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上海科技教育出版社

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推荐理由

物理学是一个博大精深、盘根错节的有机整体，通过不同的切入方式进行学习有助于获得对物理学的深刻理解。特别地，物理学是军事科学的主要学术基础，战争需求是物理学发展的关键刺激因素。将对军事应用相关问题的阐述当作讲述物理学的主线，也算是为物理的学习提供了一个独特抓手。曹则贤研究员所著《军事物理学》一书系统讲述自古至今军事技术背后的物理原理，几乎涵盖所有的基础物理学科，既努力提供理解军事技术、武器装备和战略战术的基础物理知识，也尝试从军事应用的角度看待物理学这门学科。全书分为10章，包括战争与物理学、古代武器、力学与运动、物质科学、‘火、热与热力学’、机械振动与机械波、电磁学、光与光学、核物理与核武器、物理学视角下的军事战略等。本书涵盖面广，谋篇深浅有度，对军迷、物理学爱好者和军工专业人员都具有一定的参考价值，适合具有中学以上智识水平的各阶层读者阅读。如作者所言，诚望本书能激发青少年为了保家卫国而努力学习科学技术知识尤其是学习物理学的热情，唤起他们为了保家卫国而去掌握先进科学技术的自觉。

章节试读

第一章

战争与物理学

War is behavior with roots in the single cell of the primeval seas.

——Frank Herbert，Dune, vol. 6

译文：战争是一种根植于原始海洋中单细胞生物体内的行为。

——弗兰克.赫伯特，《沙丘》卷6

I know not with what weapons World War III will be fought,

but World War IV will be fought with sticks and stones.

——Albert Einstein

译文：我不知道第三次世界大战用什么武器，但第四次世界大战会是用棍棒和石块。

——爱因斯坦

生命是远离平衡态的自组装体系，需要靠摄入食物维持其高度自组织的形态。战争是许多高等动物的宿命，到目前为止它依然还是人类的宿命。生存资源——包括物理空间、生活资料、生产资料等——的有限性必然带来竞争，有竞争就有冲突，战争在无意中成了解决冲突的选择。总有占据更多生存空间的欲望刺激着战争的发生，不在这里，就在那里。环顾21世纪的世界，虽然众多国家都接受了和平发展才是国家主旨的理念，但战争依然不曾缺席过，不，如今它是在持续进行中，并且是多维度、多层次的，以更加隐蔽的方式。忘战必危依然具有不可忽视的现实意义。

战争带来了对战争各要素的深入思考。伟大的军事家毛泽东主席在《论持久战》中指出: “武器是战争的重要的因素，但不是决定的因素，决定的因素是人不是物。” 对毛泽东主席的这句话应该全面地理解，既要看到毛泽东主席强调人是战争的决定因素，也应该看到他作为军事家一样强调了武器是战争的重要的因素。武器是战士的依靠，是战士的能力与信心来源。作为战争决定因素的人，应该是武装起来的人，是用信仰、战略战术思想和武器全面武装起来的人。武装除了外在的装备，还包括内在的思想武装。作为对这个想法的佐证，人们时常会引用坊间流传的“战争是政治的继续”这句话。然而，这句话是对克劳塞维茨《战争论》中的“Der Krieg ist eine bloße Fortsetzung der Politik mit anderen Mitteln”一句的错误翻译，人家的本义是 “战争不过是使用其他手段贯彻政治(目的)”。其中, Fortsetzung der Politik 的意思是对政治的贯彻，让政治得以实现。但这句话的关键点在于它强调战争是借助政治以外的手段(mit anderen Mitteln)来实现政治目的。德语的Mittel 除了作手段、方法、措施解以外，它还有工具、物资的意思。就战争而言，武器是首要的资源、工具。

