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奥特曼是如何发出光线的?

《奥特曼》

地球研究报告,你的外星小姨

谢 @知乎动画 邀请。

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。”

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(Al₂O₃)。红色来自铬(Cr),主要为 Cr₂O₃,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”(E₁能量级)成为“吃撑卡比”(E₃能量级);

②“吃撑卡比”(E₃能量级)不能存在太久,降级为“吃饱卡比”(E₂能量级);

③此时会有大量的“吃饱卡比”(E₂能量级)存在,并有少量的“普通卡比”(E₁能量级)。“粒子数反转”形成。

通过粒子数反转,大量的能量级 E₂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。

* 本文原载于公众号“地球人研究报告”