|
文章来源 根据科学网胡绍鸣的博客整编 1. 炸药爆炸之后动不动？ 人人明白炸药爆炸飞砂走石,偏偏炸药专家犯起了糊涂。炸药爆轰理论证明炸药爆轰产物一直向前运动，工程应用却另搞一套：假设炸药爆轰产物瞬间静止不动,得到的公式非常简单,计算炸弹鱼雷导弹乃至土石方爆破都很准。那么炸药爆轰产物到底动不动? 先看实验。买个头号大鞭炮，中间切条缝，用包糖的锡纸插在缝里。点火放炮，锡纸动说明爆炸产物动，否则就是不动。 嘭！咔，咔！瞬间照相机连拍两张照片。对比两张照片上的锡纸位置：没变动。 照片显示，炸药爆炸后，锡纸抖了一下，接着瞬间静止不动，然后再飞散。 怎么会不动呢？改用最新款手机来拍摄，显示屏上锡纸飞出老远，这视乎说明实验无法重复。原来，炸药爆炸后静止不动的瞬间很短，手机曝光没有相机的快，相机曝光时间是亿分之一秒。这使我们想起：当年比萨斜塔下轻重物体同时落地的实验结果会有几个人相信？ 是不是实验环节有问题？四位学者于是换炸药，调相机，换金属箔，重新做实验。一次，两次，十次，结果仍然都是金属箔不动。 由于任何一本爆轰理论专著的描述都是爆轰产物向前运动，所以这个实验质疑了经典理论在基本概念上的错误，照片被发表在《中国科学》杂志上。虽然六年过去了，却一直没有出现相反实验结果的报道。 在现代科学技术领域，很难找到和体系基本理论矛盾的问题。投巨资建对撞机、射电望远镜，上穷碧落下黄泉，不就是为了找问题吗？鞭炮才几个钱，能发现炸药爆轰产物瞬间静止不动，挑战传统理论，不也是在寻求科学真理吗？ 2. 炸药爆轰产物带来的熵极小吗？ 热力学第二定律告诉我们，一切热现象达到终点的熵趋向极大。然而，所有中外炸药爆轰专著虽然都认为炸药爆轰是热现象，但炸药爆轰趋向熵极小，最后是等熵过程而熵不再增加。 炸药爆轰理论挑战了热力学第二定律，孰是孰非？如果爆轰产物真的熵极小，为什么历经百年得不到实验证明？假如爆轰产物熵极小合理，为什么自然界还没有发现第二个终点熵极小的热现象？ 当物理界辩论“以太”时，爆轰界就辩论“熵极小”了。以太之争催生了狭义相对论，而现今所有的爆轰专著继续在证明爆轰产物熵极小。爱因斯坦说过，提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许只是一个数学上或实验上的技巧问题。爆轰产物熵极小问题提出一百多年未得解决，这个“技巧”还真有些难度。 如果你用实验证明了爆轰产物真的熵极小，与热力学第二定律相悖，那恭喜你机会来了！热力学理论体系极其严谨，这种撼动其根基的发现没准能问鼎诺贝尔奖，“钱学森之问”也就有答案了。 如果你用实验证明了爆轰产物熵极大，与爆轰理论相悖，同样恭喜你机会来了！爆轰科学是一个神奇的领域，“曼哈顿计划”和“两弹一星”曾吸引无数科技巨星在此大放异彩，可惜的是，在中外爆轰专著的“基础理论”一章中还看不到中国人的名字，更令人遗憾的是原子弹这个领域现在已经沉寂了。“眼前有景道不得，崔颢题诗在上头”，你将在力学、化学和热力学的相交处点燃新的物理风暴！ 3. 炸药爆轰科学的阵痛 实验显示炸药爆炸产物在初始瞬间是静止的，经典爆轰理论却证明它永远向前运动；热力学第二定律指出热现象终点熵极大，经典爆轰理论却证明炸药爆轰产物熵极小。炸药专家纠结得很：奉献一生、深深挚爱的专业咋是这样的？ 科学体系中出现矛盾很正常，它是科学发展的动力和契机。然而解决矛盾是一个备受煎熬的痛苦过程。 力学家脑子里全是偏微分方程，怎么也找不出经典爆轰理论错在何处；化学家一直想不通，炸药爆炸的化学反应怎么会比分子混合快，没充分混合怎么就反应完了呢？热力学家不能容忍爆轰产物熵极小，越想越气不顺。 力学家表演计算机数值模拟爆轰过程，他依次输入三个守恒方程、状态方程、物性数据、边界条件、忽略输运效应。