把社会实践中的研究与实验部分地投入到武器研制方面，这一点自人类试着磨尖木棍、石块时算起就是如此了。当科学自成一体后，武器研制更是其首要的应用方向，物理学的进步对战争与武备的促进效果尤为突出。铸剑可以追溯到公元前三千多年的青铜器时代，其中用到了对不同金属或合金的冶炼，要遵循严格的科学步骤。火药的应用才是科学——特别指物理学——对战争介入的开始，从此科学之于武器就显出了重要性来。火药在13世纪从中国传入欧洲，在14世纪得到普遍应用，到17世纪成为战争的主要物资。有趣的是，火药研制带来的科学进步和战争技术进步最终表现为设立了专门奖励科学发明与发现的诺贝尔奖。进入18世纪以后，欧洲开始了工业革命和科学的飞速进展隐身技术确切的界定a低 探测技术，彻底改变了战争与物理学的面貌。第一次工业革命的代表性成果，包括火车、轮船和更先进的火枪火炮，让世界产生了随时可把战争强加给全世界的帝国主义。这期间直到19世纪末，科学虽然没有带来新武器概念，但是金属铸造技术的进步带来了性能更优良的枪支与火炮。1903年莱特兄弟发明的飞机，一般会理解成为战争增加了一个元素。愚以为，飞机的发明是为战场添加了一个维度，把战场拓展到了三维物理空间，这彻底改变了战争的形态与方式。这一点，没有几何学基础的人难以理解充分。后世导弹的发明是对飞机增加战场维度效果的扩展与强化。

武器的进展，不只使得率先掌握先进武器的一方有了获胜的凭借，一些新发明的出现甚至能彻底改变战争的方式，改变世界发展的走向。大炮终结了骑士时代，机关枪的发明强行终止了第一次世界大战，核武器的发明则强行终止了第二次世界大战，而后的核恐怖平衡让大国至今都在小心翼翼地避免直接战争。

物理学的战争意义早已为人们所认识，实际上，战争也是物理学最重要的促进因素，这一点，物理学领域以外的人士一般不太关注。试举几例：

1. 抛石机是第一种机械 (mechanic), 引出了力学(mechanics)这门磅礴的基础学问。弹道学(ballistics)因其军事意义从而是经典力学中发育特别充分的领域，今天人类的航天成就也得益于此。

2. 热力学发展的关键一步是认识到热不是一种称为热质(calorique)的流体。功—热转化是伦福德勋爵(Count Rumford, Benjamin Thompson, 1753-1814) 在观察到给炮管钻孔的时候热不停地产出才悟到的。热机的不断改进，让人类有了各种具有驱动能力的机械，各种车辆、船舶、飞机都有专门的军用类别，成为战争的主角。今天一些帝国主义国家的傲慢，就是因为率先掌握了热力学才养成的。

3. 飞机、导弹、宇宙飞船赖以成为现实的空气动力学是特别难学、特别难研究的学问。很难想象如果没有军事用途这门学问会被研究得那么深入。

4. 原子核裂变是在第一时刻被看到军事意义而得到充分研究的。原子物理、亚原子物理极大地促进了人们关于微观世界的认识。

5. 激光来自研究黑体辐射得来的受激辐射概念。激光从1960年诞生起就和武器联系在一起了。在今日所谓的新概念武器中，激光总是必不可少的构成部分。

自第二次世界大战起，物理学深入到了战争的各个环节。某种程度上，战争反过来极大地推进了应用物理的研究。除了与原子核利用相关的物理以外，二战后大量多余的雷达用器材被拿去用于微波物理相关的研究，结果带来了对原子谱线的精细结构和超精细结构的研究，带来了量子力学、原子物理和量子场论等物理领域的全面进步。

论起武备发展，人类的想象力几无限制。有一种说法：“但凡有人能想象之事，必有人能将其实现”， 故而此前常有凭幻想构思新概念武器的幻想。然而，在这个科技超越神话的时代，武器装备必然是也只能是科技实力的集中体现。当前武器所凭借的科学、技术之复杂性来自对科学技术知识与实践之积累的把握，远不是局外人能幻想出来的。所谓科学幻想中浮现的武器在实际技术面前显得苍白而又滑稽。扎扎实实地掌握世界上最先进的科学知识，才能设计出最先进的武器，才能最有效、可靠地使用武器。

