本文由沐右、橡树村合作

约翰内斯堡是个依靠黄金兴起的城市，自然会有以黄金为主题的主题公园，坐落在约翰内斯堡西南部的金矿城主题公园（Gold Reef City）索性就建立在一座废弃的金矿上。这里不仅有各式各样的游乐设施，还依据黄金开采冶炼的故事造了几个博物馆，平时也有和黄金有关的表演。这里面最吸引人的一个，就是一个叫做Gold Pour的表演。

这个表演展示的是黄金冶炼的一个步骤。黄金在矿石中的含量很低，需要通过各种物理和化学方法精炼。初步精炼的最后一个步骤，就是把已经初步提纯的黄金熔化，浇筑在一个模子里面，铸成金砖。这个表演演示的就是这个浇筑过程。一次浇筑大约是400盎司黄金，重量差不多是12.4公斤。看着工人们从红彤彤的烘箱里面夹出烧得发亮的坩埚，把里面冒着火焰的金水浇筑在模子里面，等待稍微冷却后再把仍然发光的金子从模子里面扣出来，形成金灿灿的金砖，还是很令人兴奋的。特别是这个表演的时候，还会提醒你，现在的金价是多少钱，这些金子，虽然只有88%的纯度，一共值多少钱。看着价值几十万美元的东西就在眼前几米的地方，很少有人会不心动。

更刺激的在后面。表演结束的时候，工人会拿出来一块以前浇筑好的金砖(刚浇筑的那个还热着呢，不能碰)，让所有观众亲手摸一下，满足观众们摸一次金砖的强烈愿望。同时，工人会向你发出挑战。看到眼前这块金砖了么？顶部长25厘米，宽7厘米，底部长接近28厘米，宽不到10厘米，高3.5厘米。这么一个黄灿灿的家伙，如果你能用拇指和食指两个手指头，从上方夹住金砖的侧面，把金砖提起来，那么，这个价值几十万美元的东西，就可以让你抱回家！去看这个表演的几乎没有不去试试的，不过传说还没有人成功过。怎么样，是不是想立刻打飞的到南非试试？不过，在订机票之前，咱需要先算算，究竟有没有这个可能。

单臂提起二十多斤的重量对大多数人来说都不成问题，但是金砖上面没有把手，我们能用拇指和食指捏起金块吗？这是一个简单的力学问题，让我们先来做一下受力分析。

【金砖的受力分析图】

如上图所示，金块受到这么几个力的作用：

1. 竖直向下的重力G，等于金块的质量（12.4千克）乘以重力加速度ɡ（取10牛顿每千克）；

2. 拇指和食指分别对金块两侧的压力，两边一样大，都记作N，这个力垂直于金块的侧面；

3. 由于手指有和金块发生相对运动的趋势，但是又没有相对的滑动，金块会受到沿着侧面向上的静摩擦力f=μN，μ是手指和金块之间的静摩擦系数。

将金砖侧面和底面的夹角记作θ，根据几何关系我们可以得出，竖直方向上金砖受到的合力F为（取向上的方向为正方向）

F=2μN sin(θ)-2N cos(θ)-G，

其中，第一项是两侧受到摩擦力f向上的分量的和，第二项是两个手指对金块压力N向下分量的和。这样，我们用来提起金砖而给金砖施加的压力，一部分成了对我们的阻碍。不过，只要我们施加的压力N能够使得F大于零，我们就能把金砖抱回家！

可是，如果θ角小于某个数值的话（θ＜arccot(μ)），即使不考虑重力G，第二项的贡献也会比第一项大。要真是这样的话，哪怕是项羽、李元霸、施瓦辛格或者超人来了，也不能把金砖抱走。那就太坑爹了。

还好问题没有这么严重。根据问题里面的给出的上面宽7厘米、底面宽10厘米、高度3.5厘米的数字计算，θ角为66.8度，而只要μ比0.43大，第二项就不会比第一项大。金砖的标准规定了大小有一定的浮动范围 [1]，实际的角度和这个数字不一定完全吻合，不过应该差别不大。人的手指和这种不太纯的黄金之间的静摩擦系数没有查到，实际上手和黄金的静摩擦系数也没有查到。不过，可以查到手指和铝的摩擦系数平均为0.6，和橡胶的摩擦系数平均为0.9，而且随着压力的增加，摩擦系数有减小的趋势[2]。因此，我们有理由相信，除非蜘蛛人出马或者偷偷往手指上抹万能胶水，手指和黄金的静摩擦系数应该不会超过1，比较可能的猜测是接近0.5到0.6的样子。

根据前边的公式，我们可以算出需要的最小压力的数值为N=G/[2μ sin(θ)-2 cos(θ)]。知道了确切的尺寸和摩擦系数，我们就可以通过这个公式求出需要的最小力量。取θ角为66.8度，对应于μ取0.5~1之间的情况，我们可以求出需要的压力N，在下图里面用蓝色曲线表示。可见， N起码要一百多牛顿才可以，如果摩擦系数接近0.6甚至更低，那么力量要超过400牛顿才行。考虑到我们并不知道金砖的准确大小，对于侧面和底面夹角为70度和75度的情况（分别用紫色和褐色线表示），我们也可以求出需要的压力大小。起码来说，N要大于100牛顿才能有点把握。

