这无疑是科学传播领域的一次胜利：AMC——大获成功的丧尸漫画改编剧《行尸走肉》背后的有线电视网络——决定与一家在线教育公司以及加州大学欧文分校合作，开设一门以丧尸为主题的跨学科课程。这门名为《社会、科学、生存：从 AMC 的<行尸走肉>中学到的教训》的免费在线课程将与剧集同步进行，为期八周，利用丧尸末日这一设定，向学生传授从病毒感染到生存食物（比如：我该不该吃松鼠？）的营养价值等各种知识。该合作项目还决定在课程中加入一个物理学模块，主要关注投射物与大脑之间令人毛骨悚然的相互作用。对于任何科学和流行文化的极客来说，如果你有时间，这似乎是一个不容错过的绝佳机会。就我个人而言，在该剧新一季于本周日晚播出之前，我迫不及待地想尝试一下这门丧尸主题课程的物理学部分。我这么做了。通过与加州大学欧文分校物理与天文学教授、同时也是这门 AMC 课程的教授之一迈克尔·丹宁（Michael Dennin）教授的邮件交流，我拿到了一个可以预见的物理学问题。是的，它涉及十字弩箭和丧尸大脑。那么，是时候用一个丧尸小测验来丰富你的大~~~~~脑~~~~~了！尽力试试吧；我会在文章末尾给出第一个问题的答案。
第一部分：想象一下，达里尔·迪克森（Daryl Dixon）在一个破旧的便利店搜寻物资时，偶然发现了一个行尸。他射出了他信赖的十字弩。达里尔的弩箭——以每秒 120 米的速度行进，重 0.025 公斤——最终停在了行尸的后脑勺，一端露在外面。估算一下弩箭在与丧尸大脑的这次相互作用中受到的平均作用力。（假设行尸头部的长度为 0.25 米，并忽略颅骨）。___________ 丹宁教授向我明确表示，这将是一门相当入门的课程，因此他不能假设学生具备太多的物理学知识。我也不会。要解决第一部分，我们首先需要知道一支飞行的弩箭携带了多少能量。在物理学中，与运动相关的能量称为动能，它取决于物体的质量和速度。如果你真的想，可以像牛顿那样推导出动能方程，或者你也可以像任何工程师一样直接查阅。动能等于物体质量的一半乘以其速度的平方，即：
Ke = (1/2) * 质量 * (速度)^2
一旦你得到了弩箭的能量，你需要找出它将施加给丧尸大脑的力。要从能量转换到力，你可以利用这样一个事实：能量也可以被定义为在一段距离上作用的力，即功。功等于力乘以距离，所以，用弩箭的动能除以它穿过丧尸头部的距离，你就能得到软乎乎的丧尸大脑施加在弩箭上的力。这个力相当大——大约相当于被一个时速 40 英里的棒球击中面部。就物理学而言，这相当简单，并且包含的材料足以在一个在线课程的一个模块中得到充分的讲解。然而，亲爱的读者们，这个测验可以变得更复杂——复杂得多。第二部分：像剧中达里尔·迪克森使用的那种十字弩
是否有足够的能量完全穿透一个丧尸的头部？将大脑模型化为一种稠密流体，并在计算中考虑颅骨。将弩箭视为一个简单的圆柱体，阻力系数为 2。解释你的答案。（慢慢来，你会需要时间的。） ____________ 这个问题要复杂得多，花了我一下午大约五个小时，并严格考验了我的谷歌搜索能力。但答案确实告诉了我们一些有趣的事情——即使是最强大的十字弩也不太可能将弩箭完全射穿丧尸的头部。它很可能会卡在里面。要解决（或至少近似解决）第二部分，我们首先需要一些初始条件。我能找到的最强大的十字弩可以产生 165 英尺-磅的能量
，也就是 223 焦耳。接下来，基于评估滑膛枪子弹需要多快才能穿透人类头骨
