足球中的物理学--迎接20xx年世界杯特稿

足球中的物理学--迎接20xx年世界杯特稿内容摘要：

和 3 个五边形间隔相接 ，共有 60 个顶角，碳原子位于顶角上，是一个完美对称的分子。 由于是在富勒的启发下，他们三人推测出了 C60 的球形结构，因此 1985 年他们在《自然》杂志上发表文章时，特意给 C60 取名为 Buckminsterfullerene，即巴克明斯特富勒烯，简称 Fullerene 即富勒烯，或用富勒的名字称为 Buckyball 即巴基球。 因 C60 酷似足球，所以又称为 Soccerene 即足球烯。 由于克罗托、科尔、斯莫利三位科学家在富勒烯研究中的杰出贡献，他们共同荣获了 1996 年的诺贝尔化学奖。 二、富勒烯与碳纳米管： 说到碳纳米管之前，我们首先要对比一下 C60分子和 C70分子的结构。 C60分子是一个足球形状， C70分子是一个橄榄球形状，相当于把 C60分子沿原子间最大的一圈连线分开（锯齿状）然后转一个小角度再拉长，添上一圈 10 个 C 原子。 （有兴趣的读者可以做一个模型试一下）。 如果这样一直下 去，每增加一圈 10 个 C 原子，这个分子都会拉长一点，就会逐渐拉成一个长管，这就是纳米材料的先驱 —— 碳纳米管。 上图左边画出了碳的几种同素异构体，分别是金刚石，石墨， C60和碳纳米管。 碳纳米管有着不可思议的强度与韧性，重量却极轻，导电性极强，兼有金属和半导体的性能；把纳米管组合起来， 比同体积的钢强度高 100 倍，重量却只有钢的 1/6。 是理想的新材料。 如果把它添加到普通的金属和塑料中，用这种复合材料织成线，做成体育用品，比如足球运动员的护腿板，球鞋，或者守门员的服装，那么绿茵场上不但伤情会减少很多，而且球员的跑动将更加轻盈，足球本身的精彩程度还会提高，足球与碳纳米管真是有着不解的缘分。 碳纳米管具有中空的结构，可以作为“储存”氢气的容器。 被其储存起来的氢气密度，甚至比液体或固态氢气的密度还高。 适当加热，这些氢气可以慢慢地被释放出来。 这样一种储存密度高，自身比重轻的储存装置正是当前人们梦寐以 求的材料。 如果汽车用氢气燃料电池来代替汽油作燃料，尾管排出的废气中只有水蒸气，车辆就不但不会造成空气污染，而且会增加空气的湿度。 如果用碳纳米管储存材料做成可携式的能源，那么探险家们可以直接用它来做野炊的燃料。 而氢气是一种可再生能源。 当前的电视机显示器都需要电子枪，假如用碳纳米管作成面积与荧光屏一样大小的平面电子枪，每一根管子是一条电子通道，纳米就可以造出壁挂式电视，以及可折叠显示器了。 总之，作为最早发现并被应用的纳米材料，碳纳米管将在人类社会发展中起到越来越重要的作用。 足球精神与物理学精神的相似性 去年是世界物理年，记忆中除了纪念爱因斯坦的活动风风火火开展了几天外，平时多少显风平浪静毫无气氛。 今年是世界杯年。 伴随着欧洲 4 大联赛及冠军杯的硝烟散尽，德国世界杯的即将开赛，全世界都在拭目以待，这个夏天将为足球而疯狂。 身为一个物理领域科研工作者，在等待着为世界杯狂欢的同时不禁要问：如果全世 界像关注足球那样关注物理学，那么物理学会是什么样子。 把自然科学类比为球类运动的话，如果说数学更像个人能力经常起决定作用的篮球，那么物理学则更像是突出集体合作，充满偶然性，气势更为浩大的足球运动。 物理学与足球，一个是整个自然科学的核心，一个是体育运动的王者，他们在科技和体育两个领域相似的位置奠定了他们相似的精神。 一、直接的高对抗性 球队的对手是另一支球队，科学家对手则是神秘的大自然。 很多自然科学研究方法是经验的，他们一般比较重视结果，并且积累实验结果来应用，而很少追究这种结果产生的内在原因， 一般不会对自然深入微观本质研究，这一点很像中间一个网把竞技双方分开的球类运动，如排球，网球，乒乓羽毛等。 对抗大多体现在技术层面上，不发生身体接触。 而物理学家则不同，和大自然不是简单地面对面，而是深入微观世界当中，他们的目的不仅仅是发现某种现象，而是深入探求这种现象产生的本质原因，他们的目标就像足球场上对方的球门，在最后面。 需要突破大自然的层层防守方能破门得分，面对大自然稳固的后防线和神奇门将，进一个球确实很难。 