——怎样举盾？
别误会，这不是教你玩大锤的时候应该怎样边走边跳边前压给队友制造输出空间的《守望先锋》游戏教程——要是我这个黄金玩家都能出教程的话那这游戏离鬼服应该也不远了。
在上一篇文章《文艺作品的现实与虚幻：<守望先锋>（二）》中，我科普了我常玩的一款游戏里的一些现象的科学原理。之后便有读者私信反馈：“老汤啊，你为啥不讲一下你自己英雄池里的英雄们的技能的科学原理呢？”于是乎，我便想到了大锤的盾或者说，防护罩。
提到防护罩这个东西，想必大家在各种科幻作品中已经见过不少了——从光环系列到《兔子帮》和蓝猫龙骑团，都有这种能量护盾的身影。作为一部以科幻题材为主的游戏作品，《守望先锋》也不能免俗；里面很多坦克类英雄都有这种防护罩类的技能——奥丽莎和“猩猩”温斯顿的E技能、“阿三”秩序之光的大招都是这种东西。但最引人注目的莫过于首个“锚式重坦”，“大锤”莱因哈特的右键技能，那个相当于2000点护盾的屏障力场。在第一赛季的时候推车图最恐怖的阵容配置莫过于以大锤、堡垒和天使、DJ为核心的“装甲车”阵容，这种阵容的存在便得益于这2000血的护盾。那么，我们应该怎样实现这样的防护装置呢？
在游戏中，所有的护盾都是单向的，己方的攻击可以打出去而对面的攻击打不进来，但这个要求实在是太苛刻了一点。这是因为很多时候敌我双方会使用类似的武器，没有一种快捷的方法来分辨哪些攻击是敌方发射的哪些攻击是己方发射的。所以我们只能降低一点标准：只要能够挡住敌方的攻击就可以。
这样一来问题就简单多了。在这个系列的第二篇文章《文艺作品的现实与虚幻：<三体>（一）》中，我曾经提到了美国军方的一个实验——
“如果把装甲车的车体当做线圈发射高频的交变磁场那么在飞来的炮弹或者导弹的金属弹体中足以产生很强的感应电流，这种电流在磁场的影响下会引起弹体的强烈振动——类比通电导体在磁场中的运动作用——进而使之偏航甚至引爆、拧断弹体本身，这也是最早可行的电磁防护罩的方案。”
这是因为带电导体在磁场中会受到力的作用，我们可以用安培力公式和左手定则来表达：。其中电来自于作为闭合回路的金属弹体高速穿过交变磁场带来的感生电流。
但是仔细一想就会意识到这种方案实在是太粗糙了——
首先，并不是所有的弹药都是金属制造的；且不说用炸药直接铸造的特种弹药，传统弹药中就不乏混凝土炸弹或者塑料、陶瓷制造的能够突破这种防线的狠角色。这是因为这种“电磁防护罩”本质上是通过电磁感应产生的电流以及作为带电导体的弹药本身与磁场间的作用以达到改变使弹药偏航甚至被拧断引爆的目的。那么只要借助不会受到电磁感应和电流磁效应影响的材料或者说介质发动攻击就可以了。由于很多材料并不具有电感性也不会导电，自然完全可以突破防线。更不要说核生化以及冲击波、放射性沾染以及激光等严格来说不算弹药的攻击方式，这种防护实在是让人无法安心。
其次，如果发动的攻击动量很大，那么即便能够受磁场作用，由于感应电流带来的影响相对于物体巨大的动量而言实在太小，也不足以达到防御的目的。这可以用矢量各方向分量的相对大小来解释。我们知道，物理量可以分为两种，一种是只有大小的标量，例如时间、长度、温度、质量等等；另一种是既有大小又有方向的矢量，例如位移、速度（位移与时间的比值）、加速度（速度与时间的比值）以及动量（速度与质量的乘积）等[1]。
假设我们以下图中的箭头来代表弹药的动量矢量——（Z轴方向投影视图，以箭头方向为X轴，纸面上垂直于箭头的方向为Y轴，纸面向下为其正方向）
当这玩意儿通过上文电磁防护罩中的交变电磁场时，设某一瞬间产生了沿Y轴负方向的安培力[2]，那么此时根据冲量公式，该瞬间的力的冲量与原有动量的关系便可如下图所示——
通过初中数学和高中物理的学习我们知道，矢量加和遵循平行四边形定则——
那么对于上图而言，其动量合矢量便可表示为——
