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科學驗算:激光雨傘真的可行么?

來源:網絡

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所屬頻道:新聞中心

關鍵詞: 激光雨傘,

        用雨傘或者帳篷遮雨太沒意思了,如果你用一個激光發射器瞄準落下來的每一個雨滴,在它們落到離地10英尺的高度前就把它們一一汽化會怎么樣?

        回答:

        用激光束來遮雨聽上去完全可行,如果你……

        雖然激光雨傘這個想法聽上去很有吸引力,但它……

        好吧,我們現在討論的是用激光來遮雨的問題。

       (誰允許你討論這個問題了?)

        這個想法不那么有可行性。

        首先我們來看看基本的能量需求。汽化一升水需要約260萬焦耳的能量,[1]而在一場大雨中每小時的降雨量可達半英尺(約1.27厘米)。就這點來說這個問題回答起來并不難,你只需要把降水的體積乘以260萬焦耳就能得出激光雨傘需要的能量了(單位:瓦/平方米遮蔽面積)。咋一看到這個簡單直白的式子,你可能還不太習慣:

        260萬焦耳/升 * 0.5英寸/小時 = 9200 瓦/平方米

        每平方米9千瓦的能量密度比陽光照射地面傳遞的能量密度還要高一個數量級,因而你的周圍溫度會上升地很快。事實上你會在你身邊制造出一團蒸汽,而你還在不停地向這團蒸汽輸入激光能量。

        換言之,你將會造出一個人體大小的高壓鍋。我不用說你也知道高壓鍋不是一個居住的好地方。

        但還有更糟的事呢!用激光汽化一顆水滴比看上去的要更復雜。[2]有很多很多很多篇論文在研究這個話題,總之就是要以極快的速度輸入大量的能量,才能汽化水滴而不是把它們打碎成更小的水滴。

        當一顆水滴被激光脈沖擊中后,只汽化了很小一部分,其余的都被打碎成更小的水滴了。結論是之前提到的能量需求已經夠多了,如果你想徹底汽化一顆水滴,需要的能量更加不可想象。

        接下來我們來談談瞄準的問題,理論上來說這個問題應該是可以解決的,自適應光學系統可以快速并準確地控制光束。覆蓋一個100平方米的面積(在Zach完整的提問中提到了這個方面)每秒需要發出約5萬個脈沖。這個速度已經慢到不會引發任何直接與相對論有關的問題,但是說實話,你的這個系統再簡單也不能只有一個裝在旋轉底座上的激光發射器吧。

        也許我們應該完全放棄瞄準,而是隨機朝某個方向發射激光。

        (一了百了地解決了所有問題)

        如果你朝一個隨機方向發射激光,激光前進多遠才會撞上一滴雨滴?這個問題很簡單,其實問得就是你在下雨天能看多遠,答案是至少有幾百米。除非你想保護你周圍的所有鄰居,否則隨機方向發射激光是沒有多少用處的。

        而且實話實說,如果你真的打算保護你的鄰居……

        (起火的原因有許多:在床上吸煙,干燥的棉絮,感生電流,太陽光斑,小潮,環氧合酶被抑制,eBay,生火器,吃豆人游戲中的一個鬼魂跑了出來,撞倒了你家的一根蠟燭)

        ……隨機發射威力巨大的激光真的一點作用都不會有。

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        注釋

        注1:如果水的溫度更低一點,需要的能量也就更多,但差別不大。把水加熱到沸點只會用去260萬焦耳能量中的一小部分,絕大部分能量都被用來將100攝氏度的水變成100攝氏度的水蒸氣了。

        注2:而且老實來說,光是看上去就已經很復雜了。

        注3:J.C Carls 和J.R Brock寫的論文《水滴在經脈沖激光加熱后產生的爆炸》(Explosion of a water droplet by pulsed laser heating)中寫道:“……在實踐中,把一顆水滴加熱到極高的溫度而不產生巨大的位移……是非常困難的。”

        這篇論文里還有許多有意思的句子,比如“水珠看上去仍然保持了基本的形狀,并沒有碎裂開來”,“之前形成的顆粒很有可能會被汽化”,“在做了一些奇怪的事情后,狀態方程得出的結果也很奇怪”,“雪崩般破碎”,“極低的氣壓,有時甚至是負值”,“可能產生的最劇烈的反應”以及“觀察到了極高的溫度”。

    (審核編輯: 智匯張瑜)

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