【静摩擦系数在0.5~1之间的时候，提起金砖需要一根手指提供的压力大小】

不过，根据一项关于手指头力量的研究[3]，这个用两指捏的动作一般人很难达到这么高的力量：对一共100名成年人测试的结果显示，男性平均能够达到大约63牛顿，标准差约为19牛顿，女性平均约是45牛顿，标准差约为14牛顿。因此，超过100牛顿的可能性是很小的。看样子，即使是最好的情况下（μ接近1），也非得锻炼到远超一般人的力量才能做到了，有心发财的童鞋们可以照着这个目标努力锻炼了。

可惜的是，即使理论上存在可能，这个机会也已经不存在了。虽然没有人确实成功地用两根手指夹起过金砖，但是金砖还是被人拿走了。这两块金砖在这个主题公园被演示了十多年，不知道有多少人打它们的主意，结果，几年前，一伙歹徒成功把武器带进了公园，直接把金砖抢走并逃脱。两根手指夹起来一块金砖虽然很难，用一只手抱着还是不难做到的。从此以后，这个表演就再也不使用真金了，还生怕你不知道，用很大字写上：本表演不使用真金！这个表演仍然在继续，但是观看的时候，再也找不回那种心动的感觉了。

参考资料

1. London Bullion Market Association, The Good Delivery Rules for Gold and Silver Bars-Specifications for Good Delivery Bars and Application Procedures for Listing. 链接
2. Na Jin Seo and Tomas J. Armstrong, Friction coefficients in a longitudinal direction between the finger pad and selected materials for different normal forces and curvatures, Ergonomics 52(5), 609-16 (2009). 链接
3. Angela Didomenico Astin, Finger force capability: measurement and prediction using anthropometric and myoelectric measures, Virginia Polytechnic Institute and State University, Master of Science Thesis. 链接

你是不是也经常一边走路一边思考？你有没有意识到这一段路是怎么走过的？这种无意识的现象又是怎么形成的？本期Dr.You尝试为你解答这个问题！以下请看无常猩龟的号外以及松鼠悠扬的点评！
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其实我们每时每刻都在与这个世界做着各种交互活动。这次一路想着其他事情的Dr.Who在经过整条街道到达目的地时发现，自己无论如何也记不起一路是怎么让行人怎么等红绿灯的了。这是因为其熟悉的任务在自动加工的情况下，占用的注意资源较少，因为其大部分的注意忙着去开小差了，而记忆却要求有注意的参与，这也解释了为什么我们的Dr. who没有记得他是如何过来的。详细说说吧：

我们加工信息时大体上都是有着如下步骤：

刺激→感知→信息处理→做出反应→记忆
↑　　　　↓　　　　↓
反馈←←←←←←←←

也就是说，Dr.Who同学在开车走神时，应当是这个过程，1，前方有个身影路过；2，Dr.Who看到这个人路过；3，决定拐弯而不是压过去；4，打方向盘；5，安全通过继续开车走神。

在认知心理学领域，有一个著名的理论模型，叫做“平行分部加工理论”，具体如下：1，许多的认知过程是基于平行操作的；2，作为特定认知行为基础的神经活动典型的分布在一个相对广泛的大脑皮层区域，而不是限制在一个单一的，像针尖一样大小的的部位，这些神经活动部位叫节点。节点是相互联系的；3，当一个节点达到一个关键的激活水平时，他能够影响另一个与之相连的节点，可能激活它，也可能抑制它；4，当两个节点达到一个关键的激活水平时，两个节点之间的联系加强，这样学习被定义为联系的加强；5，若是信息不完全或有误，仍然可以完成大多数的认知过程。

好了，现在我们会过头去看看，Dr.Who在开车时虽然开了小差，不过他并没有睡着，也就是说他还是可以接收到路途中的事物的刺激。只是他同时做着两件事，既在开车，也在走神。

我们在进行任何有意识的活动时，都需要注意力。什么是注意呢？心理学家一直都在为如何定义注意是什么而纠结。因为它还缺乏一个所有心理学家公认的定义。注意并不是一个专一的概念，它包含的东西有些多,在不同的场合下有不同的含义。为了便于描述，主要使用各种隐喻来进行描述的，比如我们熟悉的什么过滤器隐喻、聚光灯隐喻等等。

我的理解是：注意是可以在进行某项活动时被分配的有限的心理资源。我们的大脑就像是个超线程的处理器，许多的认知过程是可以平行操作同时进行的。而我们的大脑同时处理来自于外界的大量信息显然是不够的，若要全部处理，费时费力。而我们的大脑又无法像IT行业那样，遵守“摩尔定律”，所以更好的办法是对我们接收到的信息经行先做一个简单的处理，再看看那些对于我们是否重要，把注意更多的分配到上面去。那注意是怎样分配的呢？

