美國隊長（圖片來源於網絡）
「漫威宇宙的科學觀」是《三味新知》的首個分系列，本系列的內容合伙人是新東方的物理名師朱一明老師，朱老師曾在香港科技大學研究物理學和哲學，非常擅長將武俠、動漫、電影元素融入到物理知識中。「漫威宇宙的科學觀」系列今天推出第四期：美國隊長所向無敵的盾牌是什麼材料做的呢？是否是一個科學的存在？
新東方物理名師 朱一明
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/內容運營/ 劉芳晴
/欄目策劃/ 坤子 文博
【三味新知】是「三味」品牌下的一檔音頻知識欄目，用十分鐘，討論一個話題，分享一個觀點、得到一個新知，讓您的每個十分鐘，從此變得更有意義。
你好，歡迎回到三味新知，上一集我們聊了漫威電影中鋼鐵俠的鋼鐵戰甲，裡面包含了很多我們現有的科學水平所無法企及的頂尖技術。如果你看過蟻人這部電影，可能還記得裡面的初代蟻人皮姆博士用「花哨」這個詞來形容鋼鐵俠的戰甲，確實很花哨，最後這套戰甲可以說已經無所不能了。這一集我們來講講漫威電影中另外一個非常厲害的武器，就是美國隊長的盾牌。如果也用一個詞來形容這面盾牌的話，我唯一能想到的詞就是「完美」。那美隊的盾牌有多完美呢？為什麼在內戰中蜘蛛俠說它根本就不符合物理定律？它又具備多少常規材料所不具備的物理性質呢？咱們一個一個的說。
電影劇照（圖片來源於網絡）
首先，美國隊長的盾牌按照我們對兵器的理解和劃分應該屬於冷兵器。那在漫威宇宙這樣一個腦洞大開的世界裡，美隊就用著這樣一個冷兵器完成了很多不可能完成的任務，關鍵就在於美隊的盾牌是用一種特殊的金屬材料製成的，這種材料叫做振金，英文是vibranium，用的是vibration，振動這個詞作為詞根發明的一種新的物質，它在電影中的設定是宇宙中最強的金屬。
美隊的盾牌，黑豹的戰衣，以及復聯3中瓦坎達大戰時冬兵的機械手臂，都是這種材料製造的。看過《黑豹》這部電影，你應該知道振金這種材料是怎麼來的。地球上是沒有這種物質的，宇宙當中也很稀有。好不容易有那麼一塊，是以隕石的形式落到了地球上，就是瓦坎達所在的位置。為什麼瓦坎達的科技領先地球上其他國家那麼多，靠的就是這塊隕石。
振金隕石落向地球（圖片來源於網絡）
如果你對振金這種材料本身很感興趣，你可能會問一個問題：它是由一種元素還是多種元素構成的？換句話說，它是單純的金屬元素還是合金？這個設定電影中沒有明說，但是我推測它應該是一種單質，只由一種元素構成。因為在漫畫中振金被用來跟碳元素相結合，製成了艾德曼合金，也就是金剛狼的爪子。那你既然管艾德曼這種金屬叫合金，反過來推測振金應該就不是合金。要想合成這種金屬元素，需要非常苛刻的外部條件，這些條件地球上肯定是不具備的，只能在宇宙當中尋找了。它可能需要恆星表面才具有的極端的高溫高壓，才能產生出這麼一小塊隕石大小的振金。
金剛狼鋼爪是振金和其他物質的合成（圖片來源於網絡）
振金這種材料的第一個特性：它能百分之百抵消甚至吸收外來的衝擊力。不光是子彈打在上面沒有效果，看過《美國隊長2》你可能會對一個情節印象深刻，就是美隊從很高的樓上跳下來，摔到地上卻安然無恙，靠的就是盾牌抵消了很大一部分衝擊力，甚至雷神用雷神之錘全力砸在上面，結果卻是自己被彈飛了。後來黑豹的妹妹，蘇瑞公主，利用振金的這個特性，開發了一門黑科技，她把振金消除的那部分衝擊力作為能量儲存在了黑豹戰衣的內部，必要的時候可以隨時拿出來使用。這樣黑豹也不用光靠近身肉搏了，他靠這些能量也可以放出衝擊波一類的大範圍攻擊。復聯2的時候奧創還開發了把振金原子和人體細胞相結合的技術，創造出了幻視。
那要想做到抵消衝擊和儲存能量這兩點呢？從物理上講，需要振金這種材料同時具備很高的強度和韌性。我們總說堅韌不拔，但其實「堅」和「韌」是兩回事，有些時候甚至是矛盾的。堅指的就是強度，意思是一種材料它能承受多大的衝擊力而不變形；韌指的就是韌性，意思是它能變形到什麼程度而不折斷。舉兩個簡單的例子你就明白了，筷子就是典型的強度很高，但是韌性不足。你想掰彎一跟筷子不太容易，但一旦你的力夠大，大部分筷子在彎曲的同時直接就折斷了，它承受不了太大的變形，說白了，就是太脆。我們經常說，一拳打在棉花上，棉花就是典型的韌性很高，強度不足。你用很小的力捏一下，棉花很容易變形，但是你想從中間把一塊棉花整個撕開，也不是那麼容易的。
