核爆發生后，投彈飛機還能全身而退嗎？｜No.521

早期原子彈的需要靠飛機投放，

那核爆發生后，

投彈飛機可以全身而退嗎？

問答導航
Q1 雨后晚霞為什么更美？
Q2 海底深處更靠近地心為什么更冷
Q3 吸管為什么總是浮起來？
Q4 核爆后投彈飛機為何會無恙？
Q5 窗貼膠帶能加固嗎？
Q6 時間的本質是什么？
Q7 金屬為何發光？
Q8 液晶屏為何能感溫？

Q1 為什么雨后的晚霞比平時的美？

by 17

答：

讓我們先“復習”以一下晚霞形成的原理：首先，傍晚的陽光以極低的角度斜射過來，在傳輸的過程中與空氣分子發生瑞利散射。短波長的藍紫光散射更強，在傳輸過程中消耗殆盡，只有長波的紅橙色光能穿過厚厚的大氣層打在云上。隨后，打在云上的紅光與云層中的水滴或冰晶發生米氏散射，最終映入我們的眼睛。

近日北京出現的晚霞（作者拍攝）

然而，當空氣中充斥著塵埃和污染物時，傍晚陽光傳輸的過程中，不僅會發生瑞利散射，還會發生波長選擇性更弱對波長沒有選擇性的米氏散射——它會把各種顏色的光同等程度地散射出去，導致天空看起來帶有一層灰白色，沖淡了晚霞原有的鮮艷色彩。

在雨后，空氣中的大顆粒污染物被清除，幾乎只剩下尺寸遠小于光波長的氣體分子。此時，瑞利散射終于能占據主導地位，藍綠光被過濾得非常干凈，只剩下最純粹的紅橙色光穿透過來，呈現出極高的色彩飽和度和對比度，視覺上顯得格外濃烈和明亮。

此外，雨后殘留的積云或卷云還是晚霞完美的投影幕布。這些云朵由純凈的微小水滴或冰晶組成，能夠高效地反射那些穿透而來的高純度紅橙色光。不同的高度、厚度的云朵還會對光線產生不同程度的反射或吸收，從而在天空中呈現出極具層次感、立體感的色彩過渡。

參考文獻：

1. WALLACE J M, HOBBS P V. Atmospheric Science: An Introductory Survey [M]. 2nd ed. Amsterdam: Elsevier Academic Press, 2006.

by 冰糕

Q.E.D.

Q2 既然地球內部是巖漿并且溫度相當高，為什么越往海底深處海水溫度越來越低？

by 橙子圓又圓

答：

這是因為影響海水溫度的主要因素是陽光，由于陽光的照射，表層海水的溫度可以達到20℃-30℃。而陽光無法穿透上千米的深海，所以熱量無法傳下去。地球內部的溫度雖然極熱，但傳導出的熱流密度很低，每平方米大約只有0.06W，這對于深海的海水來說微不足道。

此外，還有一個很有趣的現象，由于4℃的水密度最大，會一直沉到海底，所以全球大部分的深海溫度都維持在1-4℃，平均為約3.5℃。

by 跑馬仔

Q.E.D.
Q3 為什么喝汽水時吸管會往上浮？

by 17

答：

喝汽水時，吸管往上浮，主要有兩個原因：吸管本身質量和密度小，以及汽水中的二氧化碳氣泡會附著在吸管上。吸管浸入汽水后會排開一部分液體。根據浮力原理，汽水會給吸管一個向上的浮力，只要吸管材料的密度越小，這種上浮的趨勢就越強。最重要的原因是水中的氣泡，二氧化碳氣泡容易在吸管表面的細小劃痕或凹凸處形成并附著。氣泡幾乎不增加重量，卻增大了吸管和氣泡整體排開的液體體積，相當于給吸管加了很多“小救生圈”，使浮力進一步增大，于是吸管會進一步上浮。

by 小被子

Q.E.D.
Q4 美國向日本投核彈時用飛機運輸，為什么核爆炸后飛機沒有受到影響？核爆炸難道不是以自身為圓心向四周擴散嗎

by 章魚

答：

核爆后飛機也會受到影響——但通過精妙的路徑設計，這種影響被最小化了。核爆炸會產生三種致命的殺傷效應：沖擊波、光輻射和電離輻射，這三種效應確實都是以自身為球心圓心向四周擴散的，但其殺傷力會隨距離的增加而減小。