这里要提及一个“过滤器隐喻”：我们每时每刻都会接受到这个世界一部分的刺激，那些刺激数量庞大，所以我们只好先对其中的一小部分进行初步处理。这一部分被接收到的信息被我们注意到，但是这时的注意是低下的，之后我们会对其进行简单的判断，选出其中的一部分会对我们产生意义的刺激信息，做进一步的处理。剩下没被处理的，则是衰退或者被抑制。

接下来，就是进一步处理了。这一步，依旧需要注意。注意有两个水平，一个是注意的分散状态，一个是集中的状态。分散状态下，注意的范围较广但不详细，集中的状态则详细可视范围相应集中。所以，我们把前者获得的信息叫做非注意信息，后者叫注意信息。

我们发现，对于不熟悉的事物，我们会分配更多的注意，以便于处理；而对于那些熟悉的事物，我们则可以减少对于他们的注意资源的分配。因为我们的经验可以大致的知道接下来会是什么情况，对于其的关注不用一直持续。

感知过后，就是对信息处理结果做出加工与反应了。我们常有过这样的事，在写东西的时候同时听着耳机，还吃着零食，并且和可爱的姑娘煲着电话粥。或者如Dr.Who一样，一边开车一边想着某位姑娘…… 不过，有时候我们需要集中注意力，比如参加考试时。这是因为对于信息的加工处理可以分为自动加工和控制加工两个层次。前者用于容易的熟练的项目，因为这种加工水平相对较容易，所需的注意资源较少，能接受非注意信息，可以多项平行处理。后者则用于困难的与不熟悉的项目，是系列的，一次只可以处理一件事物，无法同时处理非注意信息的特征，其需要的注意资源较多。

不过也有例外情况，如果Dr.Who在开车时脑子里想着另一次开车的经验，那他出事故的可能性就大大增加了。因为在自动加工水平上，我们对那些熟练的简单的加工活动可以依靠它们突出孤立的特征来彼此区分，而不会搞混，但是要是它们过于相似，则会使各项活动互相干扰，而降低效率或者导致问题。

好了，现在进行一下关于记忆的讨论。记忆也是需要注意的参与的。我们只可以记得我们注意了的事物。在心理学上，我们习惯于把记忆分为感觉记忆、短时记忆和长时记忆。三者关系是：外部的刺激输入，首先感觉登记为感觉记忆，其次其中一部分记忆从感觉登记中丢失，剩下的进入短时存储成为短时记忆，再往后从短时存储中游又丢失一部分，之后剩下的则被录入长时存储变成长时记忆。其中，衰退最快的是感觉记忆，其次是短时记忆，大概有30秒左右。长时记忆保持时间相对永久，存储的也多为有意义的信息。

其实在只有很少注意的情况下，我们也可以完成对刺激的加工。但其记忆大多为感觉记忆或短时记忆，若是要将其变为长时记忆，还是要通过注意的更多参与，使其得到重复或变得有意义。所以，当时的Dr. Who再把大量的注意资源用在了开小差上，其他的事都是在很少的注意下接受到并被处理了。

此外，记忆还可以分为内隐记忆与外显记忆。外显记忆指在意识的控制下，过去经验对当前作业产生的有意识的影响，比如说出你刚才经过了几个路口。内隐记忆指个体在无法意识的情况下，过去经验对当前作业产生的无意识的影响。比如在经过一个路口时左转，却实在想不起左转的原因是因为那条路上你当年右拐时被狗狗追过。而开车过程本身也是一种内隐记忆，被称为“程序性记忆”。当我们经过无数次的联系之后，开车的程序已经不必经过有意识的回忆就可以自动完成了。Dr. Who也许是因为那条路常走，加上当时主要忙着走神了，于是在开车的时候，就如同过去的每一次一样，在内隐记忆的引导下开了过去。而由于没有太多外显记忆的参与，开车的过程本身反而记忆的不深刻了。

参考书目：

1《认知心理学》张亚旭，周晓林编著
吉林教育出版社 2001年1月第1版

2《普通心理学》彭聃龄
北京师范大学出版社 2004年9月1日

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首先我们要看一看为什么开车，骑自行车，演奏乐器这些事件能够给我们以空间去做些旁的事，开开小差，这不仅由于这些事件可以进行自动加工，从根本上说，是因为他们属于长时记忆中的程序性记忆（procedure memory）。程序性记忆的前提是经过一系列努力，有意识的学习，形成的可以自动完成的，不需要太多意识参与的一系列通常是运动动作的流程。程序性记忆也是一类内隐记忆，像WU同学说的，在无意识情况下就可以完成的动作。有个有意思的现象，就是程序性记忆引起的“专家失忆（expertise-induced amnesia）”,指由于注意分配较少而导致专家对已经完成的动作记忆反而降低。例如估计要问Brian贝司手刚才是如何完成表演的，他可能也已经完全不记得了。这个解释可能与问题更加相关。

