现代物理学教你发射奥特曼的必杀光线
中科院物理所2019-11-06 12:51
奥特曼有远超人类的体型和力量，但是在凶悍的小怪兽面前，单纯体术的战斗往往不占上风。能让各类奥特曼在各种挑战中无往不利的，还是得靠他们最为人熟知的那道光线必杀技：
对于这个大招，人们总爱直观地把它叫做“奥特光波”“奥特射线”。其实，每个奥特曼的光线技都有不同的名字。比如在赛文里它是艾梅利姆光线，艾斯里是梅塔利姆光线，这些绝招名字往往又长又拗口，想要记全这些招式，对地球人来说有点难。
不过万变不离其宗，所有的这些花哨的把式都离不开一个基础光线技——斯派修姆光线。
设定中，斯派修姆光线是奥特曼所在的“光之国”战士们训练的基础技能，也就是入门技。初代奥特曼和杰克奥特曼打的大部分怪兽都是用这个技能解决的，也正因此，这也成了大伙最熟悉的奥特曼绝招，成了奥特曼的代表技能。
相信很多人小时候都试着学着奥特曼的动作，双手交叉，试图也能像他们一样从手掌间挤出点光线出来。但是显然，没有经过科学知识武装的大脑，即便能模仿出这些动作也注定会是徒劳的。
这不意味着当年的你不够努力，当然，也更不意味着这些绝招本身就是不可实现杜撰。
一切只是方法的问题。
现代物理学会告诉你，发出奥特曼的光线必杀技才不是什么难事。不管他们的名字多么花哨，原理都大同小异。去繁从简，现在我们就以最经典的“斯派修姆光线”（Specium Ray）为例，揭示奥特曼必杀技的秘密。
斯派修姆光线的特性
（激光的产生条件）
针对斯派修姆光线是怎样发出的问题，各种奥特曼的百科资料中，我们很容易找到这样的概括性描述：
斯派修姆光线的发射原理：奥特曼于右手储蓄负极能量，左手储蓄正极能量，双手接触组合在一起后产生了斯派修姆能量，在一瞬间内转化为能量流射线，以近光速的速度发射击杀对手。
这样的过程讲解词看似炫酷，但其实也就是骗骗没学过物理的小学生，没有多少有价值的信息。真想获得可靠的线索，反倒不如直接从看到的现象结果出发，逆推出这个技能的形成过程。
我们至少可以确定的一个最基础的事实就是：斯派修姆光线属于一种激光射线。
要探究奥特曼如何从手部发出激光，我们首先要知道激光的形成条件和原理是怎样的，这是分解奥特曼光线必杀技能原理的关键。不要慌，这很好理解。
先说光是什么？我们日常生活中绝大部分的普通光线都是由原子的“自发辐射”产生的。即：
原子获得能量→从低能级跃迁到高能级→高能级不稳定，不能持续存在→原子从高能级回到低能级（自发辐射）→释放能量（光子）
好的，我知道你看不懂，举个好懂的例子。
原子就像一只星之卡比，他们会从外界获取能量，但因为自身能够承受的能量有限，多余的能量会被他们以光子的形式吐出。这个循环，就形成了一次原子的“自发辐射”，被吐出的“光子”就是你所看到的光。
长久以来，光的自发辐射就这样漫无目的、也几乎毫无规律的进行着。直到1916年，爱因斯坦提出了另一种光形成的可能，就是“受激辐射”。
过程是这样的：
当一定的光子入射时，也会引发原子以一定的概率，迅速地从能级E2（高能级）降到能级E1（低能级），同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子，这个过程称为受激辐射。
好的，继续拿卡比举例：
现在我们这里有一堆吃饱了的卡比（高能级），他们吐星星的规律本来是不固定的。但是这个时候，如果卡比受到一个频率为V的光子刺激，就会也吐出一个方向频率都相同的光子。
此时，之前的初始刺激光子依然没有消失，两个光子再次向前进发，又分别撞上了两个新的吃饱了的卡比，新卡比受到冲击，也吐出了方向频率都相同的光子。这个时候同样的光子已经有了四个
以此类推，这些光子呈指数级地增长并向前推进，由于他们的行进路线和波长都是一致的，所以最终会形成一道连续不断的射线。
这个过程，叫做“受激辐射光放大”，简称“激光”。