根据平行四边形定则，我们很容易发现经过电磁防护罩之后的弹药动量方向发生了很大的改变。根据动量公式，动量方向便是速度方向。也就是说，速度方向发生了改变，也就达到了使弹药偏航的效果了。在实际情况之下，由于高频交流电产生的磁场中磁通量变化非常巨大，由此产生的感生电流乃至安培力也就水涨船高，因此弹药常常会被引爆或者拧断[2]。
但如果动量很大，那又要另当别论了。同样的模型，我们再画一次——
很容易发现，此时动量的偏转角度明显变小也就是弹药的偏转幅度变小了。而如果大家做过物理实验就会知道，很多时候较小的变量如果相对于较大的变量而言小到一定程度（比如几千分之一），那么由此带来的状态改变就已经可以忽略不计了。或者说只要原有弹体的动量够大就能突破，这样的防御方式让人怎么能放得下心[3]？
最后，这种防护罩只能是一种全方位的防护。这是因为磁场是无源场，只能形成类似地磁场、条形磁铁或者类似螺线管磁场那样的形式——
这种磁场虽然能够形成360°无死角的防御，但也太耗费能量了一点，性价比太低[4]。加上《文艺作品的现实与虚幻：<三体>（一）》里我也提到过——
这种高频磁场的自感效应也会在用作线圈的金属车体里产生涡流使之发热，车里的人会很不舒服装甲本身的性能也会下降甚至损坏。
因此这种装置并不适合作为能量护盾的选择。
基于上述论述，我们发现要寻找的能量护盾装置本质上应该是一类特殊的物质或者说物质的状态，要求如下：
这种物质或者物质的状态本身必须能够起到实实在在的阻挡效果，能够消解大部分的物理攻击且最好对于非弹道类的攻击比如激光等也有阻挡能力；
这种物质必须非常好控制，人类现有的已经被验证的理论物理学原理可以轻易地支配它的状态；
这玩意儿必须有一定的自我修复能力，只要控制它的装置没有失效，即便瞬间攻击的能量在局部超过了承载的极限时也不至于立刻整体瓦解。
看到这里，相信有些反应快的读者已经想到了：一团被磁场束缚着的等离子体。
我们知道，一般来说物质由原子组成的分子构成，而原子分为由带正电的质子、不带电的中子组成的原子核以及带负电的核外电子两部分；对于等离子态，这种物态中原子核和核外电子已经分离不再形成独立的原子；此时虽然整体依旧呈现电中性，但是其中的电子和原子核可以高速地随机运动。因此这种物态往往表现为高温的流体。由于电子和原子核间已经不能形成原子，因此都可以看做独立的带电质点。这种物态因为物理性质类似于含有等量电荷离子的液体故而得名等离子态；以等离子态存在的物质便可称为等离子体。
不过虽然听着高大上，但其实等离子体在现实生活中并不少见：闪电和电焊机的电弧击穿空气的瞬间便会使空气电离，其中的原子解离成为原子核和电子，这便是很常见的等离子体形式；此外日光灯也是通过使汞蒸气或稀有气体部分等离子化，其中的电子吸收能量之后跃迁发光的[5]。由于高温使得其中的原子电离，这种物态具有比较强的流动性和破坏非等离子态物质的能力，我们就是利用这种性质造出了电焊机和等离子焚化炉[6]。此外在宇宙中，大部分宇宙射线和星体都由等离子体构成。
那么，作为一种物态，等离子体组成的护盾有哪些优势呢？
首先，刚刚说过——
原子核和核外电子已经分离不再形成独立的原子；此时虽然整体依旧呈现电中性，但是其中的电子和原子核可以高速地随机运动。因此这种物态往往表现为高温的流体。由于电子和原子核之间已经不能形成原子，因此可以看做独立的带电质点。
我们知道，当电流通过磁场时，会受到力的作用，从微观层面来说，这是洛伦兹力的体现。
洛伦兹力就是运动中的带电粒子在磁场中受到的力的作用。这种作用遵循左手定则：
洛伦兹力的公式表达是，
表示电荷量，
表示电荷运动速度，