大家还记得57期的Dr.You吗？不记得不要紧，来温习一下：为什么有时候煮熟的鸡蛋会贴壳？

很抱歉，这期的结果这么迟才出来，不过很遗憾，大家的反响也不算积极，答案的质量也不能满足评委，于是只能获奖空缺了。不过，民以食为天，关于吃的问题，怎么能忽视呢？于是我们请了新松鼠游识猷来给大家写了下面这个号外，希望能满足大家的好奇心！

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曾经有一个蛋，摆在一名爱吃煮蛋的完美主义者面前，他十分珍惜，可是不管他如何小心地剥壳，剥出来的蛋还是坑坑洼洼有如没有大气保护的月球表面，世界上最痛苦的事莫过于此。 完美主义者含泪仰天长叹：为什么！这究竟是为什么哇哇哇！

万事万物都有解释， “蛋白为什么老要黏在蛋壳上”这个问题自然也不例外。

让我们先明确一点，到底什么样的蛋难剥呢？是煮得不对，还是蛋不对呢？

我们可以首先排除蛋壳的颜色这个因素。1990年，Cherian等研究者已经证明白色壳与褐色壳的鸡蛋在可剥性（peelability）上没有统计学显著的差异。

顺便说一句，国外研究者普遍用两条标准来衡量一枚鸡蛋的可剥性：（1），剥去全部壳所需花费的时间；（2）剥出后的煮蛋外观是否光滑完整。

这是一张鸡蛋剖面图，可见鸡蛋从内到外的主要结构包括：蛋黄、蛋白、两层蛋膜——内膜与外膜、蛋壳。

决定一个鸡蛋好不好剥的最大关键就在蛋清上。

越新鲜的蛋越难剥。国外的美食杂志曾建议煮妇们，在冰箱里放了7到10日的蛋来做煮蛋最完美。随着时间流逝，刚产下时的新鲜鸡蛋的许多性状都逐渐改变，其中对剥蛋影响最大的当属两个——第一是蛋清的酸碱度，第二是蛋的内容物体积。

刚产下的新鲜鸡蛋蛋清内蕴含有之前代谢产生的二氧化碳，因此蛋清略显混浊，pH值在约7.6到7.9之间，属于相对偏酸的状况。而来到世间后，鸡蛋就能通过多孔的蛋壳与外界交换空气——吸入氧气，放出二氧化碳——其实就是鸡蛋在呼吸。而二氧化碳的散失则提高了蛋清的碱性，使得pH值上升。一般在三天后，鸡蛋蛋清的pH值就上升到9.2附近。二十一天后上升到9.4。最高可以升到9.7

早在1959年，一名叫Swanson的研究者就写了一篇题为《新鲜煮蛋与壳经处理煮蛋二者剥壳问题之观察》，里面十分精确地提出，只要蛋清的pH值低于8.7则蛋壳难剥，高于此值时蛋壳好剥。他同时也提到，一般只要把新鲜鸡蛋在15摄氏度下放置48小时，pH值即可升到8.7以上。如果特别着急，那么在密闭容器里用氨水蒸汽熏蛋十分钟也能迅速达到这个pH值。

在Swanson之后，1961年Meehan等人，1964年Reinke等人也研究了这个问题，得出的“易剥蛋清pH值”也大致都在8.7到8.9之间。他们还在显微镜下观察发现易剥蛋的鸡蛋膜结构都显得较为致密，难剥蛋的鸡蛋膜则结构相对疏松。

此外，鸡蛋在贮藏过程中也会通过多孔的蛋壳逐渐散失一部分水分。因此同样大小的新鲜鸡蛋总是比较重一点。当放在水里时，最新鲜的鸡蛋都会下沉，而老鸡蛋有时会悬浮起来。水分散失直接造成了鸡蛋内容物体积变小，这就给鸡蛋与壳之间那个气室扩展的空间，并且在内外膜间形成了微小的缝隙——这自然也有助于我们剥鸡蛋。

综上所述，假如我们用某种方法封闭蛋壳上的小孔使得二氧化碳和水分都难以散失，这就意味着较低的蛋清pH值以及较多的鸡蛋内容物，换言之，我们可以人为地制造出一枚难剥的鸡蛋。

还真有人做了这个实验。1963年，Hard等人就用食用油以及硅润滑油涂在鸡蛋壳上，过了一段时间再去煮。他们证实了这种做法使得鸡蛋变得难剥多了 ——剥一个未经处理的蛋花费时间大约是11秒，而剥一个曾经涂油的鸡蛋则要花费21至22秒。