但是，激光的实现过程有一个前提，就是受激物质中“吃饱卡比”（高能量级原子）的数量一定要比“普通卡比”（低能量级原子）多，这样才能保证有足够的光子可以被激发出来。可现实是，物质的稳定状态几乎都是低能量级原子占大多数。
因此人类发现激光原理后，过了几十年也依然没有真正制造出激光，其最关键的原因就是找不到合适的办法人为地让“吃饱卡比”的数量多于“普通卡比”——也就是实现所谓的“粒子数反转”——这是激光形成的关键。
同样作为激光一种的奥特曼大招，当然也必然要通过“粒子数反转”来实现激光的发射。那么奥特曼又是怎样做到的呢——
在初代奥特曼的第二话，科学特搜队的村松队长提到：
“斯派修姆光线的形成，需要一种叫做“斯派修姆”的物质。这种物质大量存在于火星，而且令奥特曼的劲敌巴尔坦星人非常忌惮。”
“斯派修姆”物质是什么？
斯派修姆物质与红宝石
暗杀宇宙人纳克尔星人知道答案。
纳克尔星人为了杀掉奥特曼，曾认真地分析了奥特曼斯派修姆光线的诸多精确数据：
“斯派修姆物质的结构比例为3000个铝原子：8个铬原子 ，斯派修姆光线有着50万度的高温以及50万马力的能量功率。”
正在出拳的是纳克尔星人
也许你以为纳克尔星人只是吹牛逼打嘴炮，但实际上从现代物理学得到的结果看，这个数据非常严谨。
问题来了，我们地球上到底有没有这种铬铝比为0.27%（8/3000）左右的复合物质呢？还真有，就是红宝石。红宝石的定义中会告诉你：“红宝石的主要成分是氧化铝(AlO)。红色来自铬(Cr)，主要为CrO，含量一般0.1~3%，最高者达4%。”
1958年，终于有人和纳克尔星人站在了同一起跑线上，美国物理学家西奥多·梅曼用一个高强闪光灯管来刺激一块物质里的铬原子，实现了激光发射，并在之后成功制作出了第一台激光器——这台激光器所用的工作物质，正是红宝石。
实现原理是这样的：首先我们要让红宝石中的铬原子实现“粒子数反转”，用星之卡比的例子说就是：
①先用能量刺激“普通卡比”（E能量级）成为“吃撑卡比”（E能量级）；
②“吃撑卡比”（E能量级）不能存在太久，降级为“吃饱卡比”（E能量级）；
③此时会有大量的“吃饱卡比”（E能量级）存在，并有少量的“普通卡比”（E能量级）。“粒子数反转”形成。
通过粒子数反转，大量的能量级E的原子出现后，只需进行一次光子刺激，激光线就能顺利产生了。
至此，奥特曼大招的发射方式已经明了：
从上面的示意图我们可以看出，斯派修姆光线的介绍中，所谓的“右手储蓄负极能量，左手储蓄正极能量，双手接触组合在一起后产生了斯派修姆能量”，其实只不过相当于大招发射的一个点火装置。而斯派修姆光线形成的关键，还是在于奥特曼携带的斯派修姆物质，以及奥特曼体内可供持续输出的巨大能量。
因此，奥特曼双手交叉的姿势反倒是发射必杀技里最不重要的一个环节，通过后面的故事我们也可以发现，不同的奥特曼完全可以根据自己的喜好去定制必杀技的点火方式。
比如艾斯会装在手肘上：
赛文喜欢装在大脑门上：
甚至这玩意装在眼珠子上也没什么毛病：
总结
其实自从人类也开始熟练掌握激光技术，奥特曼的必杀技就再也不是天马行空的想象。
除了最初的红宝石激光器，现在人们已经研究出各种各样的工作物质，以更针对性地进行激光发射，换句话说，“斯派修姆物质”（红宝石）早就不是人类发射激光的必须介质。
如果手头上有相应的材料，甚至去自制微缩版斯派修姆光线也不是什么问题。
而激光技术本身，也早就被人类大量应用在除军事以外的医学、工业等领域，这也意味着激光除了保护地球外，也在为提升人类幸福感做着很大的贡献。
所以，玄学之上终归会是科学，拯救地球这件事儿其实完全可以靠人类自己。学好数理化吧，下一个奥特曼就是你。
来源：地球人研究报告
编辑：fengyao
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