一回车，爆轰波动态图出来了：熵极小，爆轰产物一直向前运动，经典爆轰理论没错！ 众人面面相觑，热力学家两眼发直。化学家视乎憋出了毛病，大家好言相劝：“别看咱们带了十几个博士生，你我彼此彼此。” 换汤：把模拟爆轰过程的程序稍微改一下，三个守恒方程、忽略输运效应都一样，只是换了物性数据、状态方程、边界条件。热力学家还心有余悸，特别提醒一定要加“糖”! 屏幕上显示出原始状态：一汤煲凉水，“莲子”和“冰糖”沉底。 都是研究员兼博导，计算机模拟是拿手好戏。回车煲汤，十分钟后显示屏上的煲汤结果：一汤煲凉水，莲子和冰糖沉底。 化学家不服气：莲子汤能比分子轨道复杂？力学家更窝火：三峡大坝都模拟过，会栽在这碗莲子汤上，刚才不是还“成功”模拟了爆轰过程？再检查输入条件，没问题。再回车煲汤，十分钟后，显示屏上风光依旧：一汤煲凉水，莲子和冰糖沉底。 热力学家头上冷汗直冒：不知错在哪？这检查也没法写呀！通常来说， 三个守恒方程不可能有问题，水的状态方程和物性数据会错？边界条件不就个汤煲嘛！问题只能出在忽略输运效应上，但在模拟爆轰过程中也忽略了它。 这里的输运效应无非是与扩散、粘度和热传导相关。分子不扩散到水里，糖怎么溶解，水不传热怎么能烧开，这样的假设条件难道有问题？所有爆轰理论专著都忽略输运效应，经典方法历经了百年肯定是有道理的，但实验必须做下去。 考虑输运效应！ 回车，嘿，显示屏上莲子汤热气腾腾！用微信发给热力学家太太，马上回了一个笑脸。 模拟实验表明，只要有分子运动，就必定产生输运效应。忽略输运效应，就等于忽略分子运动。那么，分子不运动怎么发生碰撞？不碰撞就没有化学反应，没有化学反应还有炸药爆轰吗？按照热力学原理，输运效应是增加熵的因素，如果你把它忽略了，熵当然极小了。热现象怎么怎么可能避开分子热运动呢，分子运动不可能没有扩散、粘度、热传导。参与模拟爆轰实验的四人一致认为，不能受爆轰经典理论的束缚，模拟要考虑输运效应。在修改条件后回车，显示屏上出现漂亮的爆轰波动态图形：熵极大！爆轰波扫过时爆轰产物抖一下，然后静止不动了，此与鞭炮实验完全一致。 众里寻她千百度，那人却在，灯火阑珊处。爆轰是热现象，爆轰模型不能忽略输运效应。 4.谁在爆轰领域第一次打鸣报晓 雄鸡报晓领唱，第一个打鸣。四位学者放鞭炮发现炸药爆轰产物静止不动，首先发表了这个不符合常识又违背经典爆轰理论的实验结果。 早在上世纪七十年代初，第一颗原子弹诞生之地，美国著名的洛斯阿拉莫斯实验室，爆轰学者就观察到了爆轰产物静止不动，这与我们四位学者放鞭炮放出来的结果完全一致。但是，他们仍然按照经典理论处理运动状态数据，没有伸颈高喊一声“爆轰产物静止不动”，而是将研究报告至今都存于洛斯阿拉莫斯实验室。 其实，爆轰产物静止不动早就用于工程计算，被不打鸣闷声大发其财。炸药专家最有发言权，他们喜欢用Gurney（格尼）模型做出简单可靠的计算，对炮弹炸弹鱼雷导弹从未失过手，更不用说算工程土石方爆破问题。说来也怪，Gurney模型的基本出发点竟然是爆轰产物静止不动。Gurney怎么想到了这一点呢？真叫人佩服。他是物理学家，从来没有长鸣一声“这不是假设，爆轰产物本身就是静止不动”，也许跟他的处境有关。Gurney在二战时被军方拉去服务，临时工不想和爆轰界大佬纠缠，二战结束后他又回来搞物理了，没继续研究爆轰。 受Gurney模型影响，后人建立模型也往往假设爆轰产物静止不动，得到的模型和实验吻合很好，用于工程实践很成功。中国学者多有建树，他们的发现可反映了这类问题的力学实质，经典爆轰理论存在前提问题，忽略黏度、扩散和热传导将使结果出现偏差。可惜就差雄鸡一鸣报晓：爆轰产物本来就静止不动。伦琴射线在伦琴之前几十年就出现在物理实验室中，然而却被认为是阴极射线或是底片质量问题，没人站出来宣布发现新射线，最后只能看着伦琴拿诺贝尔奖。 