网上曾有人建议干脆以后超市开辟一个专区——“不那么新鲜的最适合做煮蛋绝不粘壳的鸡蛋区”，不过连提议者自己也怀疑，这一区的鸡蛋很可能最后会卖不出去。

既然直接买老鸡蛋不是我们一般会做的选择，那么当我们要煮新鲜鸡蛋的时候该怎么办呢？写了《食物与烹饪：厨房中的科学与知识（On Food and Cooking: The Science and Lore of the Kitchen）》的Harold McGee建议往水里加碱，原理和用氨水蒸气熏蛋类似，都是迅速升高蛋清pH值从而让蛋变得好剥。在他的书中记载着“半茶匙的苏打粉（碳酸钠）就可以让煮鸡蛋的水碱性增强，（不过这样煮出来会加重了鸡蛋本身的硫磺味儿）。”1998年，台湾大学畜产系的苏郁钧则在他的硕士论文《卤蛋品质改进之研究》中也提到：“实验结果显示，鲜蛋以3%氢氧化钠水溶液浸泡17小时处理，可明显提高蛋白pH值，使蛋水煮后易于剥壳，蛋白表面光滑完整”。

他俩建议加碱，另一位密西西比州立大学食品科技系的教授Juan Silva倒是建议加酸，目的则是软化鸡蛋壳：“鸡蛋壳主要成分是碳酸钙……所以煮的时候在水里加点醋，你就会得到一个比较好剥的软软的壳。”

还有一个广为人知的方子：煮完蛋以后迅速把蛋捞出，投入冰水中冷却。这方法的原理在于鸡蛋与蛋壳热胀冷缩系数不同，后者相对而言变化更小些，因此鸡蛋就会收缩得更快且更多，为我们留出足够轻松剥出一枚光滑圆润的鸡蛋的缝隙。

如果这三个方子你都还嫌太麻烦，好吧，最后的大杀器在此。

自。动。剥。蛋。器。

据该销售网页（http://www.eggstractor.net/）称，目前这样的一个终极武器只要美金7.99元！

真正一旦拥有，别无所求！

参考资料：

[1] William J. Stadelman, Owen J. Cotterill，Egg science and technology,1995

[2]Cherian, G., C. Langevin, A. Ajuyah, K. Lien, and J. S. Sim. 1990. Effect of storage conditions and hard cooking on peelability and nutrient density of white and brown shelled eggs. Poultry Sci. 69: 1614-1616.

[3]SWANSON, M. H. 1959. Some observations on peeling problem of fresh and shell-treated eggs whenhard cooked. Poultry Sci. 38, 1253-1254.

[4]Meehan, JJ, Sugihara, T. R, and Kline, L, 1961, Relation between internal egg quality stabilization and the peeling difficulty, Poult, Sci, 40, 1430

[5]Reinke, WC, and Spencer, JV 1964, Observation of some egg components in relation to peeling quality of hard-cooked eggs, Poult Sci, 43, 1355

[6]Hard, MH, Spencer, JV, Locke, RS, and George, MH 1963. A comparison of different methods of preserving shell eggs.

[7]苏郁钧,卤蛋品质改进之研究(Study on the quality improvement of marinated eggs)

[8]Alexis Madrigal, "Why Eggs Could Be Getting Harder to Peel", Wired, 2009-10-16.
http://www.wired.com/wiredscience/2009/10/eggs-hard-to-peel/

[9] Tiffany Maleshefski, Does Vinegar Make Peeling Hard-Boiled Eggs Easier?
http://www.chow.com/stories/11361

[10] Everything Eggs With Wendi Hiebert, Frequently Asked Questions
http://blog.getcracking.ca/eggspert-advice/frequently-asked-questions/

当期问题链接：http://songshuhui.net/archives/33276.html

为什么汤圆可以边煮边翻身？饺子为什么不行？

沐右的回答：

新年吃水饺，十五煮汤圆。煮汤圆的时候，可以看到汤圆在水里不停翻身打滚，但煮水饺时水饺却安静得多，基本上不动，只是偶尔会翻个个儿。这是为什么呢？

对于一个漂浮在水上，或者是悬浮在水中的物体来说，重心的位置越高，物体本身的重力势能就越大，因此这类物体总是倾向于让重心的位置更低一些。水面上的篮球很容易就可以让它转动，但扁平的小船即使在一定的风浪条件下也不会翻。煮汤圆或者水饺的时候，锅里的开水咕嘟咕嘟沸腾，不断的给汤圆或水饺提供随机的力矩，只要它们的重心位置利于转动，很容易就会翻个。

现在的问题就是，它们的重心位置究竟如何了。让我们看看汤圆和饺子的结构。如下图所示，汤圆是一个球形结构，有着很高的对称性。这使得汤圆在转动的时候，重心没有任何变化，所以一个很小的力矩就会让它转动起来。

饺子复杂的结构决定了它的物质分布不均匀，重心的位置也相对较为靠近有馅的一侧。单个的水饺放在锅里的时候，自动选择了重心最低的位置。这样，要让水饺翻转，势必需要提升饺子的重心，那样则需要一个很大的力矩，并且即使转上去了也是一个不稳定的状态。再说水饺的形状使得它转动时需要排开一定的水，这就使得转动更加困难了。

by Fujia, 水龙吟

（三）隐身衣的进展

隐身衣爱好者也许会收藏2006年6月23日出版的《科学》(Science)杂志。来自苏格兰圣安得鲁大学（University of St Andrews）的理论物理学家里奥哈茨（Ulf Leonhardt），与伦敦帝国学院(Imperial College London)的潘德利(J.B.Pendry)教授，分别在这一期顶尖学术刊物上发表论文，阐述他们对隐身衣理论基础的计算原理。

