四年一届的足球世界杯赛事再度令亿万球迷为之如痴如醉。当你欣赏球赛，为自己喜欢的球队、球星鼓劲呐喊时，不一定会想到科学问题。事实上，每一届成功的世界杯赛都有科学的支撑。如本届南非世界杯一个突出课题就是如何应对高海拔的挑战；此外，一系列与球员、裁判、教练、球迷有关的科学研究也有了结果。――编者

　　2007年2月，巴西弗拉门戈足球队在玻利维亚踢了一场美洲杯比赛，其对手皇家波托西队的主场坐落于安第斯山脉，体育场海拔将近4000米。在瓢泼大雨中，弗拉门戈队先以0比2落后，期间，许多球员需要吸氧来缓解高原反应。虽然他们最终以2比2打平，但弗拉门戈队宣布以后再也不会在高海拔地区比赛。

 

　　这由此也引发了足球的“高海拔争议”。巴西足联以弗拉门戈队的案例向国际足联申诉，安第斯山的高海拔地区不适宜举行足球比赛。2007年5月国际足联裁定，“为了球员的健康”，国际比赛不得在海拔2500米以上的地区举行。

 

　　如果巴西足联认为这意味着胜利的话，他们没有想到来自玻利维亚、厄瓜多尔和哥伦比亚的回击。后者向国际足联反诉，认为这项裁定会让他们的国家体育场馆不再有资格进行国际比赛。作为回应，国际足联取消了禁令，留待进一步研究。

 

　　2010年6月，海拔再次成为足球的一个议题。南非世界杯将是24年来首次在较高海拔场馆举行。主体育场约翰内斯堡的足球城海拔1701米。虽不如安第斯山脉那么高，但也足够让人产生高原反应。其他6个场馆也在高海拔处（见图）。这会对比赛造成影响吗?

 

　　在意识到南美国家的争论之后，2007年10月，国际足联邀请顶尖科学家在其瑞士苏黎世总部讨论了高海拔对足球运动的已知影响。与会科学家们认为，确定在海拔对足球影响这一领域很少有受控实验，他们只能从其他运动项目诸如跑步、滑雪和登山等研究中得出推论。

 

　　首先在体能表现方面，他们得出的结论是：在500米以下没有任何影响，在500米以上，负面影响会越来越显著――例如心跳加速、呼吸不畅以及活力下降；而所在地海拔越高，情况会越严重――甚至有些人会比其他人受到的影响更大。在2000米处，高原反应和水土不服就成了问题，在3000米处，体能会受到实质性的影响。

 

　　由海拔造成的生理反应主要是空气中的氧气减少而引发的，造成了血液中氧气含量的减少。由此引发的体能下降可以由最大摄氧量――每千克体重每分钟的最大摄氧量――来衡量。对耐受力的研究表明，在300米以上，海拔每上升1000米最大摄氧量降低约6%；而当运动员精疲力竭时，海拔每上升1000米降低约14%。

 

　　将体能降低值控制在最小的标准方法是几天的当地适应性训练。短短的几天虽然不能恢复到海平面时的水平，但国际足联小组建议在高海拔地区呆上3——5天。即使是生活在海拔3600米处的玻利维亚足球运动员，他们的最大摄氧量也比海平面的球员低12%左右。

 

　　那么，这些高原反应会把南非世界杯的比赛结果搞得一塌糊涂吗？应该不会。这次比赛用的场馆没有一个建在海拔2000米以上的，而32支参赛球队在比赛期间也大部分住在球场附近，包括运动员还会借助高海拔模拟室进行预适应训练。

 

　　然而，高海拔也是一面双刃剑。一些与会的科学家注意到，有报道称适应了高海拔环境的球员在陡降到海平面比赛时体能会下降，可能使得他们在与适应了海平面环境的球队比赛中处于劣势。因为半决赛在海平面处举行，而参赛的双方分别是高海拔处和海平面处四分之一决赛的获胜方，因此该效应可能会影响到比赛。

 

　　体能并不是唯一受影响的。国际足联小组还推测，高海拔可能会改变足球的空气力学性质，造成球员的发挥失常，其关键在于大气的折合密度：它会影响球在空中运行的速度以及弧度。海拔每上升1000米，大气压力（也就是空气密度）会下降大约11%（精确的公式要远比这复杂）。假设其他情况等同，约翰内斯堡的大气压约是开普敦的81%。

