第4章
闪电的真相

一个漆黑的夜晚，狂风大作，中心城警察局的一位科学家巴里·艾伦正准备离开办公室。他驻足在化学储藏室旁，惊叹这里竟然有如此多的化学药剂。尽管他受过科学教育，但还是在这样一个雷电交加的夜晚站在了一扇打开的窗户旁边。突然一道闪电射进室内，击碎了化学容器，容器中的药剂洒在了艾伦身上，同时一股电流也经过他的身体。

幸运的是，这次事故只是把他击晕而已。当天晚上醒来后，他惊奇地发现自己徒步就能轻松地超过行驶的出租车，还能瞬间接住从盘子中掉落的食物并放回盘中。这次事故让他拥有了超级速度，他穿上简单而优雅的红黄制服，利用他的超能力去打击犯罪，成为闪电侠。

跟速度相关的物理现象有很多，在白银时代早期，《闪电侠》的几位主要编剧约翰·布鲁姆、罗伯特·卡耐尔和加德纳·福克斯就提到了一些。由于闪电侠跑得很快，所以经常会飞檐走壁或者在海面飞奔，他甚至能够抓住射向他的子弹。以上这些是否符合物理学原理呢？答案是若闪电侠的超乎寻常的速度成立，一切就都符合物理学原理。

闪电侠在白银时代的第一次亮相是在《展示橱》第4期“雷霆英雄之谜”中，他跑上一座办公楼的外立面，因为他的“超凡速度使其克服了重力作用”。在前文中，我们讨论了一个人的初始速度与他能跳到的最大高度之间的关系。当一个人上升的时候，他的速度会因重力作用而下降，直到达到高度 h ，此时他的速度为0。在第1章中，我们计算出，超人要想跳到660英尺的高度——相当于三四十层楼，他的初始速度至少要达到140英里/小时。但由于闪电侠的奔跑速度比这快得多，因此他应该能轻易跑上40层建筑的楼顶。当他接近建筑物墙壁的时候，只要他的速度大于 ，他就应该能够沿着外墙跑上楼顶，而不违反任何物理学定律（除了他每小时能跑几百英里这件事）。相反，一个没有超能力的普通人最快的奔跑速度差不多是15英里/小时（不排除跑得更快的可能），这个速度只能让他冲上一个小小的工具棚顶。

但是，关键问题并不在于闪电侠凭借足够快的速度能到达多高的高度，而在于是否有一个牵引力，使他能沿着垂直的墙壁一直跑到楼顶。即便是走路这个简单的动作，也包含着一系列有趣的物理学原理，如牛顿第三定律所说，力总是成对出现的。你在跑步或者走路的时候，你的脚向地面施加了一个水平的力，它的方向与你前进的方向正好相反。地面对你的脚也会施加一个大小相等、方向相反的力，这个力就是摩擦力。想象一下走在均匀覆盖着一层机油的楼梯上的情况，你就会明白摩擦力有多重要，即便只是对于简单的走路而言也是如此。如果闪电侠的靴子与地面没有摩擦力，他将寸步难行。闪电侠难缠的死对头之一——冰冻队长有一把“冰冻射线”枪，能让所有物体的表面结冰。冰冻队长经常使出这招，在闪电侠面前制造出冰层，没有了摩擦力，闪电侠的超级速度便没有了用武之地。

由于在日常生活中普遍存在并起着基础作用，摩擦现象常常被视为理所当然，事实上这是一种很复杂的现象。为什么在一个平面上拖拉一个物体时会有阻力呢？列奥纳多·达·芬奇和阿蒙东先后在16世纪初期和17世纪中期以科学的方式论证了摩擦力的基本特性，但直到20世纪20年代原子被发现，人们才对这一现象的根本原因有了准确的认识。