表示磁感应强度，式中的乘号表示叉乘[7]。这种力的方向始终同时与运动方向和磁场方向垂直。由于始终与运动方向垂直，洛伦兹力永不做功；且只受到洛伦兹力作用的粒子将在磁场中作匀速圆周运动[8]。
由此很容易想到，通过巧妙地控制磁场方向，我们可以轻易将大量等离子体的运动收束在一个指定范围内。符合能量护盾的条件之一：
这种物质必须非常好控制，人类现有的已经被验证的理论物理学原理可以支配它的状态。
顺便一说，正是因为等离子体的这种性质，我们才能利用磁场约束等离子体用于可控核聚变的研究。托卡马克和仿星器的理论基础便是如此。
其次，等离子体护盾可以阻挡几乎所有类型的攻击形式：由于等离子体温度很高，只要密度足够，不论弹道攻击是否会受到磁场作用，都会在其中被气化甚至等离子化，生物、化学武器自不待言；对于粒子炮这种比较科幻的攻击而言，本质上仍旧是等离子体，因此可以受到控制能量护盾的磁场的作用；至于说激光和电磁脉冲，呵呵，等离子体对于电磁波本身就有阻挡的能力，这一点在《文艺作品的现实与虚幻：<三体>（一）》里也有提到过；爆炸产生的冲击波也会因为介质阻隔的作用被阻拦[9]。
等等，为什么等离子体可以挡住电磁波？这是因为作为电磁波的光本质上是电磁场的波动，而带电的粒子会受到电磁场的作用。显然，光与带电粒子也有相互作用。表现在实验中便是，光打在金属材料上时会撞出其中的电子并被截止即光电效应。基于同样的原因，由大量带电粒子组成的等离子体也可以截止或者说阻挡能量低于其平均动能的光子[10]。粒子平均动能与平均速度有关，而温度就是平均速度的反映，或者说只要温度够高、密度够大，等离子体就能阻挡我们现在的物理原理能够允许的几乎所有攻击，符合上文提到的——
这种物质或者物质的状态本身必须能够起到实实在在的阻挡效果，能够消解大部分的物理攻击；最好对于非弹道类的攻击比如激光等也有阻挡能力。
最后，等离子体本身是流体，这就使得它在磁场约束范围内有很大的流动性；这意味着即便局部被冲破，周围的等离子体也会迅速填补上去而不至于整个护盾都被击碎。符合最后一项要求：
有一定的自我修复能力，只要控制它的装置没有失效，即便瞬间攻击的能量在局部超过了承载的极限时也不至于立刻整体瓦解。
综上所述，能量护盾本质上最佳的选择便是一团用磁场束缚的等离子体（八卦离子盾？）。那么，形成等离子体所需要的介质应该从哪里来呢？
其实办法很简单：将周围的空气电离就可以了。具体的操作方法是：先启动磁场，再用电弧加热即可。要将空气完全等离子化需要数十万度的高温，配合交变电流电磁感应带来的加热作用（与涡流有关，详见《文艺作品的现实与虚幻：<守望先锋>（二）》），可以制造足够高温的等离子体。更妙的是，如果发动了攻击，被气化甚至等离子化了的物理攻击——例如弹药——最终也会成为等离子体的一部分，相当于增加了等离子体的密度。而上文提到过——
只要温度够高、密度够大，等离子体就能阻挡我们现在的物理原理能够允许的几乎所有攻击。
说白了就是只要能够一直保持高温，这种能量护盾可谓越打越肉啊！
当然，虽然这种装置从理论上可行，但是距离我们举起盾的那一天，还有很长的路要走。
首先，装置的小型化就足够困难了。目前想要产生足以约束高温高密度等离子体的磁场需要几公里长的超导导线围成直径十几米的形状极其复杂的线圈。目前的物理学原理还没办法支撑起小型化这种装置的技术。
其次，装置本身依然需要巨大的能量。恐怕只有等到可控核聚变真的实现的时候，才能支撑如此巨大的能量消耗了。
最后，高温等离子体的约束特别是形状的调整，需要对等离子体的性质有更进一步的研究和更高性能的计算机以及相应的控制系统。
或许目前来看这种装置最可行的用途或许是星际战舰这种巨大的物体上，试想一下用磁场约束着十几米厚的高温高密度等离子体包裹着战舰的外侧，平时可以阻挡致命的宇宙射线，战斗的时候可以调整功率和范围配合宙斯盾那样的防御控制系统阻挡来袭的攻击，非常好用了。至于说大锤那种用法，还是让它留在《守望先锋》里吧！
