我们的头发在不断地相互摩擦中产生着摩擦力和静电，发丝与发丝之间，有的互相缠结在一起，有的在间隙之间形成微小的气囊，而天然润滑剂则将头发笼罩在把所有发丝粘合在一起的表面张力之中，其间的物理学原理之复杂令人惊讶……

 

　　埃坦·格林斯潘(Eitan Grinspun)拥有一头漂亮的卷发，他经常以科学的名义在镜子前自我欣赏并琢磨着：“这些发丝其千丝万缕的联系中存在着什么样的疯狂力量？”
 
　　任何清晨在镜子前梳理一头乱发的人，也许会对他的话点头称是。然而，一些研究人员发现，盘踞于我们头顶之上的头发其物理学原理之复杂远远超乎我们的想像：我们的头发在不断地相互摩擦中产生着摩擦力和静电，发丝与发丝之间，有的互相缠结在一起，有的在间隙之间形成微小的气囊，而天然润滑剂则将头发笼罩在把所有发丝粘合在一起的表面张力之中。
 

“马尾辫形状方程”

　　格林斯潘是纽约哥伦比亚大学的计算机科学家，除了与迪斯尼和皮克斯等公司合作开发电脑动画之外，他还对头发甚感兴趣。但他并不是唯一对“发型发式”感兴趣的人。“我的几位研究生都梳着非常漂亮的马尾辫，而我总是很感兴趣地打量着他们，”英国剑桥大学从事复杂系统研究的物理学家雷蒙德·戈尔茨坦(Raymond Goldstein)说道。
 
　　自2008年以来，戈尔茨坦一直在与经营化妆品的跨国公司联合利华合作研究一个项目，即令马尾辫头发卷起或平顺的原因，但从这一特别的研究项目中获益的并非只是洗发水制造商和好莱坞的动画师们。
 
　　从最基本的层面来说，人的头发只是一些环环相扣的蛋白质链，其中，各种粘接力、摩擦力和静电等相互作用难以计算。但真正的挑战是其数量之巨，“你的头上大约有10万根发丝，每根发丝与其他发丝之间产生约1万次交互作用，”德国波恩大学计算机科学家安德烈亚斯·韦伯(Andreas Weber)说道。韦伯对头发的奥秘已经有了十年的研究
 
　　湿头发和干头发之间的互动也是不尽相同的。头发干燥或环境湿度较小时，发丝与发丝之间的每一次绞合都经历了一种“玻璃化转变”(glass transition，即无定形事物的固体状态与柔韧状态之间的过渡――译注)，突然锁定形成一种由其蛋白链精确结构决定的特定曲率形态。一名优秀的理发师凭直觉能够理解这种变化。而在潮湿的天气里，这一过程正好相反，即使是最精心设计的发型也有可能被破坏得毫无形象可言。
 
　　在与联合利华初步接触之后，戈尔茨坦和他的团队决定先从被称为密度泛函理论的数学建模方法入手，这种方法经常被运用于计算固体中电子的相互作用。
 
　　第一步要解决一个基本问题是：使马尾辫形成某种特定形状的原因是什么？研究人员用密度泛函理论将这种聚合力简单地解释为重力的作用，而发丝间的交互作用则归结为由内向外的一种力场，同时将头发的弹性、密度和卷曲度一并作为常数考虑进去，由此产生的“马尾辫形状方程”成功预测了不同长度头发的马尾辫形状。
 

头发的物理学原理

　　这类研究也许不会引起人们的重视。事实上，最近戈尔茨坦和他的合作者的这一研究被授予了“十大搞笑诺贝尔”奖，成为那些“让人先是开怀大笑，然后若有所思”的科学成就之一。在英国阳光港一公司工作的帕特里克·沃伦(Patrick Warren)说道，客户们对如何控制和保持发型样式很感兴趣，“每个人的头发纤维性能不同，会影响马尾辫的形状，如今我们对此已有了更深刻的了解。”
 
　　每个人的头发的平均曲率和弹性性能等均有着明显的不同，到现在为止，洗发水生产厂商也很难生产出针对各种头发量身定做的护发产品。类似格林斯潘和韦伯这样的计算机科学家，都有着想更进一步理解头发之奥秘的愿望，尽管他们的出发点不同。由于他们的工作，在过去十年里，计算机游戏《古墓丽影》中争强好胜的女主人公劳拉的发式，已让位于更多样化的发型发式。
 
　　格林斯潘正在改进他的“发型塑造修剪工具”，以帮助Adobe开发其图像处理软件中的作图工具，并在《阿凡达》和《金刚》等电影中为那些毛茸茸的家伙塑造形象发挥了作用。但在计算机技术出现之前，好莱坞也自有一套用来设计与明星相配的发型办法。但是，无论是计算机辅助设计还是人工设计，其共同点不会考虑到对头发基本物理原理的理解。格林斯潘说道：“我们希望捕捉和了解头发的物理学原理，并根据发型的需要，或让头发服贴柔顺，或让头发保持某种特定的造型。”
 

力学原理无所不在

　　如果说开发出更高级的洗发水或数字动画，让头发变得更漂亮的研究听似并不是什么重大科研课题的话，那么还有许多东西也可以用物理学原理来说明。例如，格林斯潘与麻省理工学院的佩德罗·里斯(Pedro Reis)一起，利用同样的物理学原理研究意大利面条下锅后如何缠绕在一起的模式，用来模拟海底通信电缆在海床上的缠绕方式，以找到海底通信电缆的最佳铺设方案。
 
　　与石油公司合作，里斯探究了石油和天然气管道在自重压力影响下是如何像人类头发一样发生弯曲的。他和同事罗曼·施特克尔(Roman Stocker)一起，目前正在研究另一种生物学过程，即细菌在液体中游动时，与头发物理学原理类似的原理如何影响着其弯曲鞭毛的推进效率，“力学原理无所不在，”里斯说道。
 
　　不可否认的是，真正能赚钱的关键点在于：毕竟我们很多人都对漂亮的头发有兴趣。“如果你能从地球上一半人那里每人赚取50美分，就可以有大笔资金用于研究，”韦伯说道。即便如此，实际上也只有其中的一小部分资金能投入到研究工作中。对于已然谢顶的戈尔茨坦来说，他个人更是不能从中获得任何益处，但他仍然希望能找到这个问题的终极答案。
 
　　在破解马尾辫之谜中，戈尔茨坦将着眼点放在了一个更为棘手的问题上：是什么原因让头发纠结成乱糟糟的一团。他希望在未来的几个月里能取得“显著进展”，同时他还对究竟是什么让头发变得时髦漂亮进行了一些最基本的调查研究。
 
　　“我们打算将头发放在风洞中进行研究，看看能够发现些什么，”他说。这项计划听似像是花费大量时间和金钱在开发来某个产品，实际上这只是为了让你的头发在飓风中看起来更漂亮一些。研究人员认为，这是值得的。
 
 

资料来源 New Scientist

责任编辑 则 鸣