物质的原子构成方式主要有两种：第一，以统一的、周期性的晶态结构存在；第二，以随机的、非晶态的聚合物形式存在。当然，多数固体物质都介于这两种方式之间，有序晶态区域之间通常是随机连接的，有时也会被非晶态部分隔开。因此，即使看起来非常光滑的物体表面，从原子层面看也不一定是平滑的。实际上，即便是千分之一毫米（比单个原子大得多）大的物体，其表面就已经像连绵起伏的山脉了，而不是波澜不惊的湖面。因此，如果两个物体相互摩擦，不管这两个物体的表面看起来有多光滑，从原子层面上看，都不啻把落基山脉倒过来压在喜马拉雅山上，然后以某个固定的速度拉着上下颠倒的落基山脉在喜马拉雅山上移动。我们自然会想到像板块运动那样剧烈的地面隆起和大范围的扭曲变形，事实上，原子层面上的摩擦的剧烈程度不亚于此。每移动一下，原子间的连接就会断裂，产生原子雪崩和原子地震。原子重新排列的阻力就是“摩擦力”，没有摩擦力，闪电侠也只能原地踏步。

物体沿着平面运动时受到的摩擦力的大小与物体的质量是成正比的。物体越重，它移动时所要克服的摩擦力就越大。就算有足够大的力，拉动一个又大又重的东西还是比拉动一个又小又轻的东西难。古埃及人为修建金字塔发明了很多巧妙的方法来挪动巨大的石块。

其中一个典型的方法就是利用斜坡。在水平的平滑表面上，物体的全部重量都垂直作用于这个平面。然而，在倾斜的表面上，虽然重量仍然是向下的并指向地心（想象斜坡上的一条铅垂线），但只有部分重量垂直作用于斜坡表面，其余的重量则都作用于斜坡下方。而摩擦力只与垂直作用于表面的重量成正比，所以，物体在倾斜表面上的摩擦力比在平滑的水平表面上要小。即使表面很粗糙，只要斜坡的倾斜角度足够大，将物体固定在上面的摩擦力就不足以克服重量所产生的向下的拉力，物体就会滑下斜坡。然而，闪电侠是在垂直的墙面上跑，他身体的重量完全没有垂直作用于大楼外墙。因此，从理论上说，他的鞋和墙面之间完全没有摩擦力，他根本跑不起来。

那么，他到底能不能沿着大楼外墙跑上楼顶呢？从理论上说是不行的，至少不是我们通常所理解的“跑步”。他可以跳上墙面，在上面前后迈动双腿，让自己看上去就像在跑步。通常，当闪电侠跑动的时候，他的脚与路面成一定角度，向路面施加压力，路面对他的反作用力（牛顿第三定律）也与路面成一定角度。产生的结果就是，他在垂直方向和水平方向上同时在加速。垂直的速度让他从地面上弹起来，而水平的速度使他向前飞奔。垂直方向上的速度越快，他弹得越高；水平方向上的速度越快，他前进的距离越远。在这短短的一瞬间，重力战胜了小小的垂直速度，把他的脚拉回地面，并准备迈出下一步。跑得快的人，当然也包括闪电侠，在两步之间双脚都是离地的。他们跑得越快，在“空中”停留的时间就越长。如果闪电侠每步弹起的垂直距离是2厘米，在重力把他拉回地面并迈出下一步之前，他在空中停留的时间大概是1/8秒。1/8秒对于闪电侠来说可不算短。如果他的水平速度是5250英尺/秒，也就是3600英里/小时，他两步之间的距离就将超过660英尺。这大约是1/8英里，也就是第1章中超人纵身一跳的高度。只要闪电侠不低于这个速度，他就不用担心脚步失控，因为他迈一步就可以达到一栋楼的高度。

在闪电侠跑上楼顶之前，他需要把自己的奔跑方向从水平调整为垂直。在后面的章节我会继续讨论，运动方向上的任何变化，不管是蜘蛛侠凭借蛛丝飞檐走壁，还是闪电侠在建筑外墙上变换方向，都需要一种外力产生加速度。把运动路线调转90度需要借助一个很大的力，这个力来自闪电侠的鞋与地面的摩擦。除了超级速度之外，闪电侠的“不合常理的奇迹”自然还包括他能够产生并且承受住除超人以外的超级英雄几乎承受不了的加速度。

