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科學驗算:激光雨傘真的可行么?

來源:網(wǎng)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(fā)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(xiàn)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?zhèn)鬟f的能量密度還要高一個數(shù)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(jīng)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(tǒng)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(fā)出約5萬個脈沖。這個速度已經(jīng)慢到不會引發(fā)任何直接與相對論有關的問題,但是說實話,你的這個系統(tǒng)再簡單也不能只有一個裝在旋轉底座上的激光發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(huán)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(fā)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(jīng)很復雜了。

        注3:J.C Carls 和J.R Brock寫的論文《水滴在經(jīng)脈沖激光加熱后產(chǎn)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(chǎn)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(tài)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(chǎn)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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