所以為什麼我國有很豐富的鐵礦資源但是很多鋼鐵還得靠從國外進口，就是因為我們的鐵礦石成分不好，煉出來的鋼無法兼具強度和韌性。因為鋼通常用來做建築材料，既然是建築材料，首先，你的強度不能太低，否則蓋出來的樓直接塌了，而同時又不能太脆，否則熱脹冷縮會很容易折斷。而振金這種材料，就好像一塊優質鋼鐵一樣，同時具備極高的強度和韌性。
美國隊長盾牌（圖片來源於網絡）
那我們現實世界當中有沒有什麼材料能跟振金相媲美的，或者說有沒有一種低配版的振金呢？如果硬要找到一種性質跟振金類似的，那就是我們航空航天事業應用最多的鈦合金。我們用它來造飛機，在漫威電影裡鋼鐵俠是用鈦合金來打造戰甲的，因為這種材料在堅韌的基礎上還很輕便，比鋼鐵還輕，所以很適合用於飛行。鋼鐵俠還吐槽過說我為什麼要叫自己鋼鐵俠呢？我的戰甲明明就不是鋼鐵。你平時坐飛機的時候如果有留意飛機翅膀那個部位，你可能會有些害怕，因為你發現翅膀在不停的上下晃動。別擔心，這正是鈦合金韌性高的體現，它能保證飛機在很強的氣流衝擊下不會散架。
當然，有優點就會有缺點，鈦合金和振金一樣，雖然強度高韌性好，但隨之而來的問題就是加工困難，因為你很難使它變形，在上面打個洞或者雕刻一些紋路都會很費勁，加工成本非常高。所以目前還很難應用在民用領域，你想開上鈦合金的汽車，恐怕還得等上好多年。
咱們說回美國隊長的盾牌，在電影中經常有美隊扔出盾牌之後，盾牌在敵人中間彈了一圈之後又飛回來，你發現它反彈了那麼多次但是速度並沒有減少。這個在物理上叫完全彈性碰撞，簡單來說就是碰撞過程不損失能量，有點像我們平時玩的桌球，桌球和球拍的碰撞就很接近於完全彈性碰撞，反彈之後速度非常快，所以桌球對運動員的反應速度要求很高。那跟我們的奧運冠軍一樣，美國隊長扔盾牌也已經扔到如火純青的程度了，他甚至用盾牌擊落了一架神盾局的戰鬥機，因為他完全掌握了這個盾牌的物理特性。
美國隊長與鋼鐵俠（圖片來源於網絡）
但是有一件事讓人想不通，內戰的時候，美隊用盾牌切斷了蜘蛛俠的網，然後你發現盾牌在沒碰到任何物體的情況下又自動飛回了美隊的手上，蜘蛛俠馬上就吐槽說，你這東西不科學啊！因為它違背了最基本的慣性定律，一個物體在沒有阻礙的過程中應該朝一個方向一直運動下去，怎麼還能回來呢？美隊直接告訴小蜘蛛，你還太小很多事情你不懂。其實美隊在扔盾牌的時候同時用到了飛機起飛和足球運動員踢香蕉球的原理，這個原理科學上叫伯努利原理，它是空氣動力學裡面一個很重要的應用。
簡單來說，就是一個運動的物體，如果左右或者上下不對稱，會產生一個額外的力。對於飛機起飛來說，因為飛機翅膀上表面和下表面的形狀不一樣，會導致下方空氣的支持力大於上方空氣的壓力，正是上下表面的這種壓力差才把飛機託在天上。
美隊盾牌和機翼側面形狀很像（圖片來源於網絡）
而足球運動員踢香蕉球，除了要讓足球飛起來之外，還需要給它一個強烈的旋轉。如果球是逆時針旋轉，會使球前進方向右側空氣的壓力大，左側空氣的壓力小，導致球最後會走一個自右向左的弧線。
「香蕉球」原理示意（圖片來源於網絡）
而美隊要想讓盾牌飛回來，必須既讓盾牌像飛機一樣高速飛行，又要讓它像足球一樣高速旋轉。高速飛行是利用空氣的託舉力短時間之內不讓盾牌掉在地上，而高速旋轉是讓盾牌拐一個弧線，最終飛回到自己手上。所以，作為一個高中生，蜘蛛俠的物理知識顯然還不夠。
美國隊長海報（圖片來源於網絡）
那麼聽完了鋼鐵俠、美國隊長。下一集，咱們聊一個稍微大一點的話題：宇宙。漫威電影中是用6顆無限寶石分別代表了宇宙的6個不同的基本元素。那問題隨之而來：為什麼是6個不是7個？宇宙那麼大，我們不知道的東西有那麼多，為什麼這6種元素就可以代表整個宇宙？換句話說，宇宙究竟有哪些最基本的層面和要素？請繼續關注《三味新知》。
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