牛顿运动定律也可以解释为什么闪电侠能在海面或是湖面上奔跑。对于格温·斯黛西来说，撞击水面的最终速度是决定其生死的关键因素，而闪电侠的超级速度则使他能够在水面上飞奔。当一个人在空气、水或者机油等流体介质中移动时，这些介质会随着你的脚步散开。介质的密度越大，人的动作就越缓慢。在有水的游泳池里走比在空游泳池（也就是装满了空气）里走需要费更大的力气；如果游泳池里装的是糖浆，就更费劲儿了。流体对于运动的阻力就是“黏度”，介质的密度越大，在其中运动的速度越快，黏度就越高。

对于像空气这种比较稀薄的介质而言，相邻分子之间的距离较远。在室内温度和压力条件下，相邻空气分子之间的距离大约是氧分子或氮分子直径的10倍。此外，每一个空气分子都在以1100英尺／秒（750英里/小时）的平均速度（这也是声音在空气中的传播速度）快速移动。当我们在空气中行走时，我们的面前不会形成一堵高密度的“墙”，因为我们的速度比空气分子的平均速度小得多。我们可以想象一下放牛的场景：在牛群奔跑的过程中，如果你想把一头牛赶进牛群，其他牛就会散开。如果这群牛在慢慢走，你用同样的速度把一头牛赶进牛群，它们就能聚成一群。当然，人的移动速度有可能超过声速（1947年，查克·耶格尔上校率先实现此举），但也要为此付出巨大的努力。如果你以比空气分子的移动速度更快的速度挤走空气，你的面前就会产生一块空气密度很大的区域（即冲击波）。

事实上，在“天气巫师的挑战”这个故事中，闪电侠就是用冲击波击退了天气巫师。马克·马东是个不入流的骗子，他偷了已故科学家弟弟的“天气魔杖”，从而能够控制天气。跟漫画里其他那些自我感觉良好的反派一样，一旦拥有了能够掌控大自然的武器，他就马上穿上华丽的制服，自称“天气巫师”，抢劫银行、扰乱警局。在故事的结尾，就像我们在图9中看到的，“闪电侠以极快的速度向他的死对头冲过去，他前方的空气形成了冲击波，就像一块厚厚的玻璃板砸向马东”。这从物理学角度准确地描述了闪电侠的超声速移动的效果，也是20世纪40年代困扰试图突破音障的战斗机飞行员的原因所在。当闪电侠以声速或超声速移动时，他产生的压力波就会形成“声波炸弹”，比如《展示橱》第4期中，一声巨响宣告了闪电侠的首次登场。

当闪电侠将自己前面的空气挤压在一起之后，他身后的空气密度就会减小。与正常密度的空气相比，闪电侠身后的这种低密度空气可被视为部分程度的真空。空气会流动过来填补真空，而闪电侠身后这股空气流就会形成尾流区域。他跑得越快，他身后的空气与周围空气的压力差越大，纠正压力失衡所需的力也越大。在运动速度较慢的物体上，我们也能观察到这种现象，比如驶入隧道的地铁列车。封闭的隧道会强化驶离的列车所造成的上升气流，让列车后面的报纸和垃圾飞起来。虽然闪电侠周围并没有密闭空间，但他能够创造出一块低气压区，减缓路人、汽车或者巨型炸弹的坠落，他也可以像图10中那样绕着圈奔跑，形成一个旋涡，把坏人困在里面。

我们再接着讨论声音在空气中的传播速度问题。当闪电侠的速度大于1100英尺/秒（或者750英里/小时）时，他与其他人就只能通过视觉信息交流了。站在他身后甚至他身边的人都没办法跟他讲话，因为闪电侠的速度比声波的速度还要快。当然，对于站在闪电侠前面的人来说，他们之间可以进行语言交流，但还是会存在障碍。即便他能听到别人讲话，那种声音对于闪电侠来说也会十分尖锐刺耳。