英国的这两位科学家，各自假设了电磁波如流水般在隐身材料表面流过，完全不受到隐于其中的物体的干扰，由此推导出隐身衣材料所需具备的光学参数。隐身衣的雏形已悄然出现。

4个月后的《科学》杂志，美国杜克大学的史密斯教授小组再次发表论文，向世人宣告微波隐身材料的诞生。他们运用潘德利教授的理论，巧妙设计了符合计算结果的隐身材料。在他们的实验中，他们采用铜金属与玻璃纤维，创造了一卷甜甜圈似的圆环材料。探测器所得到的信号表示，微波经过圆环，恍若无物地会聚到圆环的另一侧，如若清泉石上流，汇聚于石岩另一侧一般，不留痕迹。

（源自ＮＢＣ。水龙吟翻译制作字幕，yuaner校对）

然而，这样的设计只能针对某个波段的电磁波，效果也离罗慕伦人的隐身罩差了许多。2009年1月的《科学》杂志，史密斯教授小组的刘若鹏再次发表文章，将隐身衣所适宜的波段大幅度增大，但依然局限于对微波段光路的改变。一切才刚刚萌芽。

基于里奥哈茨教授的“共形映射”(Conformal mapping)理论基础，近年来隐身衣的研究依然如火如荼。2009年4月的<>(Nature Material)上，加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的张翔教授以及其团队发表了他们的最新发明，首次实现了隐身材料可以在接近可见光的近红外波段工作。

张翔教授小组制作了一个反射型“隐身衣”。他们在硅材料上钻很多纳米级长度的小孔，所制得的“隐身衣”覆盖于物体上，可使其背后物体不对光波形成任何的散射（如图）。时隔半月，康奈尔大学(Cornell University)的里布森(Michal Lipson)教授小组也发出了自己的论文，宣布他们采用如出一辙的办法，所制造的隐身材料的波段更加接近于可见光。

（如图所示，a为没有任何障碍物时的反射图，b为放了障碍物，反射的图因此有些扭曲，c图为加上“隐身衣”，此时的反射图重现了a的情形,图片来自Gabrielli 09论文）

隐身衣已经从幻想中的霍格沃茨学院中走进我们的现实世界。如同争夺魁地奇一般，科学家们为隐身衣的发展而激烈竞争，使得隐身衣的发展速度令人咋舌。从超材料兴起到隐身材料变为现实，不过短短10年时间。虽然已问世的隐身衣尚不能覆盖住一根手指，也依然无法实现对可见光的隐身。但其对于防辐射，屏蔽手机辐射等，会有许多应用意义。

（四）隐身衣的变种

就在欧美的科学家们还在为理论计算与材料制造大伤脑筋时，日本科学家田智前教授(Susumi Tachi)与其研究小组另辟蹊径，利用视觉伪装(Optical camouflage)技术，制造了另一种奇妙的“隐身衣”。

这种乍看非常神奇的隐身衣，似乎已经把哈利•波特的故事带到了现实。但如果你足够细心，便可发现其中破绽。事实上，这种隐身材料并不能遮挡光线，它仅仅是在衣服上涂抹了反射性材料，利用摄像机将人体身后的景象拍摄下来，联线电脑再投影到衣服上而已。看似以假乱真，实际谬以千里。

这样一个极具恶搞精神的发明其实也不简单。在衣服上涂抹的回射材料(retro-reflective material)上，布满了许多细小的玻璃晶须，当光线照射进回射材料上，无数的细小晶须如同棱镜一般，将入射光以入射的方向重新折射回空气中。人肉眼所见，则是反射回的明亮光线，几近透明。这种回射材料并不神秘。它早已广泛使用与交通标志、道路标识与许多夜光设施中。

当摄像机将摄制好的图象投影到回射材料上时，覆盖了回射材料的衣服便相当于投影布，将材料之后的影像完全展示出来。但这样的影像毕竟不同于周围环境的自然光。于是，科学家们又设计了一个特殊的镜子，使得投影的影像与环境影像紧密结合，观察者肉眼并不容易分辨。

这个在技术不算复杂的发明虽离我们定义的“隐身衣”相距甚远，但它依然有其现实意义。比如它可有助于飞行员降落飞机时看清驾驶舱地板，使医生进行外科手术时看清人体组织下的医疗仪器等。

（五）隐身衣的未来

如果完美的隐身衣终于有一天变成了现实，如果隐身衣已经成为超市中随意选择的商品，这样的世界将会如何？

我们都期盼着隐身，如同在MSN或QQ上换了个状态，就能不受任何打扰。我们希望有个清净的世界，如同杨绛说的“只求摆脱羁束，到处游历”。但世界并没有那么完美。

隐身衣也许很快就会成为为非作歹的工具。也许会成为未来战争的关键。也许会导致盗匪横生，内乱频繁，也许会使人心惶惶，也许人们之间不再有隐私，不再有信任，也许最基本的安全感都无法保证。毕竟隐身衣无论在科幻小说或现实运用中，无不用于人类互相倾轧，这样一个发明是否有反人类的嫌疑？“麻瓜”科学家们的心血结晶，是否是潜在的 “伏地魔”？

