「宝石魔方」粉碎宇宙立方体的米巴之握有多少铁人？

发布在2018年4月27日的Nature物理博客上

原文作者：StevenW.Cranford，美国东北大学

科学、电影与科幻材料

科学灵感和创造力有很多来源。在工程学（尤其是材料科学）的本科教育中，作为一名教书匠，我总是努力采取任何必要的手段来激发学生的兴趣。我发现从电影中举例能有效地吸引学生们的注意力。

例如（温馨提示：以下内容存在剧透，请未看过电影的读者谨慎阅读）：

• 阿诺?施瓦辛格的T-800终结者是由钛合金制成的，在《终结者2：审判日》（1991）的末尾真的能在钢水中熔化吗？（注释1）

• 《暮光之城》（2008）中吸血鬼爱德华?卡伦的前臂需要有多强才能抵抗一辆厢式货车的冲击，拯救伊莎贝拉?斯旺？（注释2）

这些都是很好的讨论点，通常需要用到一些“工程学”方程和数学来得到一些粗略的数字。重点是要让学生“注意到”世界上的科学和工程学概念，无论是现实世界还是虚构世界中。

然而，举例的时候要小心，因为虚构世界造物的灵活性导致电影中存在许多“低劣”的科学。例如，普遍使用的“unobtanium”——一种具有理想特性的虚构的稀有材料，在《阿凡达》（2009）中用于推动情节发展，在《地心浩劫》（2003）中则被官方吐槽。（注释3）

通常，科幻故事需要一些“未来的”科学元素，例如比光速还快的飞船（如《星球大战》中的“千年隼号”），近乎无限的能量源（例如《星际迷航》中的双锂水晶），当然还有高性能的材料（如《权力的游戏》中的瓦雷利亚钢）。在虚构世界中，类似的造物数不胜数——尤其是如果你需要可以扭转乾坤的材料。

在最近（且不断扩张的）漫威电影宇宙（MCU）中，这样的例子不胜枚举…

超级英雄需要超级材料

特殊材料在超级英雄故事中扮演着独特的角色，特别是当需要材料具有极高的强度、韧性和弹性，即极端力学性质时。

漫友们可能会想到金刚狼的艾德曼合金爪，或者是美国队长的振金盾（毫无疑问来自瓦坎达）。艾德曼合金（adamantium）的最典型的性质是坚不可摧。而振金（vibranium）因为还能吸收声波和动能，比艾德曼合金更强。这些特性在对抗超级恶棍时极其有用，但实际上很难生产。

在观看《复仇者联盟》（2012）时，我第一次听说宇宙魔方（Tesseract）。在影片中，邪神洛基手持宇宙魔方——强力的未知能量源——引领齐塔瑞大军征服地球（幸运的是，复仇者们联合起来，并阻止了这种背叛行为！）

在后续的MCU电影中，人们发现原来宇宙魔方是空间宝石（SpaceStone）的结晶立方形载体，空间宝石是六颗无限宝石之一。为了控制无限宝石的力量，宇宙魔方本身必须由极坚固的材料构成！

在即将上映的《复仇者联盟3：无限战争》中，大反派灭霸要搜集所有的无限宝石，把它们戴在无限手套上，一旦他成功，他将能按照自己的意志扭曲现实。在最近发布的预告片中，灭霸单手毫不费力地将宇宙魔方粉碎。

显然，灭霸的力量强到令人发指。

宝石魔方

宝石魔方（网络配图侵删）

作为一个有些书呆子气的人（在工程学教授中很常见），我也知道宇宙魔方实际上是一种几何形状，它是立方体的四维类似物；宇宙魔方和立方体的关系，正如立方体和正方形一样。这种多面体的另一个名字是超立方体（hypercube）。在我们的三维世界中，是难以想象这些四维几何的，不过超立方体通常被描绘成立方体中包含立方体的结构（如上图所示）。

我自己的研究重点是新兴纳米材料——如石墨烯和碳纳米管（CNTs）的力学特性。通过模拟，我可以（尝试）构建目前不存在的材料（只要其化学从建模的角度来看是可行的）。来自电影的灵感仅需等待那个重要的“尤里卡”时刻。

看着灭霸摧毁了以前坚不可摧的材料，结合我在高强度碳材料方面的经验和超立方体的几何性状……一个想法突然蹦出来了。

在现有框架里思考

好，这是一个全碳超立方体。让我们在分子尺度上把这个东西拼在一起。

内部立方体是基于一种被称为立方烷的有趣分子。立方烷是一个简单的在顶点有八个碳原子的小立方体。因为碳原子通常不喜欢以90度角键合，所以它是相对高能量的分子，但它可以合成得到，通常是C8H8。由于其独特的几何形状，它是一个相对“酷冷”的分子。那么现在我们如何构造外部立方体结构呢？

我以前曾研究过碳炔或线性碳。本质上，虽然碳原子通常更倾向于四平衡键（如金刚石、甚至立方烷），但它们还有其他选择：单、双、甚至三键、以及芳香族化合物中的芳香键。不同的键混杂使得碳成为可用于开发各种材料的有趣元素之一。说回到碳炔，如果你将碳原子排成线形，它们会交替形成单键和三键。这满足了对碳键的要求，并得到了线性结构。无限地延长这个结构，你会得到碳炔（我们在实践中能否合成大量的碳炔仍然是一个有争议的问题）。

