未来总统的物理课

章节摘录

　　1　恐怖主义　　2001年9月11日的恐怖袭击，其物理实质出人意料。基地组织用的武器释放了相当于1.8千吨TNT的能量，远远超过了朝鲜在2006年10月9日的核武器试验的能量。　　造成破坏的不是飞机。飞机重131吨，速度为每小时600英里。我们可以用物理公式E=my2／2来计算运动的能量即动能。用这个公式时，还要选择正确的单位（这通常是最紧要的部分）；2计算可以发现，能量只有1吨TNT当量——比恐怖分子实际产生的能量小18000倍。动能不是摧毁大楼的罪魁。其实，世贸中心的双子塔楼在受到飞机撞击时几乎没有动摇。再看看录像（如果你能忍受），仔细看大楼顶部飞机撞击部位以上的地方。你可以看到顶部几乎没动。撞击本身没什么影响。　　破坏性能量的真正来源简单极了，就是每架飞机携带的驱动着它飞过美国领空的那60吨喷气燃料。飞机撞击的背后隐藏着一个惊人的物理事实：1吨燃料或汽油在空气中燃烧时，释放出15吨TNT的能量。所以60吨油料释放了900吨TNT能量。两架飞机释放的总能量就是1800吨TNT当量。　　汽油比TNT还厉害？是啊，厉害得多呢。实际上，巧克力饼干都比TNT能量大。炸一辆小汽车需要一捆TNT，而同样重量的巧克力饼干（例如抡大锤的小伙子们吃的），破坏力就大多了。每克（大约两个巧克力碎末的重量）巧克力饼干释放大约5食物卡路里的能量，随便一本食谱都能找到这个数字。而每克TNT只有0.65食物卡路里——小了9倍。　　这个事实令多数人惊讶，但仔细想想，就会明白其中的道理。原来，用TNT不是看它的能量大小，而是因为它能非常迅速地释放其能量。原因在于，它（不同于汽油或巧克力）释放能量不必与空气发生反应。TNT分子的原子就像固定的被压缩的弹簧，放松弹簧，能量就跑出来。打破TNT的一个分子，就等于解开相邻的弹簧扣，于是引爆TNT的链式化学反应。弹簧能量可以在百万分之一秒内转化为动能，因而分子具有很高的速度，这意味着它们有很高的温度。　　度量能量的方式很多，核武器谈判中，标准单位是吨TNT当量。按照武器管理者们的定义，1吨TNT当量等于100万食物卡路里（这可不是玩笑），尽管TNT实际上只释放了其中的三分之二。物理学家不喜欢食物卡路里，而喜欢焦耳；一食物卡路里大约等于4 200焦耳。　　不同材料的能量含量是一个关键因子，不仅恐怖分子关心，在很多正当的应用中它也很重要。例如，高效计算机电池释放的能量只是同等重量的汽油能量的3％。这么低的能量转化率，正是我们现在还开不上电动车的基本物理原因。我们将在专讲能量的第二部分细说电池问题。现在我们还是深入9?1 1袭击的物理学。　　汽油（包括其不同形式，如石油和喷气燃料）包含着巨大的能量，因而早就成为武器的理想物质。其应用的历史大概可以追溯到拜占庭时代的希腊人，也许正是神秘的“希腊火”（可查阅维基百科）。120世纪30年代西班牙用的莫洛托夫鸡尾酒的关键成分就是汽油。（后来它们有了俄文名字。）2在两次世界大战中，火焰喷射器喷出的就是燃烧的汽油。在越南战争中，以汽油制造的凝固汽油弹臭名远扬。在阿富汗，美国人用“油气弹”摧毁了塔利班军队。这些可怕的事情与9?11攻击的成功都是同一个原因：汽油有着巨大的能量密度。7吨汽油混合着空气，从降落伞点燃下来，会释放100吨TNT的能量。所以，你用不着放TNT炸弹，那是在浪费飞机的升空能力。带着汽油就行了，它比炸药的能量高15倍呢。　　9?11恐怖分子没用强力武器来摧毁世贸中心。他们用的是高能量的喷气燃料。释放的能量产生极高的温度——其实就是建筑物的钢筋中高速运动（振动）的分子。分子前后振动时，会推开邻近的分子。这就是热物体膨胀的原因。但金属分子之间拉开的距离会削弱它们之间的吸引力，结果热钢比冷钢软。钢结构的弱化最终导致了大厦的坍塌。　　9?11恐怖分子可怕地利用了这个事实。穆罕穆德?