[1]：和我们通常定义的“路程（长度）与时间的比值”不同，速度是一个基于位移概念的物理量而前者被称为“速率”。位移是一段运动中起点到终点的带方向的直线距离，其大小通常用坐标系上的两点间的距离表示。对空间直角坐标系而言，假设质点A从原点（0，0，0）出发经由（1，1，1）到达（1，2，3），那么此时A的路程是——
而位移则是——
事实上正是为了在实际问题中区别两个大小相等但方向不同的直线距离，我们才定义了矢量这种具有方向性的概念。我们常说的“东北方向1km”等表述也都是矢量关系的体现。在物理学中，类似的矢量关系有很多，《文艺作品的现实与虚幻：<守望先锋>（二）》中提到的磁感应强度、磁通量、电场强度等也都是矢量。
[2]：实际情况要复杂的多。由于这一模型中弹体与电磁场的发出者也就是装甲车间的相互作用（互感）已经会基于彼此的大小和形状而产生影响，因此这里已经不能将炸弹看作质点。弹体中的电流方向与弹体的形状（相当于电路的回路情况）和每一瞬间的磁场方向有关；对于绝对均匀且对称的理想弹体，实际上此时其中各方向回路产生的安培力对于其整体而言是会抵消的，就像一个环形线圈放在交变磁场中各方向的安培力也会抵消所以线圈会保持静止一样；但是因为弹体本身往往承受不了由此带来的应力，才使得弹药容易解体或者被引爆。而如果考虑到弹体本身的不对称性和电荷分布情况，那么问题就更加复杂了，因此这里出于简化模型的考量直接采用了文中的表达。
[3]：由于动量与速度、质量两个物理量有关，因此只要有足够大的动量使得偏转幅度相对于原有的运动趋势可以忽略不计就足以突破防护罩。因此质量很小但速度很大的小弹药或者速度很慢但质量很大的重磅炸弹都可以突破这种防护罩。
[4]：图片展示的是太阳风冲向地球时被磁场阻拦的模拟图像。由于太阳风本质上是一种高速的粒子流，属等离子态，因此当太阳风通过地球磁场时便会受到洛伦兹力作用而发生偏转进而被磁场阻拦。极地地区常见的极光便是太阳风受磁场作用到达两极之后与大气物质碰撞产生的一种发光现象。
[5]：实际上此时不论稀有气体还是汞蒸气均未完全电离，只是部分原子(大约0.1%~1%)失去电子，这些电子很容易被再次捕获并先跃迁到高能态再跃迁回到低能态，这一过程便会损失能量发出电磁波。
[6]：等离子体破坏物质的能力一方面是因为高温本身就有利于物质结构的破坏，其中高速运动的粒子迅速撞击物质材料表面使之瓦解；另一方面是因为等离子体中未完全电离的部分常会成为化学反应的中间体即所谓自由基，加速材料结构的崩解。
[7]：叉乘是矢量的一种乘法形式也叫向量积，其大小等于相乘的两矢量模及其夹角正弦值的乘积：，式中
、
表示相乘的两向量，a表示二者夹角，叉乘之后产生的矢量方向及其与原矢量的关系见下图——
[8]：这里洛伦兹力的定义按照的是高中物理和大学物理的概念。严格来说对于电动力学模型而言洛伦兹力必须包括电场项，即写成：。此外对于一个匀速运动的物体，如果一直受到大小不变且始终垂直于运动方向的力，那么这个力必然导致其运动方向不断改变最终成为匀速圆周运动，该力将成为向心力；由于速度不变时洛伦兹力大小不变，方向始终与粒子运动方向垂直，因此只受洛伦兹力作用的粒子将在磁场中作匀速圆周运动。
[9]：爆炸的冲击波本质上依然是空气流动，由于等离子体和空气属不同介质，介质界面上冲击波的传递将会剧烈地受阻甚至消失，因此理论上，足够高能量的等离子体防护罩甚至可以阻挡核爆级别的冲击波。
[10]：从量子场论的角度，这个问题可以如是解释：任何粒子都是作为时空性质的“场”的激发态，都具有波粒二象性；光子就是电磁场的激发态量子化之后的模型，所以电荷和光子作用本质上是电磁场和电荷的作用。