也许，隐身衣发明的利弊，本就是存乎一心。如同炸药、枪支等发明，其本身并没有是非，对错只在于使用它的人。如果可以人类的自控能力可以化解这些问题，隐身衣便可以成为一桩流芳万世的福祉。

也许我们完全不必如此杞人忧天，当隐身衣飞速发展时，反隐身技术也会随之迅猛前进，我们会需要到我们的Dr.You(加上那一期的连接）们的方法。也许不需要那么复杂，在地上洒一把面粉，就可以使隐身人现迹。也许，完美如科幻小说的隐身衣依然十分遥远。

且让我们心存希望，期盼隐身衣研究的更多进展，也期盼所有的忧虑并不成真。

（完）

Reference
1 Leonhardt, U. Optical conformal mapping. Science 312, 1777 (2006).
2 Liu, R. Broadband ground-plane cloak. Science 323, 366 (2009).
3 Pendry, J. B. Controlling electromagnetic fields. Science 312, 1780 (2006).
4 Schurig, D. Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies. Science 314, 977 (2006).
5 Soukoulis, C. M. Physics: negative refractive index at optical wavelengths. Science 315, 47 (2007).
6 Valentine, J. An optical cloak made of dielectrics. Nature Materials 8, 568 (2009).
7 Zhang, J. Cloak for multilayered and gradually changing media. Physical review. C, Nuclear physics 77, 35116 (2008).
8 Zhang, B. Extraordinary surface voltage effect in the invisibility cloak with an active device inside. Physical review letters 100, 63904 (2008).

by Fujia, 水龙吟

第二十五期  来自隐身人的挑战

隐身人读者来信第一期

隐身人读者来信第二期

隐身人获奖答案及评议

（一）隐身的幻想

图1 哈里波特隐身图

也许你曾经梦想穿越国王十字架火车站的九又四分之三站台，进入蜂蜜色的城堡霍格沃茨学院，披上属于自己的隐身斗篷，与伏地魔殊死搏斗；也许你还曾幻想来自未来世界的小叮当会突然从书桌抽屉跳出，从他无所不能的口袋里掏出一件隐身衣，让你自由穿梭于梦想世界。。。

图2 珀尔修斯手刃美杜莎的照片，Fujia摄于梵蒂冈

遍寻古今中外，隐身的故事伴随着创造者的奇思妙想而层出不穷，各种千奇百怪的隐身方法亦是异彩纷呈。古希腊就流传着珀尔修斯(Perseus)隐身手刃女妖美杜莎（Medusa）的神话。中国古代亦有孙悟空使个隐身法偷蟠桃宴的仙酒，太乙真人为哪吒手绘隐身符瞒过东海龙王等神奇故事。现代游戏里也会借用各种各样的“隐身”概念，在游戏中添加“隐形药水”、“隐身草”等等隐身手段和道具。

梦想家们可以忽略幻想与现实间的巨大落差，让想象力展翅翱翔，好在有科学家们一直埋头苦干，试图填补这一沟壑，在现实世界里为人们的美梦找到坚实的基础。一直以来，世界各地的探索者们孜孜不倦的研究各种可能的隐身方法。其中虽然不乏像神符或咒语这等只可一笑置之的隐身术，但许多看似异想天开的隐身故事里，似乎隐藏着缜密的科学原理。

图3 威尔斯的《隐身人》

威尔斯笔下的隐身药水，一直为科幻迷所津津乐道。这种奇药可使身体组织丧失颜色，变的透明,进而消失不见。虽然这个科学过程被小说家忽略了，但我们可以略微猜想，这其中一定发生了许多生化反应，人体内的蛋白质等大分子变得不再可见。

而这一点在现代科学中仍然极难实现。蛋白质大分子对生物体的生存至为重要，而其颜色与可以吸收与散射光线的特性，与其本身的生化性质息息相关。如果人类尝试着改变自身分子的光学性能，无异于自掘坟墓。

《魔戒》中，精灵女王送给哈比人的斗篷可以让他们和周围环境融为一体，实现“拟态隐身”。这种“经济有效”的方法在自然界里以保护色、拟态等形式广泛存在。田野中的变色龙，深海里的八爪鱼、比目鱼，都是个中高手，它们的身体可以跟随环境的变化而改变颜色甚至形态，使外界难以辨认。

图4 比目鱼改变颜色？适应外界环境

图5 八爪鱼照片，八爪鱼改变自身形态模仿其他生物。左侧为八爪鱼的模仿，右侧为真实生物

图6 八爪鱼照片，Fujia摄于伦敦动物园

如此神奇的现象自然不会被敏锐的人类错过。从江湖中的夜行侠，到苦修的忍者，都有着传说中的隐身功夫。在科学界，各式变色纤维等材料的研究层出不穷，艺术家们也来凑热闹，利用这种“隐身”的原理来设计作品。