当面对某种物质的一些新性质，化学家第一反应往往把它用实验先“测”出来，然后纪录下这条性质以便利用。 物理学家第一反映往往是用量子理论把它先“算”出来，然后通过实验验证计算结果是否正确。 以原子尺度为界，一个关注的是向上，即它们如何组成新的分子，如何在人类生活的宏观世界得以体现并应用。 一个关心的是向下，即如何根据电子的波函数来得出原子为什么具有这种性质，他们间的电磁相互作用如何能产生新的单个分子或凝聚态物质，物理学家面对大自然的防守可谓带球突入禁区直捣龙门。 二、 100%的团队精神 NBA 里面，某个得分后卫从后场运球转身变向加速杀入篮下飞身扣篮得分，这种镜头司空见惯。 但在足球场上职业比赛中，如果某位巨星 从后场带球假动作变向摆脱连过对方数人突入禁区射门得分，那绝对是少有的奇迹，会被铭刻为永恒经典。 人们热衷于谈论某位破门得分捧起金杯的物理学家时，经常忽视那些给他们助攻的物理学家。 譬如德布罗意给薛定谔传出那记致命的波粒二向性解释，波恩给海森堡传出矩阵方法的那记单刀。 理论物理偶尔能诞生技术精湛，突破能力极强的天才大师，凭借一己之力取得重要成果。 实验物理则完全是靠整体配合，心心相通，甚至熟练到一脚出球来撕破对方防线破门得分的地步。 踢过球的人都知道这种球队是最可怕的。 实验设备的正常运转好比有效的体能保障，每个科研 人员分工明确，导师如同教练，研究生和年轻科研人员如同球员。 在教练的带领下熟练配合，集体攻关。 所以牛顿所说的“因为我站在巨人肩膀上”的那些巨人，就是给他传球，为他助攻，训练他提高，帮他制定战术的队友和教练们。 三、戏剧性和偶然性 在每次世界杯赛上， “ 冷门 ” 和 “ 黑马 ” 这些词汇出现频率要远高于其他球类运动，足球场上小概率事件频频发生，主要原因是足球得分要比其他球类运动难得多，足球进球等分的偶然性也远高于其他球类运动。 每次传球，每次射门，击球点的小小偏差会决定这个球能否破门得分，而这个一个进球，可能决定一个球 员一生的命运，决定一个球队多年的命运，决定一个国家足球发展的轨迹。 于是所有球类运动中，“蝴蝶效应”在足球上体现的最为明显。 无论哪国联赛，每一轮平均进球数很少有超过 3 个的。 0－ 0， 1－ 0， 2－ 0，3－ 0， 1－ 1， 2－ 1， 3－ 1， 2－ 2，„„足球场上绝大多数比分都是这样。 在日益功利化的今天，足球越发重视防守，强队比赛时破门得分变得越来越难，这越发增加了球场上的偶然性。 这一点上物理学与足球及其相似，物理科研领域涉及的问题大多是重大的基础科研问题，出成果的速度显然难以与化学，生物，材料，电子相抗衡。 就连物理学的 内部，研究应用方向为主的凝聚态物理学和光学，其出成果速度也要远大于粒子物理与原子核物理等基础方向，因此前两个方向大约吸引了八成以上的物理工作者来研究。 出成果速度慢，又带着很多偶然性因素在里面，中国的基础科研似乎于中国足球面临同样的问题，经过长时间的努力，尝试一切办法改革结果却收获甚微。 近些年来中国其他很多方面都走到了世界前列。 中国经济连续稳定高速增长，国内投资到基础科研上的经费也像足球届股东投资俱乐部那样逐年增长，尽管大多数经费用来购买设备，科研人员的待遇相对于职业球员还是九牛一毛，但这还不能不能作为中国 基础科学发展缓慢的理由。 急功近利的思想，这恰恰是中国基础科研和中国足球最大的敌人。 这种思想与基础科研出成果难的特点相违背。 从事基础科研尤其是物理领域，不但需要的设备更大型更贵重，其研究人员需要的知识背景和数理基础也要高于其他专业，这条难走的路在年轻人中越来越没有市场，而且急功近利的思想已经完全渗透到中国现行的学术评价体制中，以论文数来决定一个学者的命运，这对于基础研究极为不利，也许相对于中国足球来说，中国基础科学唯一值得庆贺的是基础科研工作者们大都安分守己，献身祖国科技事业，学术腐败没有像球场上假球黑哨那样盛行，这是值得欣慰的。 物理学毕竟是少数人从事的专业，我们不敢奢望物理学像足球一样能在百姓生活中有那么大的市场，有如此丰富的话题，但我们希望更多人能对物理学多一份关心，多一份理解。 在观看今年世界杯精彩比赛的同时，想到支配球场上乃至整个。