　　当我翻开《极客物理》这本书的时候，对于“极客”这个词很疑惑，于是百度了一下——“极客”英文原名Geek，主要指对科学（包括但不限于数学物理、化学、生物、天文、IT）抱有狂热爱好的某一类人。这个也是作者的自我解嘲，他在自己的博客上陆续发表了很多脑洞大开的问题和研究，比如：“绿巨人浩克跳起来会砸坏路面吗？”“为什么镜子成像是左右颠倒，而非上下？”“多少张纸币叠在一起能从地球叠到月球上去？”……这些看似荒诞的问题，作者都能用物理学的知识给予一个答复，让阅读中的我大开眼界，就连超级英雄——绿巨人、雷神、美国队长、超人这样家喻户晓的人物都在作者的探讨和研究的范围之内。

　　《极客物理》是一本你可以随手翻开，找到一个你感兴趣的话题进行阅读的有趣科普。它将科学融入科幻、生活、竞技比赛等领域，让你带着强烈的好奇心去翻看每一个小知识。

　　对于作者这样一个物理“极客”来说，每一个话题都值得探讨，值得用科学的态度和专业的知识去探讨和评价它，而我们，这些阅读者，也跟着他成为一名物理“极客”，去热爱这个五彩缤纷、充满未知的世界。

内容简介

　　你是否幻想过人能够借助翅膀像鸟一般翱翔？你是否想过你能驱车甩掉多少只僵尸？或者用平板电脑代替纸质安全手册是否就能为飞机节约燃油？超人真的可以将人一拳打到太空里吗？

　　每一章节内含插图、所用到的物理基本方程和简单易读的图标图解，内容不仅囊括了阿莱恩博客中像光之剑，麦当劳外卖车道这样的更受欢迎的主题部分，还以更简略的技术性方法运用这些问题来教授基本的物理概念。在这本书中，他发现了掩藏在家庭电影、电视节目、电子游戏、病毒视频，新闻网站和走马观花的读者这一系列背后的有趣问题，并从物理角度，简单给出了极好的答案。怪客物理学并不只是针对怪才们，对于热爱通俗文化和流行科技的人们，它也同样适合。

作者简介

　　瑞特·阿莱恩（ Rhett Allain），是路易斯安那州大学的一名物理学教授，《连线》科学版流行网站物理学博主。他有自己的独到诀窍，运用趣味十足且具有教育意义的方式来解释一些东西。他还著有国家地理书籍《愤怒的小鸟之愤怒的力量：世界风靡游戏中的物理学》。

内页插图

精彩书评

　　这本书里讲到根据金属熔融态的颜色反推光剑的温度，读到这里，这本书打动了我的心。”

　　——扎克·维纳史密斯，网络漫画《周六早晨的谷物早餐》的作者、插画师

　　“《极客物理》向我们展示了运用简单模型和物理定律更深一步地理解从体育运动到漫画电影的大千世界的快乐。正如这本书所表明的，增添一点物理元素让所有一切都变得更为有趣。”

　　——查德·奥兹，《如何教你的狗量子物理学》的作者

　　“任何发生在这个世界里的事情都是通过物理学加以描述的。更有趣的是，甚至那些现实中不会发生的事情也可以通过物理学来描述。在这本令人愉悦的书里,从汉的出拳到超人拳头的力量，瑞特·阿莱恩揭示了隐藏在一些我们可能问到的很有趣的假设性问题背后的科学。”

　　——西恩·卡罗尔，理论物理学家，《宇宙终结时的粒子》的作者

　　“《极客物理》这本书会让你明白物理与隐藏在生活中的那些日常问题之间的相关性。这本书里交错着好莱坞、流言终结者、YouTube、物理学的万象，里面有趣的问题都由作者瑞特·阿莱恩运用巧妙的手法呈现在读者眼前。”

　　——艾伦·提图斯，博士 WebAssign的合作开发者

精彩书摘

　　让我们来看看《美国队长》。我得事先说说清楚，我要看的是《美国队长》系列的第二部《美国队长2》的电影版“冬日战士”，而非《美国队长》的漫画版。这两个世界（漫画书和电影）并不总是一致。

　　在一个场景中，美国队长向冬日战士抛出了他的盾（因为这是美国队长常做的动作）。别急，冬日战士截住抛向他的盾，紧接着把它反扔给了美国队长。整个动作很酷的那部分是，当他抓住时出现了这样一幕。盾的力量十分强大，这让他接住以后身体向后退了一点距离。能不能就此计算出这枚盾的质量？我想是可以的。