阿塔（Mohamed Atta）在波士顿登上美国航空公司1 1号班机时，没带枪，没带炸药，也没带长刀——他随身的唯一非法的东西就是他的图谋。尽管所有航空安检存在诸多缺陷，但阿塔和他的同伙也没胆量冒险携带武器。也用不着。　　9?11行动的天才在于它风险很低。不需要炸药，不必在飞机上偷藏武器。其实连一个组织机构也不需要。计划暴露的危险也很小，因为只需要一个恐怖分子知道任务的细节，那就是飞行员。阿塔的计划还取决于当时的飞行政策——即鼓励飞行员与劫机者合作，不争吵，不恐吓，照劫机者说的做——这样的政策在那时很有效，但以后不会了。这种措施在过去救过很多人的生命（也包括飞机）。　　阿塔和他的同伙搭乘早班飞机，是害怕错过了计划时间，也是为了更容易地同时攻击纽约和华盛顿。更重要的是，他们选择了横贯美国大陆的航班，以确保飞机装满了油料。　　阿塔明白，9月11日将是轻松劫机的最后时机。过了9月11日，空中警察几乎没有必要了，因为没有哪个飞行员愿意让恐怖分子来操纵。即使劫机者杀了飞行员，也将激起乘客和机组人员的勇气和怒火。就在世贸中心被袭击一小时一刻钟后，联合航空公司的93号航班上就发生了这一幕：乘客冲进了驾驶员的座舱。　　安检　　恐怖分子进行9?11袭击时，钻了机场安检的空子。他们的安检知识并不高深，也不复杂，那是任何了解劫机事件的称职的技术人员都熟悉的东西。我们回想一下9?11之前的安全程序是什么样子的。登机时，随身行李通过x光机。这种机器可以通过形状分析识别隐藏的东西，但x射线图像的精度不足以识别伪装精巧的物体。　　如果把刀鞘做成安全的形式，，虽然材质相同，也很容易藏一把刀。恐怖分子大概并不想用这样的伪装，因为他们携带的合法的小武器已经足够了。如果带刀被抓住，劫机企图就可能暴露。因为目标是几架飞机，所以在劫持飞机之前不能有任何闪失。　　金属探测仪用来探测金属刀具和枪支，其工作原理是金属导电而大多数其他材料不导电。旅客要通过的入口，从物理学角度看，就像一个大线圈。电流通过导线，使它成为一个大磁体。磁体感生出电流，流过通过它的任何金属，同时也使金属成为磁体。于是，线圈可以感知有磁体出现。如果你带有永久磁体，即使是陶做的（这样它就不是良导体了），“金属”探测仪也能发现它。因为这个道理，很多书都藏有小磁条——有人想偷书出门时，书店的探测仪就能逮住他。　　金属探测器不是探测刀枪，而是探测导体和磁体。因为人有一定的导电性（主要是因为溶解在血液里的盐），所以探测仪不能太灵敏，这个约束就为偷藏武器留下了漏洞。致命刀具如果用陶（一般是锆石，这种材料也用来假冒钻石）来制造，就可以安然通过检查。如今连枪都可以用陶来做，不过多数这样的枪支都有可以探测的金属枪管，它们会刺激金属探测仪，也会在x光机器下显形。　　不过，9?11恐怖分子不必私藏高科技的武器，甚至低级的也不需要。他们钻了安全法规的空子，那时允许随身携带刀刃不超过4英寸（1英寸=2.54厘米）的小刀。这是很随意的规则。假如允许4英寸的刀，那10英寸的怎么就不行呢？这条规则原是一种让步，例如童子军就理所当然佩戴小刀。实际上，在9?11之前，多数实验物理学家（如我）每次都带小刀，一般是瑞士军刀，它带有几块24刀片、两个螺丝起子和一个螺丝锥。这都是从它的多功能（特别是螺丝锥）养成的习惯。　　恐怖分子带的是裁纸刀，刀刃很短，但通常比小折刀锋利得多，几乎和剃须刀片一样。这种武器也更好，因为它不像折叠刀那样，在刺东西时可能会折回来。（像用于弹簧小折刀和“重力”弹簧刀之类的锁片，就因为这个而成为非法的。）裁纸刀可以缩回刀柄，如果不用，看起来就不是危险品。裁纸刀也不像武器，而更像艺术学生带的小玩意儿。这是聪明的选择，9?11之前它们在飞机上完全是合法的。　　如果机场人员认为某样东西可疑（如x光机发现你的随身行李中有奇怪的物件），就可能检查你——不过很可能只是用嗅探器再查你而大多数其他材料不导电。旅客要通过的入口，从物理学角度看，就像一个大线圈。电流通过导线，使它成为一个大磁体。

