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“STS”物理科普讲座
浅谈物理学与现代武器的关系
湖北省竹溪县教研室：周益平（442300）
美国物理学家查理德--费恩曼在一首散文诗中写到：“我想知道这是为什么/我想知道这是为什么/我想知道/为什么我想知道这是为什么 /我想知道这究竟是为什么/ 我想知道/我想知道这是为什么。”他倡导：不仅要知道科学家做成了什么，更应知道科学家是如何研究的，其研究领域又有什么联系？为此我写出了本文的题目————浅谈物理学与现代武器的关系。
一看题目，好象物理学与现代武器风马牛不相及，因为物理学不是一门具体的技术科学，但物理学确是高技术（含军事高科技）发展至关重要的先导和理论基础，物理学研究前沿的最高成果直接对技术科学产生决定性的影响，它通过为临近学科提供相应的理论和实验方法而促进军事技术的发展，从而将现代武器和物理学科又紧密结合在一起，具体的说有以下各种武器与物理学的研究前沿密不可分：
一、无声无息的激光至盲武器
早在1917年，爱因斯坦就预言了受激发射过程的存在，然而在这个很长的过程中一直没有引起人们的足够重视，直到1960年美国物理学家才根据受激发射放大原理，首次研究制造出了第一台激光器———红宝石激光器，由此研究出了激光的特点：①、高定向性；②、高单色性；③、高亮度。由于激光有这些物理特性，所以自它60年代问世以来倍受军界青睐，首先应用于测距、通信、制导等方面，而激光武器是一种世人关注的新武器，它应用于激光辐射能量直接摧毁目标或使目标丧失战斗力（使人制盲）。
激光武器是由激光器发出高能激光束照射目标后，部分能量被目标吸收转化为热能，引起烧蚀效应，与此同时，由于目标表面材料急剧汽化，蒸气高速向外膨胀，在及短的时间内给目标很大的反冲作用，在目标中形成激波，从而又引起目标材料的断裂和损坏，产生激波效应。而且由于材料的液化，还会形成等离子体云，因而又造成辐射效应，它比激光直接照射引起的破坏更加励害，激光效应产生的烧蚀、激波和辐射等物理效应已被广泛应用于光电对抗、防空、反坦克、轰炸机自卫等方面。
与常规武器相比，激光武器具有很多令人瞩目的特点：它射击无声响，无后座，不考虑射击提前量，指哪打哪，能量集中，可摧毁坚硬的目标，同时操作简便、机动灵活。目前激光武器还不能发挥远距离作战效能，但激光武器在宇宙空间的传播却具有独天得厚的条件，因此激光武器将使空间的对抗日趋剧烈。
二、威力强大的粒子束武器
1919年，卢瑟福利用天然放射性源实现了第一个原子核反应，但人们很快发现，天然放射源射出的粒子束强度太弱，能量也不太高，应用它产生的核反应的几率很低。于是人们就提出了粒子源的设想。
30年代初，高压倍加器、回旋加速器、静电加速器相继问世，到1939年为止，回旋加速器已把粒子加速到20Mev，超过了天然放射源的能量，这些人造离子源的强度不仅远高于天然放射元素和宙宇射线，而且离子的品种、能量以及离子束的方向都可以任意选择，精确调节，经过半个多世纪的研究，目前世界上能量最大的加速器是美国费米实验室的质子加速器（Tevatron），可产生10Mev的能量，由于粒子束的能量高，可定向，问世后很快被军界所看重，立即投入到武器的研制之中。粒子武器是把获得的极高速的微观粒子（电子、质子、中子等）汇聚成密集的粒子束流射向目标，从而破坏目标，达到决战至胜的目的。
粒子束武器对目标的破坏效应主要有：一是使目标材料产生洞溶；二是点燃弹药战斗部的引爆炸药；三是燃溶或破坏目标设备器材。
与一般武器相比，粒子束武器具有拦截速度快、能量高度集中、转换射向灵活、弹药不受限制、可全天候的作战、无放射性污染，能发挥比枪炮更大的威力。
