问题

核弹爆炸时,会有一个合适的距离把披萨烤熟吗?

回答
这个问题很有趣,也相当科幻。简单来说,核弹爆炸时制造的极端高温确实有潜力“烤熟”食物,但要达到一个“合适”的距离,让披萨正好烤熟,而不是被瞬间气化,这基本上是不可能的。

让我来细细道来,试着剥开这层科幻的外衣,看看事实真相。

首先,我们要明白核弹爆炸产生的是什么。它不是简单的火焰加热,而是涉及几个关键因素:

1. 闪光(热辐射): 这是核弹爆炸最直接也是最广为人知的效应之一。爆炸瞬间释放出巨大的能量,以电磁辐射的形式向外传播,包括可见光、紫外线和红外线。这种辐射的强度在爆炸中心附近是难以想象的。它会在极短的时间内将物体加热到极高的温度。

2. 冲击波: 紧随其后的是强大的空气冲击波,它能够摧毁建筑物、掀翻物体。这个力量和热量是不同的,但同样具有破坏性。

3. 核辐射: 爆炸还会产生各种类型的核辐射,包括中子流和伽马射线。这些辐射会对生物体造成伤害,并且会对物质的分子结构产生影响,但直接“烤熟”披萨的效果可能不如热辐射显著。

现在,我们把注意力集中在“烤熟”披萨这个概念上。我们平时烤披萨需要的是一个相对稳定、可控的温度范围,大约在200300摄氏度(400575华氏度)之间,并且需要一定的时间让热量渗透到饼皮和馅料中。

核弹爆炸产生的热辐射,其温度远超这个范围。在爆炸的中心区域,温度可以达到数百万摄氏度。这种温度下,任何有机物,包括披萨,都会在瞬间被汽化,也就是直接变成气体,而不是“烤熟”。就像你不可能用炼钢炉去烤一块面包一样。

那么,有没有一个距离,能让热辐射刚好让披萨达到那种完美的、金黄酥脆的程度呢?这背后涉及到几个极端的变量:

爆炸当量(Yield): 这是指核弹释放的能量大小,通常用TNT当量来衡量(如千吨或百万吨)。当量越大,热辐射的强度和范围就越大。
大气条件: 空气中的湿度、灰尘和云层都会影响热辐射的传播。晴朗、干燥的天气会使热辐射传播得更远、更强。
物体表面的反射率和吸收率: 披萨表面是浅色的,可能会反射一部分热量,但它也包含水分和油脂,这些成分在加热时会发生复杂的物理化学变化。
披萨的组成: 面团的厚度、馅料的种类和水分含量都会影响它被加热的速度和方式。

让我们设想一个场景,假设我们站在一个能看到核弹爆炸的远处。随着爆炸的发生,你会先看到一个巨大的闪光。这个闪光就是强大的热辐射。

如果这个闪光来自一个足够近的距离,那么披萨会怎样?

想象一下,核弹的闪光就像一个瞬间开启的、超级无敌强大的烤箱。在几百米甚至几公里之外,这个闪光所携带的能量就可以让地面的温度瞬间飙升。假设我们有一个披萨放在那个地方,它的表面接收到的热辐射强度会非常非常高。

“烤熟”一个披萨需要一个相对均匀、持续一定时间的热量输入。 核弹的闪光是一次性的、爆发式的能量释放。即使有“刚好”的强度,它也是以光的形式瞬间冲击披萨表面。这意味着披萨的表面会瞬间被烧焦,甚至气化,而内部可能还没有来得及吸收足够的热量来达到“烤熟”的状态。更不用说,随之而来的冲击波可能会把披萨吹得粉碎。

科学家们进行过一些与核弹爆炸相关的效应研究,例如“原子弹试验的幸存者”——那些在爆炸中幸存下来的人们,他们的经历描述了瞬间的高温。一些研究也提到了在早期原子弹试验中,某些物体表面会留下“影子”,这是因为物体吸收了热辐射,在其后面形成了一个短暂的“阴影区域”。这说明了热辐射的强大和集中。

如果要让披萨“烤熟”,我们需要的是那种刚好能把饼皮烤出焦斑,融化奶酪,但又不至于烧毁一切的温度和持续时间。核弹爆炸的热辐射,其“强度分布”和“持续时间”都与烤箱的工作原理截然不同。它更像是一把瞬间点燃的超级喷枪,而不是一个温暖的烤箱。

结论是:

没有一个“合适”的距离能让披萨在核弹爆炸中被烤熟。

太近: 披萨会在瞬间被汽化,连一丝焦痕都留不下,因为它会直接变成原子和分子。
稍远但仍足够近: 披萨表面可能会被瞬间烧焦,但内部可能根本没熟,而且巨大的冲击波会把它彻底摧毁。
太远: 热辐射的强度会衰减到不足以“烤熟”披萨,可能只会让它稍微变暖,或者什么影响都没有。

核弹爆炸的本质是一种毁灭性的、非线性的能量释放,它遵循的是一种指数级的衰减规律,并且伴随着多种破坏性效应的叠加。我们习惯于那种可以精确控制的、以对流和辐射相结合的方式加热食物的“烹饪”过程,这与核弹爆炸的原理根本不是一回事。