因此，我使用两碳碳炔基将内部立方烷通过对角线连接到外部顶点，然后通过更大的四碳碳炔基连接外部立方体的顶点，并形成边缘。

嘿——一个全碳超立方体诞生了！

宝石魔方

宝石魔方（网络配图侵删）

在我最初模拟这个结构时，我确保所有的键角都是90度。然而，那并不是我最终获得的结构。

上文提到，碳原子不喜欢以90度连接。在四面体结构的金刚石中，碳原子之间的键角约为110度。对于立方烷，分子键合紧密，碳原子在正交排列中是刚性的。然而，碳炔边缘较灵活，它们可以轻微弯曲。因此，当结构松弛时，每个顶点的角度稍微偏离90度。最终的结构是一个边缘稍微弯曲的超立方体。

由于碳炔链，我将这个结构称为超立方炔，我认为这是第一个被提出来的全碳超立方体分子。

建模

超立方炔的分子模型一被构建出来，我就对它的一些物理稳定性和机械强度进行了模拟评估。这些模拟基于可有效跟踪原子间的成键、能量和运动的全原子分子动力学。这没问题。（注4）

稳定性可以用原子能量来判断，高能状态是不好的，结构很可能是不稳定的。结果表明，超立方炔处于相对高能的状态（与较常见的碳材料如金刚石或石墨相比）。高能量是由于其立体几何所要求的键角。稳定性问题可能可以靠MCU宇宙中的空间宝石缓解，因为扭曲的结构所导致的相对大的原子能在更高的维度中可以得到释放。我们地球上的技术是有限的。

接着，为了计算强度，我进行了简单的压缩测试。正如在混凝土压缩测试中一样，分子被挤压直到观察到最大的力。分子的作用力和位移被记录和绘制下来（如下图所示）。

宝石魔方

宝石魔方（网络配图侵删）

力量最大达到10.6nN。

这大约是一粒沙子重量的万分之一。

这根本不算是什么力量。

果真如此？

灭霸的力量

让我们假设纳米组件的强度可以在宏观尺度上表达，毕竟宇宙魔方的创造者可以访问多维实验室，而且方法不少。因此，我们假设宇宙魔方是由超立方炔层层组装而成，且强度没有任何损失。最终的强度很容易计算出来。如果每一个超立方炔都有一面表面积约为64平方埃，并且宇宙魔方（基于图片和电影场景）相当于一个6英寸立方体（每边15厘米），那么压碎它所需的总力大约为42000吨！这（大概）是灭霸粉碎宇宙魔方所需的力量。

男性平均握力保守地近似为50公斤。因此，粉碎宇宙魔方所需的力量比整个波士顿（673184）人口的握力全部加起来还要多。灭霸的握力比普通人大750000倍！

举重专家估计，一名普通男性在没有训练的情况下可以举起大约155磅的重量。如果按比例推算，那就意味着灭霸能举起约1.2亿磅，相当于泰坦尼克号（52310吨）的重量。

假定说（保守地）托尼?史塔克（钢铁侠）是一名强壮的男性，平均握力超过200公斤（平均水平的四倍）。他的战衣只能使他的力量提高85倍，这样总握力仅17000公斤。需要超过二千（！）件马克46战衣（Mark46IronMansuits）齐发力才能粉碎宇宙魔方。我的天呀！

最后我们需要注意的是，这只是灭霸的一点点力量，因为摧毁宇宙魔方对他来说轻而易举。

在即将上映的电影中，复仇者们将迎来一场苦战。也许不是所有的复仇者都能幸存下来…

对现实世界的启示

显然，预测灭霸的力量只为娱乐一下。作为一个思想实验，它以一种轻松的方式说明了新型高端纳米材料的理论强度的限制。然而，所采用的方法是严谨且科学合理的。我们能从这些奇异的材料中学到什么？首先，高能原子指示了热行为和力学行为的潜在不稳定位点。这有可能对开发新材料体系起到一定指导作用。

也许在不久的将来，我们将能够解锁类似的方法，将虚构变成现实；科幻的材料将引领我们找到自己的“漫威”材料。在此之前，当你看漫画的时候，你可以说你只是在做全面的文献综述…

注释：

1、钢的熔点约为1400?C，而钛的熔点约为1700?C。当然，这取决于具体的合金，这是课堂上的讨论点。

2、粗略地估算爱德华的前臂长度、质量和厢式货车的速度，得到吸血鬼的力量最少在1GPa左右。在已知材料中，强度至少能达到这一水平的一个潜在候选物是钻石——这还能解释为什么吸血鬼在阳光下闪闪发光！

3、《地心浩劫》通常被认为是有史以来最不科学的电影之一。寻找电影里面不科学的点很有意思（可以谷歌一下“电影中的低劣科学”，你能找到大量的文章和例子）。

4、模拟采用的是开源分子动力学（MD）软件包LAMMPS（http://lammps.sandia.gov/）。使用了ReaxFF力场，以便尽可能准确地模拟碳几何结构（参见Chenowethetal.,ReaxFFReactiveForceFieldforMolecularDynamicsSimulationsofHydrocarbonOxidation.TheJournalofPhysicalChemistryA,2008.112(5):p.1040-1053）。使用了标准最小化和近似技术。有关完整的模拟细节，请联系s.cranford@northeastern.edu。 ⓝ

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