但是从技术上来看，研究实战用的粒子束武器还有很多技术问题需要解决，例如：离子束传输中的能量衰减、地磁埸对粒子束的影响、离子束的扩散、能量的储存与运输等问题。
三、超越声形的微波武器：
微波波束武器是利用高功率微波源产生的经高增益定向天线向空间发射出功率高、能量集中、具有方向性的微波波束，成为一种新的杀伤武器——微波波束武器。它是利用高功率微波在与物体相互作用过程中所产生的电磁效应、热效应和生物效应对目标进行杀伤破坏作用，微波能量照射人体表面后，可产生反射、散射、穿透或被吸收，轻者会造成人员的心理损伤和肌体功能的变化，重者会烧伤人体的皮肤及内部组织，甚至会导致人的死亡。微波能量照射敌方武器装备后，轻者会产生强电磁于扰，重者会使电子设备因过载而失效或烧毁。因为隐形武器主要是通过外壳采用吸波材料或涂吸波涂层来吸收雷达波（微波）而达到隐形的目的，所以微波波束武器更是“隐形”武器的克星。微波波束武器的工作时间短，受天气的影响也更小，适当的选择微波频率，可使相应的对抗措施更加复杂化，令敌人防不胜防。因此，一些军事专家赋予微波波束武器以定向能武器库中“超级明星”的美名。可以相信，随着物理学研究的不断突破，研制定向能武器的技术难题都可能逐步得到解决和完善。
四、神威显赫的电磁武器——电磁炮
电磁炮是利用电磁发射技术制成的一种先进的动能杀伤武器。通电的导线或线圈在磁埸中会受到作用力，产生加速度。若将弹丸制成导线或线圈形状，利用电磁力驱动弹丸，可以使其在瞬时内获得比一般火炮炮弹高得多的速度。这就是电磁炮的物理基础，电磁炮利用高速弹丸直接摧毁目标而无需弹药，目前正在研制的电磁炮主要有电磁轨道炮、线圈炮、电热炮等。
从理论上讲，电磁炮发射时不会火光冲天，只要调节电磁埸的强弱就可调节射程，而且是利用廉价的电能发射弹丸，因而电磁炮具有威慑力强、隐蔽性好、射 程可调、效费比高等优点，所以电磁炮将开创常规武器变革的新局面。
当然，电磁炮要由实验室走向战埸，许多技术问题还有待解决，列如：弹丸的烧蚀问题、弹丸与加速装置的界面排斥力问题、管材的选择问题、电力装置过大、发射过程中电磁辐射对人员身体的影响等问题。
五、悄无声息的次声武器
次声武器是一种低于20赫兹、人耳听不见的机械波。次声波具有传输时能量衰减绥慢、穿透力强、摧毁力大等特点。
一些国家正在利用频率低于16赫兹的次声波研制次声武器。目前的次声武器主要有气爆型、炸弹型、管型、扬声器型、频率相减型等，其中以气爆型和炸弹型最为引人注目，次声枪和次声弹实际上就分别属于气爆型和炸弹型的次声武器。
按次声武器对人体的作用功能又可分为“神经型 ”和“人体内脏器管型”。“神经型”是其振荡频率同人大脑的阿尔法节律（18-20赫兹）极为相近，产生共振时强烈剌激人的大脑，使人神经错乱。“人体内脏器管型”是振荡频率为4-18赫兹，与人体内脏器管的固有频率相近，可使人的五脏六腑发生共振，导致人的死亡。
次声武器的隐蔽性能好，但次声武器的最大优越性还在于它既可杀伤对方人员又可破坏对方的武器装备，可以取而代之，成为已方所用。为了把次声武器作为一种致命的武器使用，必须使其能够高强、定向、聚束传播，否则不仅有效作用小，而且还会发生误伤现象。因此，要把次声武器用于实战，还需军事科学家们作出很大的努力。
六、呼风唤雨的气象武器
所为气象武器，就是利用现代科学技术人工影响或控制风云、雨雪、寒暑等天气变化，造成利于已而不利于敌方的气象环境，以取得战争的胜利。