以投向廣島的原子彈“小男孩”為例，轟炸機的投彈高度約9400米，核彈爆炸的高度被設定在580米，從投彈到爆炸，核彈有43秒的自由落體時間。在負責投彈的轟炸機“伊諾拉·蓋”號B-29轟炸機拋下“小男孩”后，立即進行了一個155度的拉桿急轉彎，同時俯沖加速，全力飛離原子彈爆心。

在原子彈爆炸的瞬間，轟炸機距離爆心已有14.5公里的距離——以光速傳播的光輻射和電離輻射在這個距離上大大衰減，強度已不足以摧毀飛機。原子彈爆炸約40秒后，沖擊波追上了飛機——這讓“伊諾拉·蓋”號承受了約2.5G過載的沖擊。飛機結構發出劇烈的金屬擠壓聲，飛行員描述當時感覺就像遭到了高射炮近距離轟擊。

隨后的幾十年，在冷戰瘋狂的核軍備競賽中，面對當量更大、殺傷力更強的核武器，工程師們開發出了更多的方法：在核彈上安裝降落傘以減緩下落速度，以高拋的方式投擲核彈，把飛機涂成高反射的白色以減小光輻射的影響……值得慶幸的是，以上的種種方法，終究沒有在實戰中派上用場。

參考文獻：

1. Mullener, “Pearl Attack Led to Mushroom Cloud for Paul Tibbets,” Times-Picayune (New Orleans, online edition), 6 December 2000.

by 冰糕

Q.E.D.
Q5 臺風天，窗戶貼膠帶有加固作用嗎？原理是什么?若有用，什么樣的貼法更好?

by 早睡早起呦

答：

普通膠帶貼成“X”“米”“井”字，基本沒有給窗戶加固的作用，也不能可靠地防止玻璃被臺風吹裂或被飛來物擊碎。它最多可能在玻璃破裂后粘住一部分碎片，但效果有限且不穩定，不能把它當成防風措施。

玻璃承受風壓時，像一塊四周固定的薄板一樣發生彎曲，最大的危險通常是玻璃表面的拉應力。要真正提高承載能力，需要增加玻璃厚度、采用鋼化或夾層玻璃、加強窗框，或者在窗外設置能把載荷傳遞給墻體的擋板。膠帶既很柔軟，又只覆蓋很窄的區域，通常也沒有牢固地錨固到建筑結構上，因此幾乎無法把大面積風壓傳遞給窗框。甚至在一些情況下，膠帶邊緣形成局部約束和應力集中，使玻璃更早破裂。[1]如果目標是“加固窗戶”，沒有一種膠帶圖案值得推薦。如果目的只是盡量減少碎片飛散，完整覆蓋玻璃的專用安全膜、夾層玻璃，理論上比幾條稀疏膠帶有效得多。對于普通住宅，臺風來臨前更重要的是：把所有窗戶關緊并鎖上，檢查窗框、鎖扣是否松動；收回陽臺上的花盆、晾衣架等可能成為飛散物的物品；人遠離迎風窗戶，盡量待在沒有外窗的室內房間。

