哈喽大家好！我是朱一明。生活中有一些现象，你乍一看不觉得有什么。但是仔细一想会发现非常神奇。

比如人类作为一种高等生物，哪怕是从像桌子或者楼梯这么高的地方跌落，都有可能会受伤，甚至骨个折啥的。但是像蚂蚁那么弱小的生物，从同样的高度摔下来居然能毫发无损。要知道从身材比例的角度来看，蚂蚁的体长也就几毫米，桌子高度是它的几百甚至上千倍。这对于蚂蚁来说是非常高的了。试想一下如果是人从身高几百上千倍的地方摔下来会怎样？肯定就粉身碎骨了。那究竟是什么东西赋予了蚂蚁这种摔不死的超能力呢？咱们今天就来研究一下。

其实蚂蚁的这种能力来自于一条物理定律，你可能都没怎么听说过，叫做“平方-立方定律”。这名字乍一听像数学定律，但最早是由伽利略提出的。大概意思就是说，当一个物体变大的时候，它体积的增长要比表面积或者横截面积的增长速度快。咱们上初中都学过几何，比如一个立方体边长是1m，它每一个面的面积就是1m的平方，等于1平方米，体积就是1立方米。但是如果它的边长增大一倍，变成2m，那它每个面的面积就会变成4平方米，体积就会变成8立方米。面积变为4倍，体积变为8倍，体积的增长比面积的增长要快很多。

那讲到这，感觉只是几何上的常识，跟物理有啥关系呢？其实就这么一个简单的常识，它揭示了物质世界一条根本性的限制。首先想一个问题：为什么自然界中不存在巨人，或者像电影动漫里那种体型特别大的生物？因为它们的身体压根就承受不住。比如某种生物像刚刚我们说的，身材增大了一倍，那么它的体重就会变为8倍。

当然这里还有一个前提，就是它的密度基本保持不变。这其实也是自然界的一条普遍规律，基本上大部分生物体的密度都在水的密度上下，每立方米1000公斤。这是生物在重力环境下平衡运动效率和能量消耗等因素的结果。但是生物体的承重能力是跟横截面积成正比的。再胖的人，他也是靠双脚着地去支撑自己的身体。身材等比例放大一倍，双脚着地的面积只会变为原来的4倍。8倍的体重，4倍的着地面积，所以单位面积的承重，也就是承受的压强，会变为原来的2倍。而这种承重能力是不能无限制增长的，起码构成生物体的细胞它有一个承重的极限。这就是为什么在地球上不会出现体型太大的生物，像鲸鱼、恐龙这种基本就是天花板了。同理，大型的建筑或者船舶要比小型的更难建造，光材料的承重就是个大问题。

那除了承重能力之外，还有一些力也是跟面积有关的，比如风力和空气阻力。为什么身材肥胖的人不容易被大风吹跑呢？虽然跟一个骨瘦如柴的人相比，他身体的受风面积更大一些，但是他体重也更重，而且是重得多，那他就可以站得更稳。还有空气阻力也是这样。当蚂蚁从高处摔下来的时候，它下落的速度不会一直增加。当空气阻力跟它的体重相平衡的时候，它就会停止加速，从而达到一个最大的速度，也就是所谓的终端速度。所以体型越小的生物，它下落的终端速度也越小。可以简单计算一下，蚂蚁的终端速度要比人体小10-20倍左右。它只要下落一段很小的距离，就可以达到这个速度了。也就是说同样是从桌子这么高的高度摔下来，蚂蚁有比人体小得多的落地速度，它自身还有比人体大得多的承重能力。这就是蚂蚁摔不死的秘密，蚂蚁全靠它才能活到现在。也正是因为平方立方定律，蚂蚁同时也是自然界的举重冠军。人类的举重极限大概是自身体重的三倍，而蚂蚁可以举50倍。

从这个角度来看大自然还是挺公平的。像人类这种体型比较大的生物，我们固然拥有更强的绝对力量，也有更大的脑容量，带来更高的智商。但在面对同样的自然挑战下，我们承受的压力也更大，单体的抗风险能力反而没那么强了。这也是像蚂蚁、蟑螂这种小型生物能在地球上存活如此长时间的原因之一。它们熬死了恐龙，熬死了很多已经灭绝了的生物。这不得不让我们产生一丝担心，你说人类会比蚂蚁存活的更久吗？

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：晨光熹微工作室

审核： 孙保华 北京航空航天大学教授

出品：中国科协科普部

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