随着气象科学技术的发展，人工影响天气的可能性越来越大，有人曾设想，利用太阳紫外线和宇宙射线在敌对国制造山崩、雪崩、山洪和河流、港口堵塞等现象；或者通过控制上游天气，给下游的敌对国制造连年的酷旱。在敌对国上空播洒吸收太阳光的物质，制造奇寒；或者播洒吸收地面长波辐射的物质，使敌国境内产生酷热。在预定催化的云团中播洒强酸性化学药剂，待人工降雨时以腐蚀地面雷达、坦克等武器设备，甚至还有人设想，用人工方法影响台风转向，将其引向敌对国，以毁伤敌对国人员和军事设施等。凡此种方法，都能给敌对国的国防、工业生产、国民经济建设以严重的打击。如1989年美国在越南战埸通过播撒碘化银的方法造 成大雨滂沱，道路泥泞、山坡塌方，在古巴人为造成大旱，但从目前的科学技术水平来看，气象武器还是一种近期内很难运用自如的武器，不过我们必须加以重视。
七、兵不刃血的物理武器——物理弹
所谓物理武器就是物理弹，物理弹就是利用物质的物理特性研制的武器，例如已经投入战埸使用的纤维弹就是一种物理弹。
碳纤维弹是在炮弹或导弹的战斗部内填装大量的碳纤维，弹药在敌方上空爆炸后，大量的碳纤维便纷纷扬扬地飘落到电场或输电线上，从而破坏发电埸正常送电，使那些以民用电为电源的军事设施（如雷达站、指挥机构、通信系统等）无法工作，贻误战机。海湾战争开战时，美军向巴格达电厂发射的“战斧”导弹便装有这种碳纤维，使巴格达军事指挥部门因此中断了极其重要的军事工作。
金属纤维弹以金属纤维物质为主要装料，在起爆药的作用下能变成短纤维或金属粉末悬浮在空气中，它们潜入坦克或其它车辆内部后，会使诸多绝缘件失效而短路，造成难以正常行驶的尴尬局面。军事理论家认为，物理弹这种跨世纪的新概念的武器使用标志着信息时代战争的到来，在信息时代战争中，重点在于瘫痪敌方的通信指挥系统和武器装备，而并不一定要消灭敌方人员。
八、超出想象的反物质武器
物理学家们研究发现，宇宙中存在反物质。反电子（正电子）、反质子、反原子等，与电子、质子、原子相比，具有相同的质量、自旋和寿命，但它们电荷符号相反、磁动量相反、衰变产物相反，当物质粒子与物质粒子相碰时就发生湮没而形成Υ射线。
原子弹、氢弹和中子弹爆炸时所释放的巨大能量，分别是原子核裂变反应和氢原子核聚变反应发生核质量亏损而释放出来的能量。理论研究表明，反物质与物质湮没时释放的能量将比核弹大几千倍。因此，末来利用反物质与正常物质湮没释放的能量可以制造出一种反物质武器，反物质武器将是新概念武器家族中的重要成员，它具有超乎想象的杀伤力。
诚然，目前研制反物质武器还仅是一种科学设想，但这决不是幻想，因为现代高能物理学已经取得重大发展。从1928年狄拉克预言存在反物质之后，1932年发现正电子，1953年反现反质子，1957年发现反中子，1996年1月欧洲核研究中心已克服了“像在鼓风炉中制造雪花”那样困难，制造出了11个反氢原子，11月美国费米国立加速器实验室制造出7个反氢原子。这标志着人类已拥有了反物质的潜力。1998年美国、中国、芬兰、意大利、瑞士和德国参加的宇宙探测计划，目的是寻觅宇宙间的反物质和黑洞物质。可以预言，下个世纪对反物质的研究将会有重大突破。
九、无“网”不胜的信息武器
信息武器是信息战的一种反应用，信息战是一种作战形式，指作战双方在冲突中为取得压倒敌方信息优势而采取的一系列行动。简而言之，信息战的实质是为夺取和保持“制信息权”而进行的斗争。
战争是具有随机性的领域，对信息最为敏感，受信息的冲击也最大，早在古代，信息就与战争结下了不解之缘。孙子兵法中“知已知彼，百战不殆”、“运筹帷幄，决胜千里”等至胜格言，从一个侧面反映了古代战争中信息对作战致胜的重要性。堪称我国古代兵法“经典宝库”的《三十六计》便是信息对抗的范例。我们知道，有了信息，必然会生出信息对抗，《三十六计》中，直接涉及信息对抗的就有12计，占了三分之一。例如说，第一计“瞒天过海”，说的是信息要“示假隐真，以假欺敌”，将真的信息隐藏起来，而把假的信息表示出去，用疑兵法欺骗敌人；第七计“无中生有”，说的是“以虚掩敌，陷敌失误”，也是使用虚假信息欺骗敌人；第二十九计“树上开花”，说的是“掩已企图，造假慑敌”，通过制造假象嚣张声势，以摄敌人等等。特别是在现代战争中，随着高新技术兵器大量涌现，战况瞬息变化，战争稍纵即逝，对信息的需求愈来愈大（军事专家们预测，在末来战场上，预计平均信息流量为每秒1万兆比特，即每秒100亿比特；）。
