去科學(xué)邊緣，參透一些古老的秘密

文｜藝術(shù)商業(yè)

科學(xué)瘋狂起來(lái)，就是藝術(shù)。在科學(xué)的邊緣，人們常會(huì)迎來(lái)一些奇妙的思想之旅，讓你脫離現(xiàn)實(shí)，去往科學(xué)交織著藝術(shù)的抽象世界，領(lǐng)略一些單純的形狀造就的奇跡。在這里，所有真理都是彎曲的，時(shí)間本身就是一個(gè)圓圈……

科赫雪花一片雪花的周長(zhǎng)比地球的直徑還大？

早在1904年，瑞典數(shù)學(xué)家馮·科赫就提出了一種理論，被稱為科赫曲線，又叫雪花曲線、科赫雪花。它在眾多經(jīng)典的數(shù)學(xué)曲線中非常著名，是將一個(gè)等邊三角形的每條邊切割成3份，然后取出每條邊中間的一份向外做一個(gè)等邊三角形，這個(gè)過(guò)程被稱為迭代，每一次對(duì)過(guò)程的重復(fù)就是一次迭代。經(jīng)過(guò)一次迭代，等邊三角形的3條邊變成了12條等邊，這時(shí)候我們?cè)賹⒚織l邊切割成3份，向外做一個(gè)等邊三角形，這就是二次迭代。然后，我們無(wú)限次地循環(huán)這個(gè)過(guò)程，無(wú)限次地進(jìn)行迭代，最后就得出了科赫雪花。雪花在面積不變的情況下，它的周長(zhǎng)可以變得無(wú)限長(zhǎng)，長(zhǎng)度甚至可以超過(guò)地球的直徑，超過(guò)任何一種長(zhǎng)度。

所以科赫雪花就是：用無(wú)限的邊界包裹住有限的面積。仔細(xì)體會(huì)一下這樣的無(wú)限和有限。

科赫雪花

特斯拉閥僅僅利用空間結(jié)構(gòu)推動(dòng)氣體流動(dòng)

如果想要將氣體或液體等流體物質(zhì)輸送到某處，同時(shí)要避免回流，且能夠控制流速，應(yīng)該怎么辦呢？很簡(jiǎn)單，只需要安裝一個(gè)閥門(mén)，用開(kāi)關(guān)來(lái)控制調(diào)節(jié)就可以了。那么不用行不行呢？也行。

早在100多年以前，一位偉大的科學(xué)家就設(shè)計(jì)了一種特殊的閥門(mén)，不需要開(kāi)關(guān)、無(wú)須輸入任何能量就能夠保證流體的單向流動(dòng)。這個(gè)人就是特斯拉，而他發(fā)明的閥門(mén)被稱為“特斯拉閥”。

特斯拉閥的特點(diǎn)就是：反向通過(guò)時(shí)，壓力越大，阻力越大，速度越慢，乃至完全停止；而正向通過(guò)時(shí)，則是壓力越大，速度越快。

那么，特斯拉閥是如何保證流體單向流動(dòng)的呢？特斯拉閥采用了特殊的回路設(shè)計(jì)，當(dāng)流體正向通過(guò)特斯拉閥時(shí)，會(huì)在每一個(gè)回路口分為兩路，之后兩路流體又會(huì)在下一個(gè)交匯口匯聚，并實(shí)現(xiàn)加速。反之，如果流體反向流入特斯拉閥，流體同樣會(huì)在第一個(gè)交匯口分為兩路，并在第二個(gè)交匯口再次匯聚，不同的是，這一次，兩路流體的流動(dòng)方向是相悖的，所以就形成了極大的阻力。因此，流體在特斯拉閥中只能正向通過(guò)，而很難反向逆流。

瑞士的皮丘（Pichoux）峽谷因?yàn)樾拗畨谓財(cái)嗔唆~(yú)類洄游之路。為了讓魚(yú)類能正常洄游，還特別參考特斯拉閥的原理設(shè)計(jì)了一個(gè)魚(yú)梯，這樣從上游下來(lái)的水流就被自動(dòng)放緩，而魚(yú)類洄游時(shí)的上行就變得容易很多。

特斯拉閥結(jié)構(gòu)示意圖

魯珀特之淚一個(gè)玻璃球而已，子彈卻打不破

這種奇特的玻璃球看上去就像是一個(gè)蝌蚪或者是人的一滴眼淚，魯珀特之淚真正的神奇之處就是它的“無(wú)堅(jiān)不摧”，讓科學(xué)家爭(zhēng)先恐后研究了長(zhǎng)達(dá)400年。