所以,虽然这是一个充满想象力的想法,但从科学的角度来说,核弹爆炸更像是销毁披萨的终极方式,而不是烹饪它的方式。如果你想烤披萨,还是乖乖地打开烤箱吧,那才是真正“合适”的工具。

网友意见

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好问题。(虽然提问者不期待认真的回答,但我们仍然可以通过这个问题介绍必要的核武器知识——这就是一个好问题。笔者在写作时,仍然需要努力克服“好一块羊肉,怎生落在狗口里”的感觉,但……anyway,好问题。)

下面笔者将分析如何选择合适的武器当量和距离,以便大家可以享受温度适宜又可以安全食用的披萨……

注意:此回答仅供参考,请勿在家中或任何地方实践回答中的操作方法。笔者不对实践中您可能遭受的任何人身安全或财产损失负责。


对“烤熟披萨”有两种理解:一种是从原材料和面饼开始,将它加热成完全熟透的披萨;另外一种是将一块冷披萨加热至适宜食用的温度。由于前一种对温度和火候要求极高,可以说难以实现;我们仅考虑第二种方法,即将一块处于室温的披萨使用核爆炸加热至接近100度。

首先,我们需要衡量需要多少热量来将披萨加热。对于一个典型6寸披萨,取其典型质量 ;其半径取7cm,计算可得其面密度

由图1.1,我们得知干面包比热容 ;由于披萨含有部分水分及其它物料,估算时披萨比热容似取2J/kg·°C较为合理。

由公式简单计算可得,将披萨从20°C加热至100°C所需热量为:

为了方便计算,我们将其转化成 :

为了让披萨稍微有一点爽脆的口感(当然,也为了方便计算),考虑到披萨的反射率、加热过程中水的蒸发以及热的耗散,我们可以将其适当向上取大。

综合考虑,加热披萨所需的能量似取 较为合理。

接下来,我们需要确定适宜的武器当量用于加热披萨。我们知道,在烹饪食品时,热功率也是一个很重要的指标:如果80cal/cm^2能量在一秒钟之内释放到披萨上,披萨外表面很有可能碳化着火,而背面仍然是冷的。因此,在给定的热通量下,我们希望其平均功率越低越好——即热辐射持续时间越长越好。

我们在之前的文章中已经学到过,我们可以将核爆炸火球近似看作一个黑体;爆炸当量越大,黑体中蕴含的能量也就越高,因此其冷却越慢——也就是说,它的热辐射比起小当量武器来说需要更长的时间完全释放。刘慈欣在《超新星纪元》和《三体》中不准确的描述某种程度上是对的:大当量武器需要更长的时间释放它的盛怒。也即,尽管在任意一给定距离上,大当量武器的热辐射通量必定比小当量武器更高,但当二者热辐射通量相等时(注意:此时两种情况的距离并不相等!),大当量武器的热功率一定小于小当量武器!


谢谢@飞翔的河南人 提供的图5-22。

图1.2即生动形象的示出了这一效应的影响:对于1kt的小当量武器(热辐射在短于0.5s内释放),仅需 热通量即可点燃报纸;而对于10Mt的大当量武器(从图5-22可知,其热辐射需要20s才能完全释放),由于其瞬时热辐射功率更低,需要三倍多的热通量( )才能点燃报纸!

因此,我们的结论是:为了尽可能均匀地烘烤我们的披萨,我们需要当量尽可能大……

我们知道,现实中爆炸过最大的核装置是苏联的Tzar Bomba(沙皇炸弹),其当量为50Mt。对于任一核爆炸,其热辐射功率最大值的到达时间可由下式估算:

简单计算可得,沙皇炸弹的热辐射极大值出现在7.1秒——我们可以近似认为,其热辐射约是在20-30s时间内释放的:这够了,但是不够理想——我们不想冒任何烤焦的风险,不是吗?

为此,我们需要介绍今天的主角,Sundial核装置——由爱德华·泰勒领导的LLNL(劳伦斯利弗莫尔国家实验室)的疯狂计划。( @甪咔司 大佬的回答中有更详细的介绍)

Sundial的当量预计为10Gt(10,000Mt),或者说是沙皇炸弹的200倍——没人知道这样的炸弹引爆之后会发生什么。我没能依据的,只有那些小当量试验的经验公式……

让我们计算一下它的辐射极大值时间:

它的辐射极大值要在爆炸后一分半钟才出现!

那么,我们可以近似认为它的热辐射可能在300s左右完全释放,也就是大约五分钟——正好可以把披萨烤得暖烘烘的。

那么,让我们估算一下所需的距离:

对于大气透射率,在极远距离上由于云雾遮挡,很可能效果非常不理想……因此,笔者建议将披萨置于平流层飞机上,以便大气透射率更加理想——这里笔者取大气透射率为固定0.2。

当Q=80时,解得D≈281,000yds=256km。

那么,我们得出了结论——你需要说服LLNL造出他们设计中最大的炸弹,再将披萨置于离爆心256km的平流层气球或飞机上——你就能享用热乎乎的披萨啦。

参考文献:

1.《终点弹道学原理》,美国陆军装备部,1959;

2.TM-23-200 Capabilities of Nuclear Weapon,1955

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找个太阳灶把太阳光聚集起来烤面饼。实质不就是核弹连续爆炸烤披萨吗??

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