块来自毁灭了的氪星星球的外星陨石，而只需要花一个硬币买一盒火柴就能击败火星的人类猎手了。
在地球被一小支个个都拥有乔恩的超级力量的邪恶火星人的军团攻击时，乔恩•乔恩斯发现自己过去以为他是火星种族里的*后一个幸存者的想法是错误的。而在这一期中，就说明了这一点。正义联盟将邪恶的火星人引到了月球上，在那里没有火星人所惧怕的火。然而，当乔恩•乔恩斯使用他的心灵感应能力分散了这些恶棍的注意力的时候，超人、神奇女侠和绿灯侠使用了一根超大的缆绳将月球拉入了地球的对流层中。一群具有魔法的超级英雄利用他们的神秘力量，避免了月球和地球在强大的重力作用之下发生地质灾难。我们的月球现在得到了易燃的大气层，而邪恶的火星人为了不被烧死，很快就投降了，他们受到了惩罚，被逐入了另一个维度之中（实际上叫做幻域）。即便你将以上所有的情节都当做超级联盟的奇迹例外，但这个故事的发展还是存在一个严重的物理学毛病。
牛顿第二定律，F = ma，告诉我们，如果将一个净力作用在一个重物上，无论这个重物有多大，一定会有一个对应的加速度。到了20世纪90年代末，DC漫画已经公开说明了超人能够举起800万镑的重量。我们作个*夸张的假设，神奇女侠和绿灯侠都在拉动月亮的时候穷尽气力，提供了与之相等的力，那么这三个英雄总共可以提供的力就是240亿镑。由于那些具有魔法的英雄让重力效应失效了，我们可以假设当月球靠近地球的时候并没有得到地球的引力场的帮助（这样可以让计算简便一些）。月球的质量有将近700万亿亿千克。因此，牛顿定律就表明，月球当然会由于这个力而加速，但是运动的变化率将非常非常小。月球的加速度只有50亿分之一英尺/平方秒（在地球表面的重力加速度为32英尺/平方秒），所以要将月球移动很长一段距离的话，需要非常漫长的时间。在这个加速度下，月球从它平常的轨道运动到达我们的大气圈上层所需的时间都超过735年了（大约24万英里）！我们只能得出结论，乔恩•乔恩斯让时间发生了极大的延迟，使得邪恶的火星人在超过7个世纪的时间里都没有意识到发生了什么！
有了天使的翅膀——你就能飞了吗？
在基因突变者团队X战警1963年的原始成员中，有一个叫沃伦•沃辛顿三世的家伙，他的基因突变天赋让他的背上长出了一对宽大且羽翼丰满的翅膀。这支超级英雄团队中的其他成员都不具备飞行的能力，而除了冰人的冰坡以外，天使是唯一一个在受到召唤去和邪恶变种人兄弟会战斗时可以不用走路或者乘公共汽车赶往事发地点的角色。① 其他有翅膀的超级英雄或者恶棍，例如DC漫画的鹰人或者《蜘蛛侠》中的恶棍秃鹫则使用例如鹰人的未知金属这样的“反重力”设备来克服重力。他们把翅膀（鹰人或者鹰女的翅膀是长在背上的，而秃鹫的翅膀则是从他的手臂上长出来的）作为驾驶设备，帮助他们在飞行时控制自己。相反的，X战警的天使则利用他的翅膀作为运动的基本方法。如果你的背后长出了翅膀，那么自然就能合理地认为你可以飞了，但事实的确如此吗？
鸟类和飞机能够脱离重力的强制约束也是利用了相同的物理原理：牛顿第三定律，任何一个力都有一个大小相等、方向相反的力和它对应。我们认为是高速移动的物体产生的压力变化（被称为伯努利效应）让飞机能够飞行，但这是一个普遍的误解。闪电侠在第五章中唤醒了超级速度时将恶人布拉兹拖在他身后，我们从中可以找到这种压力差。像闪电侠这样的高速移动物体必须在运动时推开阻挡他前进的空气，并因此会在他背后留下一片空气密度较低的区域。当空气很快向这片部分真空区域填补进去时，根据和我们在第十二章中所谈论的熵相同的原理，它会将一切物体推入它的运行轨迹中，这就像是在高速运动的汽车或者火车背后会有纸屑飞舞一样。然而，如果翅膀轮廓导致了翅膀上方和下方的风速差，那么飞机就不可能正着飞了，因为伯努利效应所产生的压力差有一个将飞机推向地面的趋势。
