去科学边缘，参透一些古老的秘密

文｜艺术商业

科学疯狂起来，就是艺术。在科学的边缘，人们常会迎来一些奇妙的思想之旅，让你脱离现实，去往科学交织着艺术的抽象世界，领略一些单纯的形状造就的奇迹。在这里，所有真理都是弯曲的，时间本身就是一个圆圈……

科赫雪花一片雪花的周长比地球的直径还大？

早在1904年，瑞典数学家冯·科赫就提出了一种理论，被称为科赫曲线，又叫雪花曲线、科赫雪花。它在众多经典的数学曲线中非常著名，是将一个等边三角形的每条边切割成3份，然后取出每条边中间的一份向外做一个等边三角形，这个过程被称为迭代，每一次对过程的重复就是一次迭代。经过一次迭代，等边三角形的3条边变成了12条等边，这时候我们再将每条边切割成3份，向外做一个等边三角形，这就是二次迭代。然后，我们无限次地循环这个过程，无限次地进行迭代，最后就得出了科赫雪花。雪花在面积不变的情况下，它的周长可以变得无限长，长度甚至可以超过地球的直径，超过任何一种长度。

所以科赫雪花就是：用无限的边界包裹住有限的面积。仔细体会一下这样的无限和有限。

科赫雪花

特斯拉阀仅仅利用空间结构推动气体流动

如果想要将气体或液体等流体物质输送到某处，同时要避免回流，且能够控制流速，应该怎么办呢？很简单，只需要安装一个阀门，用开关来控制调节就可以了。那么不用行不行呢？也行。

早在100多年以前，一位伟大的科学家就设计了一种特殊的阀门，不需要开关、无须输入任何能量就能够保证流体的单向流动。这个人就是特斯拉，而他发明的阀门被称为“特斯拉阀”。

特斯拉阀的特点就是：反向通过时，压力越大，阻力越大，速度越慢，乃至完全停止；而正向通过时，则是压力越大，速度越快。

那么，特斯拉阀是如何保证流体单向流动的呢？特斯拉阀采用了特殊的回路设计，当流体正向通过特斯拉阀时，会在每一个回路口分为两路，之后两路流体又会在下一个交汇口汇聚，并实现加速。反之，如果流体反向流入特斯拉阀，流体同样会在第一个交汇口分为两路，并在第二个交汇口再次汇聚，不同的是，这一次，两路流体的流动方向是相悖的，所以就形成了极大的阻力。因此，流体在特斯拉阀中只能正向通过，而很难反向逆流。

瑞士的皮丘（Pichoux）峡谷因为修筑水坝截断了鱼类洄游之路。为了让鱼类能正常洄游，还特别参考特斯拉阀的原理设计了一个鱼梯，这样从上游下来的水流就被自动放缓，而鱼类洄游时的上行就变得容易很多。

特斯拉阀结构示意图

鲁珀特之泪一个玻璃球而已，子弹却打不破

这种奇特的玻璃球看上去就像是一个蝌蚪或者是人的一滴眼泪，鲁珀特之泪真正的神奇之处就是它的“无坚不摧”，让科学家争先恐后研究了长达400年。

这当然不是魔法或者巫术，它其实也是一种科学。鲁珀特之泪的制作方法非常简单，只需要将玻璃高温熔化，然后将熔化后的液体依靠自身重力自然滴入冰水中，这样就会形成一个蝌蚪状的“泪滴”，它就是鲁珀特之泪。鲁珀特之泪的头顶有多么坚硬？科学家曾经用普通的子弹对它进行射击，结果不仅没有粉碎鲁珀特之泪的头部，子弹反而碎了一地。在同距离下想要将它的头部摧毁，需要用到威力更大的子弹或者是狙击枪子弹才可以。