　　这种计算涉及两个部分。在第一部分中，我需要搞明白盾在和美国队长碰撞前的运行速度是多少？这样我才把盾和美国队长之间的碰撞看作正常的物理碰撞来加以处理解决。第二个部分，我需要知道盾和美国队长一起向后退的速度是多少。

　　由于计算的顺序并不重要，让我们来看看美国队长在碰撞后获得的共同后坐速度。

　　你如何从视频里测量后坐速度？最简单的方法是使用某种类型的视频分析工具，在视频的每一帧里确定美国队长的位置，从位置和时间数据，可以很容易计算出后坐速度。但是，这种情况下行不通，为什么呢？其原因是，要想视频把数据呈现出来谈何容易。在一个理想的视频里，电影场景将美国队长连同一些物体一同在银幕里展现出来，这些物体可以被用来确定其他物体的体积大小。最重要的是，所有的运动将和摄像机的视场成垂直视角。朝向和远离摄像机的运动会产生一定的问题，因为由于透视的关系，物体的大小会出现变化。遗憾的是，这部影片不能给我们提供一个用于分析的良好视角。

　　还有什么办法可以断定后坐速度？也可以通过假定美国队长开始滑动时具有一个初速度（后坐速度），然后以恒定的反向加速度不断减速，我可以从摩擦系数计算求得这个加速度。

如果我估计摩擦系数为0.3（砾石在硬表面上就是这个数值），并从视频上得出滑动时间为1.08s的滑动时间，这样得出的后坐速度是3.24m/s。请记住，这是美国队长抓住盾之后和盾的共同速率。

　　为了得到盾牌的质量我需要做两件事。首先，我需要美国队长的质量。这应该是很容易估测的，因为他只是一个人（是的，一个完美的人）。比方说，他重约100kg，那现在盾的碰撞速度是多少？我将必须获得从视频里得到这值。

　　有一张短暂的一幕展示了冬日战士抛出后的盾牌。根据维基百科，盾牌直径为0.76m。我可以使用这个比例尺来给盾牌绘制出位置和时间关系。由此，我得到19.5m/s的盾牌速度。这是一块运行速度相当快的挡箭牌，但我想这对于超级英雄而言不异于小菜一碟。

　　我如何使用这一切信息得出盾牌的质量？这是关于碰撞和力的特性。当盾与美国队长相互碰撞，盾必将推动他，他也用力推回盾，力的大小是相等的。为什么这些力是一样的？答案很简单，就是力是两个物体之间的相互作用。当你用力推墙，它也用同样大小的力推回你。你和墙壁之间如此，美国队长和盾牌之间也是如此。此外，实际还有一些别的关于碰撞的方面。盾牌向美国队长作用力的时间等于美国队长反推盾牌的时间。

　　为了把这些想法善加使用，我们首先需要看看动量原则。这是说当一个力作用在一个物体之上会改变该物体的动量。鉴于对美国队长施加的力量和盾牌受到的力大小相同（但方向相反），美国队长的动量变化和盾的动量变化也将是彼此相反的。显然，这样的说法我也可以换一种角度来讲，那就是：碰撞前美国队长和盾牌的动量和碰撞后美国队长和盾牌的动量相同。我们称之为动量守恒（因为它是在前后一样）。

　　在这个特殊的碰撞里，美国队长和盾牌在碰撞之后合并为一个物体在移动。我们把这称之为非弹性碰撞。这种碰撞是很容易计算的，因为两个物体碰撞之后具有相同的速度。在美国队长和盾碰撞这情况下，计算甚至更为简便。因为，在碰撞之前，仅是盾牌在运动。这意味着碰撞前盾牌的动量等于之后的动量。

　　现在，我们已经准备好使用我们得到的一些值了。我们已经估计了盾和美国队长碰撞后的速度，而且我们也知道盾和美国队长碰撞后的共同速度。把这些值都放在一起，我就可以把一个未知的量求解出来——盾的质量。

　　你准备好得到答案了吗？凭借3.24m/s的后坐速度和19.5m/s的盾的速度，以及盾的质量19.9kg（假设美国队长质量是100kg），这是一个相当庞大的43.9磅的盾。与此同时，我们也可以计算这个盾的密度。如果我假定它是一个扁平的圆盘，直径0.76m，约0.5~1.0cm的厚度（只是猜测），密度的范围将是4383~8767kg/ m3。这个答案似乎是合理的，因为铁的密度是7800kg/m3，钛的密度是4500kg/ m3。

　　它还是是一个相当沉重的盾牌。要把这个大块头投出去，需要很扎实的身体素质。和抛出一个棒球或足球相比，把这枚盾牌抛出去是很困难的。我想这就是美国队长是一名超级英雄的原因。