在任何情况下，我们总是可以运用牛顿第三定律，它告诉我们力是成对出现的。要给飞机翅膀提供一个向上的等于或者大于飞机重力的力，那么就必须从翅膀上对其下方流过的空气施加一个向下的同样大的力。翅膀下方区域中向下流动的空气会产生向上的推力，将飞机送入无边无际的蓝天之中。当超人跳起来的时候，他向下推动地面，从而产生一个相等而相反的力反过来推动他跳起来。类似地，鸟类扇动着翅膀，将一定量的空气向下推动，翅膀施加在空气上的向下推力对应于空气对于翅膀的向上推力。翼展越大，推动的空气的体积就越大，而相对应的向上推力也就越大。这就是为什么潜水人无法用他脚踝上的小翅膀飞起来的原因。这些娇小的翅膀太小了，无法提供可以抵消潜水人的重力的足够升力。
如果沃伦•沃辛顿三世的体重为150镑（等同于68千克的质量），那么他的翅膀就必须对空气施加至少150镑的向下推力，这样空气对他的翅膀的反作用力就能和他的体重平衡，让他浮在空中。当然，如果他想要加速的话，那么他的翅膀就要提供超过150镑的力，从而得到额外的力（向上推力减去地心引力引起的向下的重力）来提供净加速度。如果他的翅膀能够提供200镑的向上推力，而重力产生了150镑的向下的力，那么沃伦就会得到50镑的净垂直力。力等于质量乘以加速度，所以这个50镑的向上推力就产生了11英尺/平方秒的垂直加速度。在这一加速度下，忽略必须克服的很大的空气阻力，天使在8秒多一点的时间里就能从0加速到60英里/小时。一旦他停止扇动翅膀，作用在他身上的力就只有将他拉回地球的重力了。当然，他到了空中可以滑翔，但是他必须继续对空气施加向下推力才能真正地飞起来，而不是向下滑行。
对于他的翅膀而言，施加200镑的推力可不是一个小数字，但是，人类举起相当于体重133%的重物也并不是不可能的事情。例如加利福尼亚秃鹫或者漂泊信天翁这样的鸟类，体重大约分别为30磅或者20镑，但是却能够产生足够的力进行飞行。但是，沃伦•沃辛顿三世的体型和鸟可不一样。鸟类的翅膀并不是长在背上的——它们的手臂进化成了翅膀。它们还有两种额外的改变来辅助臂部翅膀：（1）它们具有龙骨状的胸骨——也就是说，鸟类胸口中央的宽大骨头上面有一个铰链，相当于你的肋骨。这个铰链成为了下面这种改变的支点，也就是（2）鸟类有两块极其庞大的肌肉用于拍打翅膀。鸟类的胸脯之所以肉多，就是因为这些*大的肌肉，也就是它们的胸肌，在飞行时提供了翅膀的大部分力。回忆一下第八章和第十章，骨骼或肌肉的强度会随着其横截面积而增强。因此，要是天使能够用他的翅膀飞上天空的话，就必须得有硕大的胸肌。沃伦的翼展为16英尺，体重150镑，那么体重和翼展之比就是9镑/英尺，而加利福尼亚秃鹫的这一比例则是3镑/英尺。沃伦的手臂并不能为他的翅膀提供力的帮助，所以他必须光靠他的胸部和背部的肌肉提供向上的推力，这样一来，他就成了一个肌肉僵硬且效率低下的超级英雄了。
要想适应飞行的话，沃伦还有几个要用奇迹例外来解释的地方。为了减轻体重，鸟类具有质量很轻的骨骼，这些骨骼是多孔结构的，但依然保持了了不起的强度。鸟类还具有效率非常高的呼吸系统，在两次深呼吸中，它们肺部存留的每一个氧分子都会被替换掉，与之相对应，我们每次呼吸只会把肺部存留的10%的空气分子替换掉。鸟类需要能够快速地更新它们的空气供给，因为它们要浮在空中的话，胸部的肌肉会运动得非常激烈。沃伦的呼吸效率有可能达到类似的强度。但是总而言之，除非他被画上了庞大的胸肌——这更适合20世纪90年代的一些女性超级英雄角色——否则，他背上的翅膀的功能性就比不上装饰性了。

超级英雄物理学 作者简介

詹姆斯·卡卡里奥斯（James Kakalios）明尼苏达州立大学教授，从1988年起，就在物理与天文学院任教，他的课“看漫画学科学”在新生讨论会上颇受欢迎。1985年，他拿到了芝加哥大学的博士学位。作为一名漫画迷，他看漫画的时间就更长了。另外，本书还被译为德语、意大利语、西班牙语以及韩语等多国语言广泛发行。
   现在，他和妻子以及三个孩子住在明尼阿波里斯市。另著有《量子力学的神奇故事》。