鲁珀特之泪

鲁珀特之泪为什么如此强大？其实是应力在搞鬼。

当玻璃经高温熔化之后，产生的液体滴入冷水时，最外层会先冷却凝固，而这个时候玻璃的内部还处于高温熔融状态。随后，内部的液态玻璃也开始慢慢冷却凝固，出现了热胀冷缩效应，内部的冷却凝固紧紧地拉着外层玻璃向内收缩，使得外层玻璃受到内向的压应力（即抵抗物体压缩趋势的应力）。这个压应力是非常高的，可以达到700兆帕，几乎是1个标准大气压（即0.101325兆帕）的7000倍。玻璃内部拉扯外层的时候，同样也会受到固态外壳玻璃的拉扯，在两股力的作用下，它们之间的相互对抗逐渐形成了一个平衡状态。

(3)经过一系列加固整治措施后，湖区内圩堤的防洪能力有了较大提高,但仍然存在城市防洪标准低、新出险工险段、堤容堤貌差、部分项目未按设计完成、工程管理和监测设施不完善、防汛交通条件差、圩区排涝能力不足等问题。

而玻璃的主要成分是二氧化硅，为了对抗内层玻璃的拉扯，外层的二氧化硅会更加紧密地结合，分子间的距离大幅减少，从而形成了一种密度非常高的外壳，可以有效对抗内层的压应力。

在一个完整的鲁珀特之泪中，外层的压应力一直处于平衡状态，在对抗中形成了一个强硬的头部。只要这种内外压应力的平衡不被打破，那么鲁珀特之泪就可以坚不可摧。

可是鲁珀特之泪的弱点也非常明显和脆弱，只需要轻轻对其尾部施加一个力，就可以让它瞬间粉碎。为什么会这样呢？其实也跟它内外压应力的平衡有关。

前面提到，鲁珀特之泪之所以会有强大的头部防御力，主要是因为玻璃内外的压应力形成了一种拉扯间的平衡状态。如果这种平衡状态被打破，鲁珀特之泪自然就会瞬间瓦解。那么，要如何破坏这种平衡呢？从头部破坏很明显是不行的，根据科学家的实验，鲁珀特之泪的头部可以抗衡20吨的液压力量，只有压力超过20吨，才能够从正面击破它。

相比头部强大的防御力，鲁珀特之泪的细小尾部可以说非常脆弱。由于鲁珀特之泪的尾部质量最小，冷却快，从而导致尾部冷却不均衡，产生的应力也非常小，只需要在尾部用手指轻轻一掰，整个玻璃内部力的平衡就会被打破，鲁珀特之泪会像多米诺骨牌一样瞬间瓦解。

通过这个原理，科学家也将它应用到了一些现代物品上。例如我们现在所用的钢化玻璃，就是在鲁珀特之泪的基础上改良的——将普通玻璃加温到550℃的塑性状态后，进入风栅急速冷却，再通过一些处理就可以得到钢化玻璃。

冈布茨体自然界里本不存在的东西

2006年，匈牙利数学家发现了一种全新几何体——冈布茨，它是世界上首个只有一个稳定平衡点和一个非稳定平衡点，且两个点在同一平面上的均质物体。这就意味着，无论以任何角度将其放置在水平面上，它都可以自行回到其固定的平衡点。

这很像大家都玩过的不倒翁，但不同的是，不倒翁的密度是不均匀的，是通过内置重物使重心下移，依靠底部的重量获得平衡。而冈布茨体是均质物体，依靠本身的形状就能自行恢复直立。

冈布茨实际上是一个著名的数学问题的现实解答，这个问题就是：是否存在一个这样的三维几何凸面体，它只有一个稳定平衡点和一个不稳定平衡点，能像不倒翁一样，推倒之后自行恢复平衡。1995年，俄罗斯数学家弗拉基米尔·阿诺德（1937—2010，20世纪最伟大的数学家之一）提出了这个猜想，但他也证明不了，于是成为数学史上一桩小小的悬案。

冈布茨体

匈牙利数学家加博尔·多莫科什曾与阿诺德进行过讨论，阿诺德的设想激起了加博尔的好奇心，于是他和自己的学生彼特·瓦尔科尼开始了这一探索。两人花了10年左右的时间，写出了一个完美的数学模型，从数学上证实了这种几何体的存在。但它到底是什么样子呢？他们在自然界中找不到这样的物体，因为它需要很高的精度。两个人最终决定把只在公式里存在的几何体亲自做出来。2006年，他们在电脑上设计出了冈布茨，通过三维模型控制精密机床做出了世界上第一个冈布茨实物。冈布茨的诞生成为匈牙利科学技术界的骄傲。

