某科学的超电磁炮真的科学吗？
----不懂电磁学还好意思说自己喜欢炮姐？
作者：物理所-蛤蛤娱乐 B站ID：我们支持董先生
依稀记得十多年前由轻小说改编的魔禁外传“某科学的超电磁炮”播出，伴随着永远18岁的南条爱乃唱的“Only my Railgun”一起火遍大江南北。而动画的主角，学园都市唯一精神正常的Level 5超能力者——御坂美琴，也因为其耿直正义的性格、强大酷炫的能力、招牌的安全裤、对青蛙的喜爱以及其他直戳肥宅内心的萌点称为一代国民老婆，连续多年力压本传女角(好像是个叫茵蒂克丝的)夺得“这本轻小说真厉害”年度最佳女性角色大赏，同时还夺得2011世萌冠军。(其原型貌似是镰池和马的初恋…)
谈到御坂美琴就不得不说到她的招牌招式，每季动画第一集必定会出现的“超电磁炮(Railgun)”：利用电磁诱导原理，将游戏币以初速度3倍音速（速度1030m/s）射出[1]。从这个招式中也诞生了一句中二台词：“你指尖跃动的电光，是我此生不灭的信仰，唯我超电磁炮永世长存！”御坂美琴也因此获得外号“炮姐”。
除了电磁炮以外，御坂美琴还能控制电磁力使自己站在金属墙壁上或者吸附金属制品、向空间发射电磁波甚至引发落雷。可以说，御坂美琴已经将自己控制电与磁的能力运用到了极致，是学园都市不折不扣的“最强电击使”。
作为物理系的学生，看到炮姐这些花里胡哨的技能，在喊老婆之余也会不由自主的去思考炮姐能力背后的物理学原理。
上至地球、星系、宇宙，下至最细微的基本粒子，无论是黑洞中的怪异时空现象、原子弹爆炸，还是手机里的芯片，都是物理学的研究范围。人们甚至可以把“科学”二字定义为“物理学以及它一些的衍生学科”。
若想理解炮姐能力背后的科学原理，无疑需要研究电与磁，而物理学中刚好有门专门研究电磁现象的学问——电磁学。因此“某科学的超电磁炮”中的“某科学”指的应是是电磁学。所以超炮的全名应该叫“电磁学的超电磁炮”，翻译成日语就是：電磁気学の超電磁砲。
在余下的内容里，我将带着大家简单的学习电磁学的基本原理，并用这些基础知识来解释炮姐的几个最显眼的能力，最后我们结合动漫中的情报，对炮姐的能力做一个总结。希望各位阅读完本文后可以对奇妙的电磁学有一定的了解，并能通过动漫来激发各位的物理学兴趣。
自然界存在着四种基本相互作用，分别是强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用、引力相互作用。在四种相互作用中，电磁相互作用最早被人们所认识，公元前600年的希腊哲学家泰勒斯(Thales)就记载了带静电的琥珀能够吸附杂草、天然磁石能够吸引铁块的现象。而在北宋时我国已经将由磁石加工成的指南针应用于航海。
随着自然科学的发展与实验条件的改善，人们对电磁相互作用的认识逐渐深刻。人们意识到电磁相互作用的产生是由于有电荷(electric charge)的存在，并发现存在着“正”、“负”两种电荷，电荷周围产生的电场(electric field)与通电导线(即运动的电荷)周围产生的磁场(magnetic field)是电磁相互作用的载体，会对其它电荷产生力的作用。不仅如此，人们逐渐意识到电和磁现象是有相互联系的，当磁场增大时可以在磁场的周围检测到围绕着磁场形成环路的电场，反之亦然，这种由电生磁、磁生电的现象就叫做电磁感应(electromagnetic induction)，通过电磁感应现象人们制造出了交流发电机，促成了第二次工业革命的诞生。十九世纪中期，随着人们对电与磁认识的逐渐深入，英国物理学家麦克斯韦(James Clerk Maxwell)将之前的实验规律归纳、总结为四项形式高度对称优美的数学方程，这便是著名的“麦克斯韦方程组”(Maxwell's equations)。它与电荷在电磁场下的受力公式一起，构成了整个电磁学的所有理论基础。
