伽利略1638年证明,骨骼强度随尺寸平方增长,体重随立方增长,巨人按比例放大必然被自己压垮;自然界的动物用更粗壮的骨骼适应体型。

神话里的巨人,从荷马的独眼巨人到豆茎上的巨人,都是放大版的人形,做着人类的事情。问题在于:这样的生物能活下来吗?

伽利略在1638年的《关于两种新科学的对话》里给出了否定的答案。他的论证从一根橡木梁开始:把梁的每个维度放大10倍,横截面积是原来的100倍,强度也随之增加100倍;但按比例放大的负载,体积对应的重量是原来的1000倍。强度只有100倍,要撑起1000倍的重量,十倍的缺口就出现了。尺度足够大时,任何梁都会在自重下垮掉。骨骼就是人体里的梁,强度随平方增长,体重随立方增长,按人类比例放大的巨人,结局只有被自己压碎。伽利略原话:"如果他的身高不成比例地增加,他会倒下,被自己的重量压碎。"他还有个著名的类比:小狗大概能背起两三只和自己一样大的狗,但马恐怕连一匹马都背不动。他由此推论,真要维持巨人比例,要么换更硬的骨骼材料,要么接受相对强度下降。

同样的道理放之四海:放大的梯子、剑、盔甲、房子、椅子、酒杯,全都会失效。自然界早就给出了答案,大型动物粗壮结实,大象、河马、犀牛和恐龙都有不成比例的厚实骨骼;缩小方向则相反,体型越小的生物越纤细轻盈。微小昆虫能跳起相当于多个身位的高度,靠静电力吸附墙壁,水黾站在水面张力上,这些看似奇幻的能力,在微小尺度上都是日常物理,在人类尺度却不可用。身高约6英寸的小人国居民骨头强度只有常人的百分之一,但体重只有千分之一,他们能跳得极高、扛起相对身体来说巨大的重物,代价是会被静电力粘在墙上,水在他们眼里又厚又黏。伽利略的悖论是对称的:巨人和小人国居民,都不可能像放大或缩小的正常人那样生活。

进化史印证了这一点:早期的马只有狗那么大,后来才长成今天的样子,一些微型品种至今保留着狗一般的身形;远古蜻蜓翼展数英尺,化石蟑螂长达4英寸,自然选择为每个尺度优化了身体设计,身体大小在亿万年里来回变动。伽利略的洞察,尺度缩放让强度和质量的增长不同步,每个尺度都有匹配的物理,解释了为什么巨人不可能存在,小人国只存在于小说,而人类恰好是现在的尺寸,背后有扎实的物理原因。

原文:https://www.popsci.com/science/why-human-giants-defy-the-laws-of-physics/