 

　　温度也是一大影响因素。空气密度每降低3%，温度则会上升10℃。假设开普敦寒冷冬夜的温度为7℃，则约翰内斯堡冬日下午的温度会达到10℃，高20%。这样的差异在世界杯期间极有可能出现。

 

　　为了直观地表现这个差异，想象一个球在球门正前方18米外被踢出――在罚球区外――朝向球门的左上角飞去。假设在海平面处，球速为平均每秒22.8米，在0.817秒后会攻破球门。

 

　　在高海拔处情况又会怎样？因为阻力和空气密度成正比，在1700米处的同样一次射门，就比在海平面处的球速更快――0.801秒后到达球门线（比在海平面时快2个足球直径），减少了球在空中的下降时间，最终直接撞到球门的横梁上。结果是，球员必须掌握足球的飞行线路――为了让球直接进入网内，起球时要比往常稍低一些，以降低球的飞行角度。

 

　　假设在同一位置射门，但要越过门前由防守球员排成的人墙，这就需要让球侧旋，由此产生的力――被称为马格努斯力――会使球的轨迹弯曲。包括习惯于海平面球况的守门员需要比平常反应更敏捷，否则就会看到球从张开的五指间飞入网内。

 

　　同样在海平面处，同一位置的射门速度为每秒20米，当绕过人墙右端折回后，在1.114秒飞入球门左上角。在约翰内斯堡，由于低空气密度既降低了阻力，同时也降低了旋转效应，完全相同的射门既可能会高出球门也可能会撞上人墙。

 

　　而适应以后，球员将用更大的旋转和稍低的射门角度以使球越过人墙飞入球门上角。而球的飞行速度会比在海平面时快0.03秒（或超过2个足球直径）。如果守门员此时作出海平面时的那般反应，球会在被拦截之前进入网内。

 

　　是否有证据显示高海拔真的会影响足球比赛的结果？英国牛津大学工程师帕特里克·麦克谢里（Patrick McSharry）对1900年——2004年间在南美举行的1460场国际比赛进行了调查分析。他的结论是：真正起作用的并非是海拔自身而是海拔的改变。将技术差异等因素一并考虑后，高海拔球队在与海平面球队进行主场比赛时有更多的胜算。反之，当高海拔的球队来到低海拔比赛时，他们胜率较低。

 

　　除了生理和空气动力学两方面原因外，球队的战术安排也举足轻重――变换球队的战术或许可以弥补足球飞行线路的变化。将这个假设放进比赛中，研究人员分析了墨西哥队2010世界杯预选赛的8场比赛数据，其中包括在海拔2288米的墨西哥城阿兹特克体育场的4场主场比赛。根据英国著名体育数据分析公司ProZone提供的数据，在禁区外的射门次数会随着海拔升高而增加，而禁区内的射门次数则会降低。这是否暗示着在高海拔处，球员会以增加远射的次数来借助足球平直快速的飞行路线破门。

 

　　类似的战术安排在南非会一显身手。想象一下在约翰内斯堡进行的一场比赛，在球门18米处主罚直接任意球时，当防守方排成一道四个人的人墙时，进攻方的两个主罚任意球球员在讨论由谁主罚：一个是以硬朗直线球闻名，而另一个则是弧线球高手。究竟由谁来罚球？

 

　　从物理学的角度应该选择弧线球，如果守门员还没有完全适应球的飞行路线，那么弧线球会带来更大的时间优势。唯一的问题在于它需要无比的精准，因为在高海拔处弧线球的允许误差要小得多。

 

　　值得注意的是1986年的墨西哥世界杯，这是最近一个海拔因素发挥作用的世界杯。最终夺冠的阿根廷队从小组赛到决赛全都在海拔2000米以上进行；而其他参赛球队则在不同的海拔地区进行。阿根廷队是否因此占据了优势？如果是的话，今年不会再发生这种情况了。无论哪支球队赢得今年的比赛，都将从高海拔转换到海平面，然后再依次交替。

 

　　这次世界杯所传递出的信息，即所有参赛球队必须考虑环境的适应以及战术的调整――球员们需要适应海拔的变化，特别是高海拔对球的飞行路线的影响。而那些视高海拔为优势的球队――或者已经适应了从低海拔到高海拔转变的球队――将会得益。同时也表明来自南美的球队其赢面会增大。