这个病态的任务，穿透一个丧尸的头骨可能需要大约 120 焦耳的能量。滑膛枪子弹的直径比十字弩箭大，但这个数值确实为我们提供了一个比较（要找到穿透头骨的数值比你想象的要难）。我们已经从第一部分中得到了弩箭的质量，所以接下来我们必须模拟弩箭穿过丧尸大脑时会发生什么。就像汽车在高速公路上行驶一样，弩箭穿过大脑的主要阻力将是流体阻力，在这种情况下是来自大脑本身（对汽车来说是空气）。因此，我们必须计算大脑会使弩箭减速多少。这最终会告诉我们弩箭是否能完全穿透丧尸的头部。为此，我们可以找到作用在弩箭上的阻力。这个力取决于脑组织的密度、弩箭的速度、弩箭的质量、弩箭的形状对运动的阻碍程度，以及弩箭与大脑接触的面积（方程见此处
）。如果大脑的密度与水差不多，弩箭的阻力系数与箭矢相同 [PDF
]，并且弩箭的投影面积大约有一张邮票那么大，正如我所假设的，我们就可以继续计算弩箭穿过大脑时的阻力。当然，这说起来容易做起来难，因为弩箭的速度，以及因此产生的阻力，会随时间变化。我将省去使用牛顿第二定律进行的繁琐数值积分，但这里是我所做工作的一个示例：
你会注意到，弩箭在进入大脑时只携带了 101 焦耳的能量——这是因为它必须先穿过一层丧尸头骨。另外，因为弩箭几乎是瞬间穿过大脑的，我不得不使用百分之一毫秒的时间步长。我就不拿另外 20000 个数据点来烦你了。正如你在上面的力那一列中看到的，弩箭在穿过脑物质时经历了巨大的阻力。这是因为脑组织非常稠密。将弩箭射入大脑就像用高能步枪射入水中一样——超音速子弹基本上会爆炸
。快速减速是导致作用力如此之大的原因（弩箭进入丧尸头部时承受着 3600 G 的加速度）。我们真正感兴趣的表格部分是位置和动能列。如果十字弩箭到达头骨后部（距离为第一部分中的 0.25 米）时，仍有足够的动能来穿透它，那么它就会穿过去。假设弩箭首先消耗了 120 焦耳的能量穿过头骨前部，下面是它到达后部时还剩下多少能量的图表：
从图表中看，当弩箭到达头骨后部时，它的动能还剩下不到 20 焦耳。如果穿出头部后侧还需要另外 120 焦耳的能量，那么弩箭是无论如何也出不去的。它会卡住。
即使你调整我所做的假设——脑物质的密度、进入头骨所需的能量、阻力系数——这些数字也从来没有让十字弩完全穿透显得合理。事实上，在我于 YouTube 上找到的高度科学的丧尸研究中
，即使有专家级的弓箭手、强大的十字弩，以及一个带有头骨和脑物质的模拟头部（如上图所示），弩箭几乎总是会卡住。这个结论也与《行尸走肉》中丧尸头部通常如何承受十字弩箭
的情况相符。可悲的是，现实世界的例子也支持这些数据。大多数与十字弩相关的头部伤害都是自杀未遂中的自残行为
[内容可能引起不适]，在这些案例中，弩箭也同样留在了头骨内。当然，因为我必须做出大量的假设，我无法明确回答十字弩箭是否真的能完全穿透丧尸的头部。一个正在腐烂的丧尸可能拥有“稀烂”的大脑和头骨物质，这使得弩箭更容易穿过。像达里尔·迪克森这样聪明的弩手可能会瞄准眼睛或嘴巴后部，这意味着需要穿透的头骨更少，完全穿透的机会更大。达里尔甚至可能使用不同类型的箭头来使穿透更容易。至于我所做的其余假设，我可以留给你们这些敏锐的答题者来判断它们是否合理。无论你想把问题搞得多复杂，传达的信息很简单——有了丧尸，物理学变得有趣多了。我认为这是科学传播的最佳体现。AMC 和加州大学欧文分校开发了一个装满科学知识的流行文化特洛伊木马，准备好去夺取热切求知学生的大脑。有多少学生会报名并感到满意，这还有待时间来证明，但就通过他们最喜欢的粉丝文化来激发他们对科学的兴趣而言，这似乎是理所当然的……因为十字弩箭已经摧毁了大部分大脑。-- 答案：第一部分
：720 牛顿 图片来源
《行尸走肉》第四季截图由 AMC 提供
图表由作者制作
丧尸爆头截图来自 Zombie Go Boom