第一只冈布茨于2007年作为祝贺寿辰的礼物赠给了阿诺德教授；编号1458的冈布茨于2008年被匈牙利博物馆收藏；编号为8的冈布茨用钢材制成，高1.5米，最大宽度3米，重达2吨，陈列在2010年上海世博会匈牙利馆的大厅，作为镇馆之宝。匈牙利人认为，冈布茨不仅象征着平衡与和谐，也代表着总是能从挫折中“重新站立起来”的匈牙利民族精神。

新型锁子甲面料莫不是金庸笔下的“软猬甲”？

在武侠小说中，“软猬甲”可谓护体神器。它用金丝和藤枝混编而成，刀枪不入，可防内家拳掌，既坚固又柔软，既轻便又保暖。英国《自然》杂志发表的一项材料学的最新研究中，描述了一种现代“软猬甲”。这是一种由科学家研发的仿“锁子甲”（链甲）的高科技智能面料，由3D 打印的相互连接的颗粒构成。当处于天然状态时，这种面料易弯折，能披挂在复杂物体表面；当对它们施加压力时，这些颗粒会被挤压扣在一起，使织物变得坚硬牢固，且实现强载重，基于这种面料得到的结构，其最大载重量为自身重量的30倍以上，直到压力释放。这种材质将能用于各种机器人和医疗场景，预示着可能重构穿戴式结构的光明前景。

链甲结构示意图©Structured fabrics with tunable mechanical properties

去黑洞里冥想吧看自己能不能被抻成面条

虽然黑洞的时空曲率大到连光都不能逃逸，但据说好奇的科学家找到了一种安全进入黑洞的方法。

第一步，找一个合适的黑洞。为了能安全进入，必须首选一个完全孤立、不旋转带电荷、没有吸积盘的超大质量黑洞。超大质量黑洞从黑洞中心到事件视界的距离——也就是径向距离——相当大，这就能够确保事件视界的引力没有那么大，不会把人抻成面条，从而使你能够安全地进入黑洞的事件视界。

第二步，选择一艘好的宇宙飞船。黑洞有超强的热量和辐射，选择一艘合适的宇宙飞船帮助你隔绝这些热量和辐射，可以确保你在接近黑洞时不被蒸发。

第三步，坚定目标，听天由命。尤其当你抵达事件视界时，不要试图加速逃跑，这样只会让你更快掉落进黑洞。你只要耐心等待，做好心理准备。接下来，你会越过事件视界进入柯西视界。在这里，时间和空间变得有点不稳定，你的身体将受到各个方向的拉扯，周围的时空界限也开始被拉扯。总之，柯西视界就是很奇怪的地方。

第四步，振作起来。在柯西视界里，你的身体像面条一样被拉扯，可能会导致死亡。如果不想就这样结束探险，那就需要你振作起来继续在黑洞里移动。一旦你越过了柯西视界，这里就会变得有点玄幻，因为目前的科学理论并不能完全确定这里会发生什么。

第五步，冥想吧。黑洞一定是宇宙中进行冥想的绝佳地点，只是有个缺点，即便你参透了人生最深层面的秘密，也无法发一个朋友圈告诉别人。这也许就是人生的古老奥秘之一：真理存在于人的内心，而不是朋友圈。

第六步，寻找出路。假设你还没有被黑洞摧毁，那么，是时候离开了。有理论认为，黑洞内部可能存在虫洞。在虫洞的另一端，你可能会发现自己瞬移到了另一个星球或维度，甚至可能是10年前你自己的宇宙。没有人知道会发生什么。当然你也没有其他选择，如果还想活着，就得尝试一下。否则，你最终会落入黑洞更深处，直到被重力撕裂。

本文内容来自微信公众号“艺术商业”，ID：ATJ-2013