麦克斯韦方程组对于从事物理学研究的工作者而言是再熟悉不过的了，但在这里指望所有不同背景的读者都能够看懂这些公式显然是不切实际的，然而看不懂数学公式并不意味着你不能了解方程组背后的物理思想。在这里我们会把麦克斯韦方程组以及电荷受力定律给出，并在形式上对它们做出分析并做出直观上通俗易懂的解释，虽然解释的不够精确但足以总结出整个经典电磁学背后所蕴含的物理原理。
以上五个式子包含了电磁学的所有内容，任何电磁现象都受这五个公式支配。式中E代表电场，B代表磁场，J代表电流，ρ代表电荷，v代表带电粒子的速度，而 ∂B/∂t 和 ∂E/∂t 代表磁场和电场随时间的变化，公式中其它符号这里不过多解释。
从麦克斯韦方程组的前两行可以看出来，电场E取决于电荷ρ以及变化的磁场B (这里不管前两式左边的 ∇ ∙ E和 ∇×E是什么意思，只要知道它们肯定和电场E有关)；从麦克斯韦方程组的后两行可以看出来，磁场B取决于电流J以及变化的电场E。而电荷受力公式可以告诉我们，一切的“电磁力”都来源于电场和磁场对电荷的作用，因为如果第五个式子前面的q为0，一切电磁力都无从谈起。即使不了解电磁学，以上内容也应该能从公式里看出来，这就足够了。
一句话概括电磁学的所有规律：
“变化的电场会产生涡旋磁场，变化的磁场会产生涡旋电场，电荷在它周围产生放射状的静电场，电流会在它周围产生环状的静磁场，电子会朝着电场方向加速运动，磁场让运动的电子转弯。”
如果你记住了上面这句话，恭喜你已经掌握了电磁学的所有基本原理，可以说电磁学你已经掌握了一半。剩下的就是结合高等数学在各种各样的条件下(比如真空中、介质中、边界上)求解麦克斯韦方程组。(所谓“求解”，说白了就是算出任意时间下，空间中任意位置的电场E与磁场B或者带电物体受到的电磁力F的大小与方向)。
在真空中求解麦克斯韦方程组，我们发现电场磁场的相互激发将以电磁波的形式传播，并预言光就是电磁波(electromagnetic wave)；
在物质与空气的边界上求解麦克斯韦方程组，我们可以推导出几何光学中的反射、折射定律，解释了为什么筷子插入水中看上去像折断了一样；
在电荷来回振荡的条件下求解麦克斯韦方程组，我们揭示了微观原子发光的经典原理，并根据这一原理制造出了无线电；
在不同惯性系下求解麦克斯韦方程组，我们发现了电磁现象在牛顿力学框架下会出现矛盾，直接引发了狭义相对论(special relativity)的诞生，在狭义相对论的四维时空下，电场与磁场是完全相同的事物在不同惯性系下的表现，电场与磁场被统一起来；
麦克斯韦方程的在四维时空下的协变形式，此时四个式子被简化为两个
说了这么多，总之电磁学就是围绕着电场、磁场、电子间的“爱恨情仇”展开。谁能自由操控电场和磁场，谁就能操控世间一切的电磁现象，因此御坂美琴的能力可以如下科学定义：
“可以自由的在周围空间中的任意位置产生任意方向、任意大小的电场和磁场的能力。”
相信大家在看完以上介绍后对电磁学的基本原理已经有了了解，下面我们将用电磁学来科(qiang)学(xing)阐(xia)释(che)御坂美琴在动漫中的各种技能。
若要说炮姐哪项技能是最著名的，那自然就是电磁炮了！(不然为什么叫炮姐呢)，那么下面我们就首先来讨论在电磁炮[Railgun]背后的物理原理，希望通过以下讲解使同学们学会电磁炮的使用方法与技巧。
简单来说，电磁炮是一种使用磁力来把炮弹打出去的武器，而传统火炮则使用炸药在炮管内爆炸作为动力射出炮弹。相比之下电磁炮的使用不需使用炸药作为推进剂，同时炮弹速度快，精度高，射程远，威力大，约能在6分钟内飞行200海里，初始速度达到2500米/秒，比普通火炮的速度快2至3倍。带有巨大动能的弹丸通过直接撞击目标将其摧毁，威力极大。
图为美国海军特种作战中心在2008年1月的试射
同时由于电磁炮不需使用火药，发射过程中不会产生诸如SO2、NO2、CO有毒有害气体，是一种环保、高效的杀敌方式。
也难怪电磁炮在电影和游戏中频频登场了，比如在变形金刚中一炮打碎金字塔、在生化危机3重制版中作为最终武器口爆追追。
吉尔: You want stars? I'll give you stars!