媒体关注与评论

　　领导者的物理速成班。　　——查尔斯顿邮报　　通向白宫的物理路。　　——国家评论在线　　穆勒给人的印象是一个可亲而又多才多艺的教授……感谢穆勒化解了我心里的阻隔。我希望麦凯恩和奥巴马也能分享他的智慧。　　——诺贝尔物理学奖获得者S-温伯格《芝加哥太阳报》

内容概要

穆勒（Richard A. Muller）美国伯克利加州大学物理学教授，曾荣获麦克阿瑟奖，俗称“天才奖”。他是政府首席顾问，作为有影响的专家频繁出现在美国公众电视网（(PBS)和英国广播公司(BBC)的专题纪实节目中。

“领导者的物理速成班。”—— 查尔斯顿邮报

“通向白宫的物理路。”—— 国家评论在线

穆勒给人的印象是一个可亲而又多才多艺的教授……感谢穆勒化解了我心里的阻隔。我希望麦凯恩和奥巴马也能分享他的智慧。

—— 诺贝尔物理学奖获得者, S•温伯格, 芝加哥太阳报

书籍目录

开场白

I 恐怖主义

1.9·11

2.恐怖核弹

3.下一次恐怖攻击

4.生物恐怖

恐怖攻击 总统备忘录

Ⅱ 能源

5.能源惊奇

6.太阳能

7.石油的终结

能源 总统备忘录

Ⅲ 核能

8.放射性与死亡

9.放射性衰变

编辑推荐

　　《未来总统的物理课》为美国新任总统奥巴马提出了5个物理方面的忠告。 总统不必学数学，但需要懂物理。哪些效应最重要，哪些效应可以忽略？世贸中心为什么坍塌？朝鲜的核爆炸为什么失败？送人上太空的科学价值是什么？全球变暖的主要原因是什么？什么办法能真正解决问题而不仅仅是“感觉良好”的“样板”工程？太阳能、风能、蓄电池和核能的前景如何？

作者简介

《未来总统的物理课》讲述了：·恐怖主义：许多人可能担心发生核恐怖的悲剧，但恐怖分子更容易用普通爆炸物来制造大量杀伤。·能源：告诉人们，他们可以随便调节空调的温度，但要让他们相信，他们家的墙壁可以用某些很好(也可以很便宜)的绝缘材料。·核能：政治家认为核废料问题从本质上说是技术的，而科学家和工程师相信问题是政治的。总统先生需要向公众解释核废料问题已经解决了。·空间：如果过分担心宇航员的安全，不如把他们的工作交给了不起的机器人去做。·全球变暖：要阻止全球变暖，重点应该帮助发展中国家实现二氧化碳储藏。



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 Physics for Future Presidents: The Science Behind the Headlines

图书封面

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