纵观古今战事，战争的实践反复证明，无论打什么样的仗都需要信息保障。军队战斗力的构成要素不仅仅是人和武器，以及人和武器的结合，而应包括“三个方面、三种结合”。“三个方面”是指人、武器和信息，“三种结合”是指人与武器的结合、人与信息的结合以及信息与武器的结合。在现代战争中，信息的价值显得愈来愈大，成为生成战斗的倍乘因子，用公式表示可概括成：战斗率==（人员+物质+能量）×信息。显而易见，没有信息谈何战斗力，信息愈畅通，战斗力就愈强。因此，及时获得信息和有效地利用信息构成了现代战斗中兵家必争之“地”。由此可以看出信息是多么重要。从信息流观点看，进行仍何一次战争，无论战争的规模多大，总离不开参战人员、能量和物质消耗，打信息战也不例外。要发挥参战人员的最大动能性和能量、物质的最隹效能，离不开“信息”这条纽带。换句话说，战场物质、能量和人员的流动无不取决于信息的畅通，只有在正确地时间、正确的地点，提供正确的信息，人员、物质和能量才能转化为战斗力。如果信息不畅通，即使有众多的人员，强大的物质、能量，也必败无疑。由此看来，在现代战斗中融有的三大洪流中，只有以“信息流”控制“人流”、“能量流”、和“物质流”，才能达到倍增部队战斗力的目的。剖析海湾战争情况，从正反两个方面充分说明了这一结论的正确性。
海湾战争中，交战双方的装备、能量和参战人员对比，几乎是旗鼓相当。伊军正规军兵大约54万人，如果加上一些“杂牌军”，号称百万大军，坦克4300辆，装甲车2800辆，火炮3200门。美军（多国部队主力）52.7万人，坦克3200辆，均少于伊军，装甲车2800辆，与伊军相当。在作人员、装备大致相等的情况下，以美国为首的多国部队之所以成为胜利者，在很大程度上得益于信息优势。美军头目在总结这次战争的经验时指出，“信息是战斗力的倍增器，是制胜的关键、制胜的本钱和王牌”。
从学术研究角度客观分析美军在海湾战争中之所以成为赢家，的确与他们在海湾战区建立有一套先进发达、灵敏度高的作战信息系统有关。以美军为首的多国部队，在海湾战场上建立的信息系统，其规模之庞大，运作之高效是历次战争中所罕见的。其主要特征可以概括为三个字——“多、大、快”。
“多”，指地是投入的信息系统和设备空前多。美军在90天内投向海湾战区的电子设备超过了美国40年内投入欧洲的数量。单在卫星通信方面，美军就动用了200余个移动地球站和卫星终端，使用的无线电频率就有3.5万个。海湾战争中，美军投入的飞机、火炮、坦克、装甲车、舰艇、导弹等主战兵器充其量不足1万，而投入的各型计算机达4~5万台，开创了辅助装备超过主战装备的先河。可以说，“是人脑智慧和计算机结合的系统卓越地组织、指挥了这埸浩大的战争。”
“大”，指的是信息流通量空前大，每天电话信息量达70多万次，文电15.2万件。单是指挥空战就打了3000万次电话，相当于每天打80万次电话。
“快”，指沟通联络快。海湾战区司令在沙特驻地用0.5米伞形卫星天线很快与美国本士通话，美国总统向前线下达命令仅需3---6分钟，向核部队下达命令只需1--2分钟，这里所说的前线不是指美国本土而是波及全球，按美军新作战理论——“全球到达，全球作战”，“要具有到达全球任何地方进行作战的能力”。可见信息对战斗的重要性。信息战是利用强大的信息进攻来实现的，与此同时还要以有效的信息防御作保证。