我们所谓的“声波”实际上指的是在一个膨胀与收缩交替出现的区域，介质密度的变化。相邻的两个声波收缩（或膨胀）区域之间的距离叫作声波的“波长”，这与我们听到的音高有关。音高（或者频率）衡量的是每秒经过某个特定点的完整声波周期的数量。波长较长，音调较低（想想看低音提琴的音调，琴弦的长度与其发出声音的波长有关）；波长较短，音调较高。当闪电侠奔跑的时候，即便他没有超过声速，他的高速运动也会影响他听到的音高。假设他朝着一个人跑过去，那个人正在大声地向他发出警告。声波具有一定的波长，表示相邻的两个收缩或者膨胀区域之间的平均距离。当这些密度不同的声波传播到闪电侠耳朵里的时候，如果他是静止不动的，他听到的音调就是由讲话者的声音的波长决定的。但在闪电侠奔跑的时候，先是一个收缩的声波传到他的耳朵里，然后很快下一个收缩的声波又抵达他的耳膜。所以，闪电侠就会听到波长更短、频率更高的声音，因为他正在朝着声音的源头奔跑。他跑得越快，声音的波长和频率的变化就越大。

这种现象被称为“多普勒效应”。如果知道一个静止波源的波长，并用一个移动探测器测量这个波长，就可以确定探测器的速度。或者，你可以发出一个已知波长的波，让它在一个静止的目标处反弹，它就应该以同样的波长返回。如果目标朝着声源移动，反弹回来的波的波长会变短；如果目标朝着声源的反方向移动，探测到的波的波长会变长。天气观测站经常使用多普勒雷达去探测波长的变化，气象学家可以据此计算即将抵达的风暴速度。

这也是雷达枪的基本原理，它使用的是已知波长的无线电波。根据反射波与发射波的波长变化，来确定反射这些波的物体（像是扔出去的棒球或者疾驰的汽车）的速度。目标移动的速度越快，波长的变化就越大，探测到的声波音调就越高。如果闪电侠以500英里/小时的速度向一个人跑过去，这个人用正常的声音讲话，音高大约是每秒振动100次，闪电侠听到的声音就会变成每秒振动166次。虽然声音听起来会很奇怪，但闪电侠可以听清那个人的话。如果他跑得更快，会不会就听不到了呢？人类能够听到的音高极限值是每秒振动20000次，为了让闪电侠听到的音高能达到这个水平，他必须以超过150000英里/小时（也就是声速的0.02%）的速度向讲话者奔去。但如果闪电侠以这么高的速度奔跑，那么除了多普勒效应之外，还会有其他问题产生。

闪电侠抓住飞行的子弹的绝技也符合牛顿运动定律。如果你跑得比子弹快，就不需要防弹技术了。可是那些枪口下的无辜路人怎么办？图11从物理学角度展示了在这种情况下超级速度的用处。在《闪电侠》第124期里，一个潜在的受害者这样描述：“……这位神奇的极速者仅仅靠与呼啸而过的子弹保持同样的速度，就能够在子弹射中目标之前用手拨开所有的子弹。”也就是说，闪电侠能让自己的奔跑速度与子弹的飞行速度一样，即二者的相对速度为零。你能在飞行的飞机上毫不费力地拿起一本书或者一个杯子，这是因为你和飞机是相对静止的。同理，闪电侠能抓住在空气中飞行的子弹，是因为他与子弹都以1500英尺/秒或者超过1000英里/小时的速度向同一方向运动。《闪电侠》第124期的编者注中指出，“闪电侠抓住子弹就像棒球守场员接住一个速度很快的滚地球，后者是靠迎着棒球的飞行方向挥动手套做到的！”

我们在第3章中讨论过，高空坠落的问题不在于速度而在于减速的过程。对于格温·斯黛西来说，她的制动时间非常短，以至于制动力非常大。我们在前面提到，拳击手受到击打时会蜷缩身体，是为了延长时间，让所受伤害最小化。正如编者注所指出的，闪电侠运用的也是相同的原理。除了能够急速奔跑，巴里·艾伦显然也能够承受加速或者减速时产生的巨大加速度。因此，当闪电侠停下来的时候，他抓住的那颗子弹也停下来了，这样他才能帅气十足地把子弹扔到对手脚下。