參考文獻：

by 小被子

Q.E.D.
Q6 時間的本質是什么？

by 匿名

答：

物理學里沒有統一一句公認的"時間是什么"。不同理論對它的處理不同，兩個最基本的理論甚至互不兼容。

先看時間在物理學里的"身份"演變。牛頓力學把它當作絕對背景，全宇宙同一個時鐘，均勻流淌。但相對論推翻了這點：時間與空間合為"時空"，時間流逝速率會隨速度和引力改變，我們跑得越快、引力越強，鐘走得越慢；此外時間還是局域的，沒有哪個參考系的鐘是"真正標準"的。可到了非相對論量子力學，時間仍被當作外部參數，而不是可觀測量；即使在相對論量子理論中，這一點也沒有根本改變。位置是算符，時間不是，二者地位也不對稱。構造時間算符會碰上 Pauli 定理的障礙。相對論已經讓時空平權，量子力學卻仍把時間留在參數位置，兩者對時間的處理存在深刻差異。走向量子引力時問題更激進：Wheeler-DeWitt 方程里時間干脆不作為基本坐標出現，有人據此認為時間并非基本，而是從量子糾纏或熵的變化中涌現出來的次級現象。

“身份”矛盾之外還有一個獨立的子問題：時間為什么有方向。微觀定律大都是時間對稱的，把粒子運動影片倒放仍符合物理；而宏觀世界卻分明有方向，例如打破的杯子不會自動復原。主流觀點把這個方向歸于熵增，即孤立系統的無序度傾向于增加，時間箭頭指向熵增方向。但熵增到底是純粹的統計趨勢還是更深層原理的體現，至今仍有爭論。

所以"時間的本質是什么"至今開放。身份上，相對論說它是時空一維，量子力學把它當參數，量子引力懷疑它不基本；方向上，熱力學給出箭頭卻解釋不清根由。這些圖景尚未拼成一張自洽的完整答案。

by 檸七

Q.E.D.

Q7 為什么金屬材料會發光而塑料就不會？本質上有什么區別？

by 安昊洋

答：

首先明確下亮晶晶的金屬材料的“發光”其實是反光：把環境光強烈反射出來。從這個角度看例如亞克力等材質的塑料材料也會有明顯的反光（只不過不會像金屬那樣強烈）。本質原因是：金屬中有大量可自由移動的電子。根據德魯德模型，當光照射到金屬表面時，自由電子會一起振動，然后重新輻射出電磁波，從而保證金屬具有很好的反射率。而塑料材料是有機物，其中電子被牢牢束縛在分子鍵上，不能在整個材料內自由移動，從而不會像金屬一樣具有那樣強的反光。

【深度思考 0s】萬一提問者真是問的會發光的金屬材料呢？

那應該要小心了，會自發發光的金屬可能含有輻射，這可能是核衰變激發了周圍材料產生可見光。不過從這個角度考慮的話，帶放射性同位素的塑料材料還能充當閃爍體或熒光體，應該更容易激發產生光。

by 小被子

Q.E.D.

Q8 手機的液晶顯示屏為什么只能感應到有一定溫度的東西？它是如何實現的？

by 安昊洋

答：

我們認為的“感應觸摸”功能，實際上是通過集成在液晶面板中的電容式觸摸屏來實現的。透明導電層（多為氧化銦錫，ITO）蝕刻成縱橫交錯的電極網格，每個交叉點構成一個微小電容。觸摸控制器持續測量各節點電容，記錄無人觸碰時的基線值；當導體靠近某節點，該處電容發生改變，控制器據此定位觸摸坐標。

因此真正決定能否觸發的是物體的導電性，與溫度無關。人體內含大量的水和電解質，是良導體，所以我們的手指、臉頰一碰就靈；而指甲的主要成分是干硬角質，塑料筆、橡皮、普通手套同樣不導電，它們不改變屏幕電容，屏幕自然不響應。反過來看，任何導體都能觸發，金屬鑰匙、水滴都可以，這也是濕手容易誤觸的原因。

為了更好理解這個原理，我們自己也可以做個對照實驗：用涼的金屬鑰匙的較大平面接觸并操作屏幕，會發現屏幕照樣靈敏；而用溫熱但絕緣的塑料去碰，卻毫無反應。

by ThymolBlue

Q.E.D.
投票 本期答題團隊

冰糕、跑馬仔、小被子、檸七、ThymolBlue

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編輯：涼漸