這當(dāng)然不是魔法或者巫術(shù)，它其實(shí)也是一種科學(xué)。魯珀特之淚的制作方法非常簡(jiǎn)單，只需要將玻璃高溫熔化，然后將熔化后的液體依靠自身重力自然滴入冰水中，這樣就會(huì)形成一個(gè)蝌蚪狀的“淚滴”，它就是魯珀特之淚。魯珀特之淚的頭頂有多么堅(jiān)硬？科學(xué)家曾經(jīng)用普通的子彈對(duì)它進(jìn)行射擊，結(jié)果不僅沒(méi)有粉碎魯珀特之淚的頭部，子彈反而碎了一地。在同距離下想要將它的頭部摧毀，需要用到威力更大的子彈或者是狙擊槍子彈才可以。

魯珀特之淚

魯珀特之淚為什么如此強(qiáng)大？其實(shí)是應(yīng)力在搞鬼。

當(dāng)玻璃經(jīng)高溫熔化之后，產(chǎn)生的液體滴入冷水時(shí)，最外層會(huì)先冷卻凝固，而這個(gè)時(shí)候玻璃的內(nèi)部還處于高溫熔融狀態(tài)。隨后，內(nèi)部的液態(tài)玻璃也開(kāi)始慢慢冷卻凝固，出現(xiàn)了熱脹冷縮效應(yīng)，內(nèi)部的冷卻凝固緊緊地拉著外層玻璃向內(nèi)收縮，使得外層玻璃受到內(nèi)向的壓應(yīng)力（即抵抗物體壓縮趨勢(shì)的應(yīng)力）。這個(gè)壓應(yīng)力是非常高的，可以達(dá)到700兆帕，幾乎是1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（即0.101325兆帕）的7000倍。玻璃內(nèi)部拉扯外層的時(shí)候，同樣也會(huì)受到固態(tài)外殼玻璃的拉扯，在兩股力的作用下，它們之間的相互對(duì)抗逐漸形成了一個(gè)平衡狀態(tài)。

(3)經(jīng)過(guò)一系列加固整治措施后，湖區(qū)內(nèi)圩堤的防洪能力有了較大提高,但仍然存在城市防洪標(biāo)準(zhǔn)低、新出險(xiǎn)工險(xiǎn)段、堤容堤貌差、部分項(xiàng)目未按設(shè)計(jì)完成、工程管理和監(jiān)測(cè)設(shè)施不完善、防汛交通條件差、圩區(qū)排澇能力不足等問(wèn)題。

而玻璃的主要成分是二氧化硅，為了對(duì)抗內(nèi)層玻璃的拉扯，外層的二氧化硅會(huì)更加緊密地結(jié)合，分子間的距離大幅減少，從而形成了一種密度非常高的外殼，可以有效對(duì)抗內(nèi)層的壓應(yīng)力。

在一個(gè)完整的魯珀特之淚中，外層的壓應(yīng)力一直處于平衡狀態(tài)，在對(duì)抗中形成了一個(gè)強(qiáng)硬的頭部。只要這種內(nèi)外壓應(yīng)力的平衡不被打破，那么魯珀特之淚就可以堅(jiān)不可摧。

可是魯珀特之淚的弱點(diǎn)也非常明顯和脆弱，只需要輕輕對(duì)其尾部施加一個(gè)力，就可以讓它瞬間粉碎。為什么會(huì)這樣呢？其實(shí)也跟它內(nèi)外壓應(yīng)力的平衡有關(guān)。

前面提到，魯珀特之淚之所以會(huì)有強(qiáng)大的頭部防御力，主要是因?yàn)椴Ａ?nèi)外的壓應(yīng)力形成了一種拉扯間的平衡狀態(tài)。如果這種平衡狀態(tài)被打破，魯珀特之淚自然就會(huì)瞬間瓦解。那么，要如何破壞這種平衡呢？從頭部破壞很明顯是不行的，根據(jù)科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)，魯珀特之淚的頭部可以抗衡20噸的液壓力量，只有壓力超過(guò)20噸，才能夠從正面擊破它。