5. 探索炸药爆轰科学的真和美 经典炸药爆轰模型的某些结论不合理,学者们早就质疑：热力学家不能容忍炸药爆轰产物熵极小；化学家想不通忽略了分子运动怎么能进行化学反应；炸药专家不明白炸药爆炸产物为什么永远向前运动；力学家困惑模型依赖声速假设既无实验依据又得不到理论证明。 四位学者发现经典爆轰模型的问题是简化过多，忽略了粘度、扩散和热传导，不能反映爆轰过程的热现象本质。然而，只考虑粘度一个因素的奈维-斯托克斯方程都无解析解，要考虑粘度、扩散和热传导这三个因素就更难有解了。也许百年前老祖宗也遇到了这个问题，他们无奈之下才在爆轰理论中忽略了输运效应。 得走一条新路。物理学中有一个最小作用量原理，也许它适合解决爆炸复杂系统问题。这一原理不用力而是用能量来研究力学过程，最终结果和牛顿力学方法一致。它还可以推广到其它领域，几乎可以导出基础物理学的全部方程。 能不能推广到爆轰科学？最小作用量原理中包含一项势能，力学家到处请教什么是爆轰过程的势能。炸药专家直摇头：“干了一辈子炸药，没听说过爆轰过程有势能，只有动能、热能和化学能”。热力学家突然想到：热能可能是一种势能，而且更神奇，热力学势能的梯度是一种热力学力！真有意思，连力学家都不知道物质世界还有这种“力”，真开眼界了。 模型考虑了粘度、扩散和热传导等多种复杂因素，得到了解析解。四人给新模型起了个名字叫LADM模型(Least Action Detonation Model)，然后细品这个新模型，就像年青父母注视着自己的新生婴儿。 炸药爆轰产物终点熵极大，热力学家气顺了；化学平衡比热力学平衡来得慢，化学家满意了；力学家最自豪：模型完全从自然定律导出，没有任何假设；所有的能量都耗散成了热能，爆轰产物静止不动，与广场鞭炮实验相符，炸药专家高兴了。 问题当然还多着呢，得慢慢来。 6. 熵极小是炸药爆轰经典理论的心病 热力学第二定律指出一切热现象终点熵极大，但按照经典的ZND模型，炸药爆轰产物熵极小，并且你可以在任何一本炸药爆轰专著中找到详细论证过程。 武大郎个子矮，他的ZND模型熵极小，说起自己都一副可怜相。他说他出生后一直在长，发育结束时长到本人的极高点啦！只是和别人比最矮。 ZND模型认为炸药引爆以后熵一直增加，化学反应结束时熵也达到自己的极大点，只是这个熵和其它状态相比较是极小。 武大郎个子矮可能是脑垂体发育不全。热现象也有个“脑垂体”负责熵增加，叫输运效应，包括粘度、扩散和热传导。ZND模型忽略了输运效应，熵自然就不增加。雷霆万钧的炸药爆轰被描述成了终点熵极小，就像给武松摘除了脑垂体，让山东大汉也成为侏儒。 在没有熵极大的爆轰模型之前，研究爆轰还得用ZND模型。那么为什么建立不了熵极大的爆轰模型呢？因为难度太大了：只考虑粘度一个因素的奈维-斯托克斯方程都没有解析解，考虑粘度、扩散和热传导三个因素的爆轰模型微分方程组就更不可能有解了。要在爆轰模型中考虑输运效应，其难度就像给武大郎再植脑垂体，传统的老路根本走不通，国内外也没有这方面的成功尝试。 爆轰领域不缺人才，而且是群星灿烂，他们在爆轰科学领域写下了光辉的历史。例如英国力学家确定的Tailor波；美国物理学家提出的Gurney模型；ZND模型的“N”是冯 ·诺依曼；中国的邓稼先的九次计算、陈能宽的向心爆轰波、周光召的最大功原理、王淦昌的爆轰产物状态方程，个个都是里程碑式的成就，郑哲敏的爆炸力学研究还获得国家最高科技奖。这些科技泰斗们在炸药爆轰物理领域的工作像流星掠过天空，留下耀眼的轨迹，只可惜时间太短了。 炸药专家认识到爆轰是综合性极强的学科，需要力学、化学和热力学等领域的科学家协同工作，积淀各学科理论综合应用的经验。三十年磨一剑，我们相信终点熵极大将被确立为爆轰的基本理论。 |
|
|