前言/序言

　　学者也许会无休无止地讨论“极客”（geek）和“书虫”（nerd）这两个词之间的差别。于我而言，两者并没有什么区别。这两个光荣的头衔都是用来褒奖一群致力于某一个特殊领域并为自己感到骄傲的男人和女人的。一个极客或许对吞噬一头奶牛尸体的所有不同类型的昆虫很有研究。也许一个书虫能辨认出绝地武士使用的各种不同类型的光剑。极客可以构建出一流的东西，在他笔下，一桩桩事情都妙趣横生。他们中有些人又和我如出一辙：喜欢把东西统统拆开，来弄明白里面的部件如何运作，但回过头来又不一定能装回去。

　　我认为极客和书虫已经不再是与什么消极事物相联系的标签了。无论谁都很喜欢别人以极客来称呼自己。极客实在是太酷了，如果看过《生活大爆炸》或者《流言终结者》这样流行的电视节目你必定能领悟。事实上，在我们内心深处，都至少藏着这么一棵极客、书虫的萌芽，这种存在对我们自身意义非凡。

　　那我又是什么人？我也是极客吗？当然。在我还很小的时候，我就对极客类的东西很颇感兴趣了：宇宙空间、漫画读物和科幻小说。我也自己动手制作过一些东西，在青少年时期我完成了一个早期项目：一个小型的电子设备，由两节光电池和一个马达组成，用来记录下光束的运动的轨迹。那时，这件小东西我喜欢极了。此后，我继续学习物理，最终成为了东南路易斯安娜大学的一名教员。然而对于那些过去玩过的极客类的东西，我的喜爱自然丝毫不减半分。在这个世界上，还有什么能比把我学到的物理知识和极客文化结合起来的乐趣能让我更感到愉快？或许只有一罐花生黄油或一个果酱三明治吧，不过这也只是可能罢了。

　　所以，我做的就是这个事情。我用两个基本思路来观察周遭的世界。第一，基本的物理概念，比如：动量定理，动能定理，或者电与磁之间的关系（我们把这种关系叫做麦克斯韦方程）。但这个并不是我在分析真实和虚拟现象时所用到的全部手段。我还用到第二个——构建模型。模型是什吗？难道就是我在孩提时代玩过的汽车模型玩具吗？没错！模型是任何一件用来代表其他物体的物体。万有引力定律引出的数学公式诠释了两个物体的质量和相互吸引力之间的关系。我们也可以构建一个从来没人做过的模型。在一个国家里，一条推特消息的传播速度能有多快？只要找到相关数据并找到一个能清楚解释这种现象的的数学表达式，就算完成这个模型了。通过解决这些问题，一个模型就成功建好了。模型也许千变万化很复杂，但创建模型的这个思路本身很直截明了。

　　为什么有人会浪费时间在阅读星球大战电影里的物理学？为什么有人会关注咕噜需要吃多少鱼才可以保持它的体温？如果我能精确计算出冰一罐啤酒要用多少冰，我实际会不多不少地用那么多冰吗？难道我没有别的更重要的事情要做吗？那么，到底什么才算“浪费时间”？看电影算浪费时间吗？阅读和绘画又算什么呢？一个人觉得多此一举、浪费生命的活动也许正是另外一个人觉得对自己大有裨益的事情。

　　对所有不现实的事物加以分析，难道全无半点用处吗？我们来打个比方吧，以 “愤怒的小鸟”这个流行的视频游戏为例。就我自己而言，我很喜欢这个游戏，但它带给我最大的愉悦是能让我尝试着寻找其中的秘诀在哪里：小鸟在地球上也是这样飞翔的吗？又有什么特殊的物理法则蕴藏在这个游戏里？我分析这个游戏运作的方式和我在现实世界里面搞的物理研究大同小异。在研究这款电脑游戏上使用到的方法和工具时，我也会在研究物理的其他领域里一样使用到。使用物理知识来分析视频游戏和模拟攀岩很相似。在攀岩壁的过程中你学到了攀岩的技巧，但爬到顶并不会得到什么。不过，要是你下一次真的去爬山，你就会很自然地使用到那些在模拟攀岩过程中学到的攀爬技巧，唯一不同的是，现在你可以爬到一座真正的山巅。因此，为刚才打的那个比方下个结论：真正的物理研究和真正的爬山一样，分析愤怒的小鸟里的物理就像模拟攀岩。

　　接下来，让我们步入正题。我将分享一些我最喜欢的构想给你们。所有的这些构想都体现了物理学和极客文化的融合，因此本书命名为《极客物理》。