电磁炮之所以可以发射炮弹，其基本原理就是通电导线在磁场下会受力的作用，这种力被称为洛伦兹力，也就是常说的磁力。如下图所示：
图中斜向上的两根黑色导轨由一根可滑动的粉色金属棍相导通，假设金属棍长度为1米。将两根黑色导轨分别接电源的正负两极，导轨和金属棍连成的通路中便会产生U形的电流，我们假设电流大小为I。由于导轨通有电流，根据“通电导线会在周围产生环形磁场”这一原理，两根平行的通电导轨间便会产生垂直于导轨平面的磁场B。
对于金属棍，由于其即通有电流又受到磁场的作用，根据洛伦兹力的计算公式，这根金属棍将受到大小为：
F=IB
其方向平行于炮管，由于磁场B正是由电流I激起的，磁场大小正比于I，因此洛伦兹力的大小可以完整的写为
F=A*I*I (A为一个常数)
金属棍在洛伦兹力的作用下会被推出炮管，假设炮管口长度为L，那么炮弹的出射动能为：
E=A*I*I*L
通过增长炮管、加大电流，我们可以使电磁炮的炮弹具有极高的动能，产生巨大的杀伤力。
炮姐用硬币使出超电磁炮的原理与上面类似。御坂通过能力在硬币两端激发水平的电场E，使硬币两端的电子发生击穿(即电子在强大电场的作用下穿过金属/空气界面，考虑到硬币的形状，这电场估计大得可怕)，从而在硬币中产生电流。
在中有电流通过的同时，御坂在手臂前方激发磁场B，在如下图所示的洛伦兹力的作用下硬币加速飞出。御坂可操控的电磁场范围很广，因此硬币命中目标前可以一直加速，甚至硬币会因为速度过快而融化掉！(不过当硬币里通那么大电流的时候早该融了……)
总之，炮姐射出电磁炮的原理就是利用了洛伦兹力，也就是磁场对运动电荷有力的作用，炮姐在动画中的各种飞檐走壁、吸附金属、将铁砂凝聚为剑，也是利用的洛伦兹力。在这些纷繁炫目的能力背后，其本质和你小时候玩的两块吸铁石没有区别。
讲道理直升机是靠磁力吸下来的，这种绳子一样的电流是不应该出现的……
接下来我们再带着电磁学的眼光来讨论御坂美琴的其它能力。除了电磁炮以外，炮姐最主要的特征可能就是身体周围时常“吡哩吡哩”的闪烁着电火花，在炮姐情绪激动或者想K人时这种现象更容易发生。
御坂美琴在激动时会在周围产生电火花，左侧为当麻的腰
这种在炮姐周围产生的电火花叫做“电弧”(electric arc)，其本质为空气在强大的电场下产生的电击穿现象。如下图所示，将两根电极之间加上巨大的电压，会在两电极之间产生弧形的电火花。
空气的击穿从微观看，是由于空气中的分子在强电场下其内部的电子和带正电的离子在电场的作用下向相反的方向运动，从而相互分离。这些被电场强行“拽”出来的电子，在运动图中被电负性较大的分子，比如氧分子和二氧化碳分子捕获，在这一过程中释放出大量的能量，发出光和热，从而压缩周围的空气，于是电弧便产生了。其过程如下图所示：
注意到由于电子的电荷为 -e，因此电子的运动方向和电流方向相反
另外根据小说中的设定，炮姐还有铁砂之剑、雷击之枪、落雷等技能，这里要一一解释就有些困难了，嗯，总之河马物理学万岁！
身为学园都市排名第三的超能力者，御坂美琴的能力之所以可以排至第三也必然有科学的量化评价指标。在最后我们运用电磁学的知识来理(hu)性(luan)分析：
首先我们重温对炮姐能力的定义：
“可以自由的在周围空间中的任意位置产生任意方向、任意大小的电场和磁场的能力。”
那么我们可以从如下五个方面评价她的能力：
(1). 炮姐能操控的电场磁场强度
(2). 电场和磁场能否精确的控制方向和大小？
(3). 能力的持续性如何
(4). 电场和磁场在空间中的作用范围
(5). 能力的成长空间怎么样？
首先讨论第一项，炮姐能操控的电磁场强度一定是很强的，毕竟能使出诸如电磁炮、落雷这些大杀技，没有极强的电场或磁场绝对做不到，因此第一项强度为A；
至于第二项能力的精密性，，用手指电一下键盘就能黑别人系统的能力你说精不精密？此项非A天理难容；
在动画《某科学的超电磁炮S》中的第八集至第十集，炮姐在袭击水穗机构病理解析研究所时，接连击败“道具”组织中的芙兰达和另一名超能力者麦野沉利，其能力足以应对持续的作战，因此持续力为A；
接下来讨论作用范围，根据某《科学的超电磁炮》漫画第92话，炮姐在与操齿凉子复制人的战斗中用铁砂凝聚成了大楼一样高的巨人，可见她可操纵电磁场的范围非常之大！因此范围也是A；
操齿凉子：霍，直接向我走来了吗？
在超炮大霸星祭篇，木原幻生透过“幻想御手”的应用将“外装代脑”分享给警策看取，由警策负责透过操纵御坂网络诱导御坂美琴的深层心理，让美琴处于让力量失控，强制接近level 6绝对能力的状态。最后在上条当麻、削板军霸的正面猛攻以及食蜂操祈、白井黑子的背后配合下终于清醒过来。可见御坂美琴的能力仍有提升空间，但想要提升很困难，因此成长性应是C
Level 6状态下的御坂美琴
总结上文，御坂美琴在强度、范围、胸围、精密、持续等方面为A，成长性弱一些为C，嗯，5A1C，似曾相识的面板。
扯了这么一大通，这篇文章的内容也终于是写完了！我们陆续介绍了电磁学的基本原理，并运用原理来解释了御坂美琴的各项能力，这种由“总结原理”→“解释现象”的过程也正是物理学研究的一贯思维。
本文虽然轻描淡写的介绍了电磁学的相关内容，但实际的电磁学还是一门逻辑严谨、体量巨大的课程。在这里我们并不指望看完本文的各位日后能投身科学建设，但如果各位能从本文中激发一些对自然科学的兴趣，本人也就心满意足了。毕竟“从动漫中激发科学兴趣”才是本文的核心主旨。
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