图7 日本忍者可以借助外界、衣物、屏息等等方式“隐形”，动画片《忍者神龟》就是借用了“忍者”的思想。

图8-1 荷兰艺术家德塞伊•帕尔曼的隐身摄影作品，以化装，改变造型等方法将模特隐入背景颜色中

图8-2 荷兰艺术家德塞伊•帕尔曼的隐身摄影作品，以化装，改变造型等方法将模特隐入背景颜色中

图8-3 荷兰艺术家德塞伊•帕尔曼的隐身摄影作品，以化装，改变造型等方法将模特隐入背景颜色中

然而，这一种隐身方法有着与生俱来的弱点：隐身人不可有任何动作，不能与外界有任何触碰。即便“隐身人”天生擅长玩“你我都是木头人”的游戏，也只能骗过眼神不好的观众。如果只是沿着这个方向走下去，我们隐身的梦想还相当的遥远。

（二）隐身的原理

隐身衣何以隐身？追本溯源，或许我们应该问，我们为何能看见物体？

南京大学物理系祝世宁院士从事隐身衣研究多年，他曾在回答记者时解释说，“人之所以能看到物体，是因为光射到物体上后会被阻挡并反射到人的眼睛里。”人们可以通过反射或散射的光“看到”物体。那么隐身衣如何隐身，便是一个光学问题。

我们希望隐身衣达到的效果是，当光经过需要隐身的物体时，就像该物体完全不存在一样。那么，物体对光的作用必须消失，减少反射，还原光线的传播方式，将物体背后的信息传递给观众。简单的说，就是光线碰到物体能拐个弯，然后回到原来的传播方向，那么在物体前方的人看到的就是物体背后的景象。

自公元60年希腊数学家希罗（Hero of Alexandria）起，人类不停地探索光的传播原理。1662年，法国数学家费马（Pierre de Fermat）所提出的费马定理，告诉我们光线以最短距离--直线在空间内传播，这个妇孺皆知、广泛进入中小学物理课本的定理，似乎为让光线绕着物体“拐弯”的隐身衣判定了死刑。虽然其折射定律也告诉我们在介质中光线会弯曲，然而天然材料根本无法实现“隐身衣”对光线的弯曲要求。

两百多年后的1916年，爱因斯坦提出的广义相对论又为隐身衣的理论带来了另外一丝曙光。爱因斯坦认为，如果空间可以被扭曲，则空间内两点间最短距离则不一定为直线，于是光线可以沿着这一扭曲的路径，绕过巨大的天体弯曲前进。《神奇四侠》里苏姗隐身的方法便接近如此。吴伯泽的一篇科幻小说《隐身衣》更加清晰的说明了利用广义相对论实现隐身衣的构想：故事里主角发明了一种隐身衣，一通电就可以产生巨大的力场，实现广义相对论要求的情况，让光线绕行。

图9 电影《神奇四侠》苏珊，隐形的透明人

然而这种隐身理论有很大的局限性，广义相对论中需要质量很大的物体，比如黑洞、太阳等庞大天体才能较大程度上弯曲光线，而且空间的扭曲不能人为控制。纵使科学巨人如爱因斯坦，也无法设计出能用以控制光线弯曲与否的奇妙开关。难以想象这种“力场”隐身衣会造成什么后果。

那么制造大型隐身衣，甚至隐身黑洞呢？在《星际迷航》里，罗慕伦人可以创造一个神秘的空间，将庞大的星际战舰隐于其中。虽然人类没有长耳朵与吊梢眉，但我们的科学家毫不逊色。杜克大学(Duke University)电子与计算机工程系的史密斯教授(David R Smith)在其科研小组网页上展示了如下的动态动画。

且让我们想象有一个奇异的空间，动画显示所有的光线按照动画中的格子线行进。如果我们可以控制压缩或扩展这个空间，一个崭新的黑洞便可以打开，引领我们到从未存在过的世界。而所有的光线只能绕开黑洞向前行进。这将是名副其实的隐身技术！

但千万别忘了，为了隐身罗慕伦人可是付出了不能使用武器的代价的。创造这样一个黑洞需要的能量大得难以想象。遗憾的是，我们既没有无穷的能量，也不可能随身携带黑洞出门逛街。这种思路的隐身“衣”只停留在科幻小说、电影与人类的梦想中。

史密斯教授拥有其他的办法。人类也许无法扭曲空间，电磁场却是可以被扭曲的。如同将筷子插进水中便可见其扭曲，隐身只是类似海市蜃楼般的光学幻觉。如同树叶落入水流旋涡便不可见，隐身衣便是制造了个光线旋流，隐藏了其中的物体。

随着材料科学发展的日新月异，近十年来迅猛发展的超材料（metamaterial）研究帮助科学家梦想成真，这些自然界闻所未闻的人工材料，终于为隐身衣轰轰烈烈的上台揭开了帷幕。
（未完待续）

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