信息进攻是指有效的攻击、瘫痪和破坏敌方信息系统和以信息手段打击和摧毁对方意志，以夺取和保持绝对的信息优势。主要方法有：
①、信息威慑：以信息战声势或威力进行信息攻心，使敌屈服。海湾战争、海地危机和波黑冲突中，美国就使用了这种攻战法，信息攻心是古老的“攻心术”在信息进攻中的应用，先进的电子技术赋预了它以新的作战效能。
②、信息欺骗：这是古代兵法中“示假隐真”在信息战中的应用，旨在隐蔽已方真实意图的同时向敌方提供虚假信息，以扰敌耳，乱敌军心，陷敌失误。
③、信息割断：是分割、肢解和坡坏敌方信息系统结构的一种方法。信息系统一般由信源、信道和信宿三部分组成，只要割断信息链中的任何一个环节，都会切断敌军的“信息流”，使整个信息流程遭遇到破坏。
④、信息阻塞：人为地制造大量的“信息垃圾”充满敌方传输信道，使其产生传输迟延，贻误战机和决策，影响作战行动的实施。
⑤、信息窃取：就是我们常说的“黑客”入侵，也叫“计算机渗透”，是指运用电子信息技术对敌方指挥通信系统实施侦察，破译其计算机密码，获取高价值的机密情报，从而取得作战的主动权，令敌防不胜防。根据美国总审计局1996年5 月的一份调查报告统计，近年来“黑客”屡屡渗透到美国军事计算机系统内，仅1995年就多达25万次，其中65%获得成功。
⑥、信息破坏：最常用的手段是采用计算机病毒袭击。计算机病毒是一种人为编制的一种计算机程序。与一般工作程序不同，它具有传染性，能产生连锁慢延效应殃及全网，从而破坏计算机程序，威胁计算机安全。
今后各国、各集团间较量的主要战场是在网络上，大军对垒的时代即将过去。网络化之所以成为未来战场的主宰，这是由于它能从时间、空间上使战争发生前所未有的变化。谁控制了“神精网络”，谁就掌握了信息，谁就有了战场的主动权和制胜权。无“网”不胜，破“网”必败，将成为未来战争的一大特点和规律。
十、防不胜防的“纳米武器”
纳米是长度单位，1纳米=10米。纳米技术是一门在0.1~100纳米尺度空间研究电子、原子和分子运动规律和特性的崭新高技术科学。它的最终目标是人类能够按照自己的意愿直接操纵单个原子，制造具有特定功能的产品。
纳米武器指的是微型机电武器，是一种外形尺寸非常小的、处于“微米/纳米数量级”（10~10米）的新概念武器，“微波/纳米机器人”就是其中的一个代表。
“微波/纳米机器人”是一些外形类似黄蜂或苍蝇的会飞、会爬的“电子动物”。它可以通过插口、钻进计算机，并在其中“兴风作怪”，最终将计算机毁坏。此外，还有一种专门以破坏电子计算机谋生的细菌，业已问世，叫做“蕊片细菌”。
“芯片细菌”是一种经过特殊训练的微生物。它嗜食集成电路芯片，像吞食垃圾和石油废料那样将计算机硬件破坏掉。
纵观科技发展大势，末来的新概念武器往往从诞生之日起就与 物理结下了不解之缘。物理学的发展蕴育了一大批高科技群体，促使高性能末来武器的诞生，给末来战场开创了新局面；同时末来武器的使用也给物理学的发展创造了条件，给物理学提出了新的科研课题，随着末来武器攻与防的对抗，物理学也将不断地发展。由此可以说明：在末来的战争中，传统意义上的兵器将会消声匿迹，退出历史舞台，千姿百态的“兵器王国”的骄子——信息化兵器必将耀武扬威，大显神通！
为了祖国的统一与和平、繁荣与倡盛，我们必须学好物理这一门学科！长大了要力争当一名科学家。为祖国的和平与统一、繁荣与倡盛作出自己的贡献！
最后，我又用美国物理学家查理德--费恩曼的散文诗的改写来结束本次讲座：
我为什么要学习/学习为了什么/我通过学习知道了为什么/我为什么要知道这些为什么/这到底是为了什么？
请同学们树立自已的远大的目标，并预祝你们的目标早日实现！
谢谢！ |
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