相比頭部強(qiáng)大的防御力，魯珀特之淚的細(xì)小尾部可以說(shuō)非常脆弱。由于魯珀特之淚的尾部質(zhì)量最小，冷卻快，從而導(dǎo)致尾部冷卻不均衡，產(chǎn)生的應(yīng)力也非常小，只需要在尾部用手指輕輕一掰，整個(gè)玻璃內(nèi)部力的平衡就會(huì)被打破，魯珀特之淚會(huì)像多米諾骨牌一樣瞬間瓦解。

通過(guò)這個(gè)原理，科學(xué)家也將它應(yīng)用到了一些現(xiàn)代物品上。例如我們現(xiàn)在所用的鋼化玻璃，就是在魯珀特之淚的基礎(chǔ)上改良的——將普通玻璃加溫到550℃的塑性狀態(tài)后，進(jìn)入風(fēng)柵急速冷卻，再通過(guò)一些處理就可以得到鋼化玻璃。

岡布茨體自然界里本不存在的東西

2006年，匈牙利數(shù)學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種全新幾何體——岡布茨，它是世界上首個(gè)只有一個(gè)穩(wěn)定平衡點(diǎn)和一個(gè)非穩(wěn)定平衡點(diǎn)，且兩個(gè)點(diǎn)在同一平面上的均質(zhì)物體。這就意味著，無(wú)論以任何角度將其放置在水平面上，它都可以自行回到其固定的平衡點(diǎn)。

這很像大家都玩過(guò)的不倒翁，但不同的是，不倒翁的密度是不均勻的，是通過(guò)內(nèi)置重物使重心下移，依靠底部的重量獲得平衡。而岡布茨體是均質(zhì)物體，依靠本身的形狀就能自行恢復(fù)直立。

岡布茨實(shí)際上是一個(gè)著名的數(shù)學(xué)問(wèn)題的現(xiàn)實(shí)解答，這個(gè)問(wèn)題就是：是否存在一個(gè)這樣的三維幾何凸面體，它只有一個(gè)穩(wěn)定平衡點(diǎn)和一個(gè)不穩(wěn)定平衡點(diǎn)，能像不倒翁一樣，推倒之后自行恢復(fù)平衡。1995年，俄羅斯數(shù)學(xué)家弗拉基米爾·阿諾德（1937—2010，20世紀(jì)最偉大的數(shù)學(xué)家之一）提出了這個(gè)猜想，但他也證明不了，于是成為數(shù)學(xué)史上一樁小小的懸案。

岡布茨體

匈牙利數(shù)學(xué)家加博爾·多莫科什曾與阿諾德進(jìn)行過(guò)討論，阿諾德的設(shè)想激起了加博爾的好奇心，于是他和自己的學(xué)生彼特·瓦爾科尼開(kāi)始了這一探索。兩人花了10年左右的時(shí)間，寫(xiě)出了一個(gè)完美的數(shù)學(xué)模型，從數(shù)學(xué)上證實(shí)了這種幾何體的存在。但它到底是什么樣子呢？他們?cè)谧匀唤缰姓也坏竭@樣的物體，因?yàn)樗枰芨叩木?。兩個(gè)人最終決定把只在公式里存在的幾何體親自做出來(lái)。2006年，他們?cè)陔娔X上設(shè)計(jì)出了岡布茨，通過(guò)三維模型控制精密機(jī)床做出了世界上第一個(gè)岡布茨實(shí)物。岡布茨的誕生成為匈牙利科學(xué)技術(shù)界的驕傲。

第一只岡布茨于2007年作為祝賀壽辰的禮物贈(zèng)給了阿諾德教授；編號(hào)1458的岡布茨于2008年被匈牙利博物館收藏；編號(hào)為8的岡布茨用鋼材制成，高1.5米，最大寬度3米，重達(dá)2噸，陳列在2010年上海世博會(huì)匈牙利館的大廳，作為鎮(zhèn)館之寶。匈牙利人認(rèn)為，岡布茨不僅象征著平衡與和諧，也代表著總是能從挫折中“重新站立起來(lái)”的匈牙利民族精神。

新型鎖子甲面料莫不是金庸筆下的“軟猬甲”？

在武俠小說(shuō)中，“軟猬甲”可謂護(hù)體神器。它用金絲和藤枝混編而成，刀槍不入，可防內(nèi)家拳掌，既堅(jiān)固又柔軟，既輕便又保暖。英國(guó)《自然》雜志發(fā)表的一項(xiàng)材料學(xué)的最新研究中，描述了一種現(xiàn)代“軟猬甲”。這是一種由科學(xué)家研發(fā)的仿“鎖子甲”（鏈甲）的高科技智能面料，由3D 打印的相互連接的顆粒構(gòu)成。當(dāng)處于天然狀態(tài)時(shí)，這種面料易彎折，能披掛在復(fù)雜物體表面；當(dāng)對(duì)它們施加壓力時(shí)，這些顆粒會(huì)被擠壓扣在一起，使織物變得堅(jiān)硬牢固，且實(shí)現(xiàn)強(qiáng)載重，基于這種面料得到的結(jié)構(gòu)，其最大載重量為自身重量的30倍以上，直到壓力釋放。這種材質(zhì)將能用于各種機(jī)器人和醫(yī)療場(chǎng)景，預(yù)示著可能重構(gòu)穿戴式結(jié)構(gòu)的光明前景。

鏈甲結(jié)構(gòu)示意圖?Structured fabrics with tunable mechanical properties

去黑洞里冥想吧看自己能不能被抻成面條

雖然黑洞的時(shí)空曲率大到連光都不能逃逸，但據(jù)說(shuō)好奇的科學(xué)家找到了一種安全進(jìn)入黑洞的方法。

第一步，找一個(gè)合適的黑洞。為了能安全進(jìn)入，必須首選一個(gè)完全孤立、不旋轉(zhuǎn)帶電荷、沒(méi)有吸積盤(pán)的超大質(zhì)量黑洞。超大質(zhì)量黑洞從黑洞中心到事件視界的距離——也就是徑向距離——相當(dāng)大，這就能夠確保事件視界的引力沒(méi)有那么大，不會(huì)把人抻成面條，從而使你能夠安全地進(jìn)入黑洞的事件視界。

第二步，選擇一艘好的宇宙飛船。黑洞有超強(qiáng)的熱量和輻射，選擇一艘合適的宇宙飛船幫助你隔絕這些熱量和輻射，可以確保你在接近黑洞時(shí)不被蒸發(fā)。

第三步，堅(jiān)定目標(biāo)，聽(tīng)天由命。尤其當(dāng)你抵達(dá)事件視界時(shí)，不要試圖加速逃跑，這樣只會(huì)讓你更快掉落進(jìn)黑洞。你只要耐心等待，做好心理準(zhǔn)備。接下來(lái)，你會(huì)越過(guò)事件視界進(jìn)入柯西視界。在這里，時(shí)間和空間變得有點(diǎn)不穩(wěn)定，你的身體將受到各個(gè)方向的拉扯，周圍的時(shí)空界限也開(kāi)始被拉扯?？傊?，柯西視界就是很奇怪的地方。

第四步，振作起來(lái)。在柯西視界里，你的身體像面條一樣被拉扯，可能會(huì)導(dǎo)致死亡。如果不想就這樣結(jié)束探險(xiǎn)，那就需要你振作起來(lái)繼續(xù)在黑洞里移動(dòng)。一旦你越過(guò)了柯西視界，這里就會(huì)變得有點(diǎn)玄幻，因?yàn)槟壳暗目茖W(xué)理論并不能完全確定這里會(huì)發(fā)生什么。

第五步，冥想吧。黑洞一定是宇宙中進(jìn)行冥想的絕佳地點(diǎn)，只是有個(gè)缺點(diǎn)，即便你參透了人生最深層面的秘密，也無(wú)法發(fā)一個(gè)朋友圈告訴別人。這也許就是人生的古老奧秘之一：真理存在于人的內(nèi)心，而不是朋友圈。

第六步，尋找出路。假設(shè)你還沒(méi)有被黑洞摧毀，那么，是時(shí)候離開(kāi)了。有理論認(rèn)為，黑洞內(nèi)部可能存在蟲(chóng)洞。在蟲(chóng)洞的另一端，你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)自己瞬移到了另一個(gè)星球或維度，甚至可能是10年前你自己的宇宙。沒(méi)有人知道會(huì)發(fā)生什么。當(dāng)然你也沒(méi)有其他選擇，如果還想活著，就得嘗試一下。否則，你最終會(huì)落入黑洞更深處，直到被重力撕裂。

本文內(nèi)容來(lái)自微信公眾號(hào)“藝術(shù)商業(yè)”，ID：ATJ-2013