物理学带来的技术进步是新装备的催化剂。须谨记科学发现不是因为能转化为武备才被做出来的，而是武备是新知识最重要的应用途径甚至得以发展、深化的机会才让新知识受到重视的。正是基于这样的事实，美苏等军备大国都首先是物理学强国，对于物理学的资助是全面的，并不以近期能否产生军事技术为依据。当然，他们也时刻不忘从促进军事技术发展的角度审视物理学的进展。认真审视当前物理学的前沿进展，思考其可能的军事应用潜力，也是一个强国的国防建设中应有的课题。为了国家的和平发展，用尽可能先进的武器武装我们的人民军队是科学家和军事工程师的神圣使命。一支有使命感的人民军队，用科学知识、军事思想和最先进的装备武装起来，才真正担得起保家卫国的使命。

正如克劳塞维茨所说，战争不过是使用其他手段贯彻政治。战争从来不是目的。中国人民是热爱和平的，热爱和平的中国人民必须掌握能赢得任何强加于我们的战争的武器。建设赢得战争的能力恰是为了避免战争直至消灭战争。历史上，新武器的应用就曾使得战争因过于残酷而走入僵局。笔者希望的是，人类在恐怖僵局下能够有足够时间深度反思人类行为的理性内涵，更兼科技进步带来的人类生存挑战从群体内提升为整个人类群体向外的挑战，从而可彻底打消用战争方式解决人类问题的念头。不是人类变得更高尚，而是人类面临的将不再是群体间通过战争能解决的问题了。当战争能解决的问题不复存在的时候，战争作为一种选择其意义也就消解了。果如此，那是整个人类的幸运。

这是笔者本人的愿望，也是笔者看到的人类未来的亮光。

参考文献

1. Barry Parker, The Physics of War: From Arrows to Atoms, Prometheus Books (2014).

2. David Hambling，Weapons Grade: Revealing the Links Between Modern Warfare and Our High-Tech World，Constable (2005).

3. Michael E. O'Hanlon, The Science of War: Defense Budgeting, Military Technology, Logistics, and Combat Outcomes, Princeton University Press (2009).

4. Brian Ford，Secret Weapons: Technology, Science and the Race to Win World War II，Osprey Publishing (2011).

第八章

光与光学

8.3

伪装与隐身

在大自然的捕食者—猎物游戏中，捕食者如何发现猎物，猎物如何躲过捕食者的注意是一个永恒的话题，双方的能力与策略在斗争中螺旋递进。就视觉而言，捕食者要发展出更敏锐的视觉(涉及灵敏度、波长范围、探测空间范围以及对运动的感知)，以及接近猎物而不被猎物发现的能力，而猎物则要发展出在捕食者鼻子底下全身而退的能力。这就有了伪装/隐身对感知/探测这一对矛盾来。

为此，首先要清楚的基本科学问题是：什么是看见？看见一事，从看者的角度来说，取决于看者用来看的设备的能力，包括光感知能力和图像认知能力；从被看的对象的角度来说，包括被看的对象及其环境发射光或反射光的行为。光的强度、频率、相位或者相关性有衬度时，就会被辨认出来，当然这取决于所使用的探测器的能力。看见与伪装(隐身)的争斗要从这些角度加以考察，而且要加以综合考虑。物体存在于环境之中，所谓的被看见应该理解为通过视觉辨认(挑)出来。看到(指对象的信息确实在观察者所获取的图像中)和分辨出来不是一回事儿。一幅图像，初看看不出什么名堂，后续经过复杂的算法将对象还原了出来，那也是看见。黑暗树丛中的一只萤火虫被看见，是因为它主动发光被探测到，且同环境形成了强烈的对比 (此处是强度对比)。一个物体如果不发射光或者反射光，就没有来自它的光会被探测到，但如果它和环境有强烈的对比，它也会被辨认出来，即被看见。一块白色背景上的黑色物体，虽然没有发光与反光，也可以被辨认出来，看见一块黑色物体恰恰是因为没看到它 (图8.3)。夜间草丛中的一只老鼠在人类肉眼的可见光范围内是不可见的，但是使用红外探测器就能看到，因为老鼠比周围的草丛具有明显的红外特征，故而可以被看到。这意思是说，辨认或不可辨认是针对特定波长(组合)的。

图8.3 完全不发光、不反射光的超黑材料，看见它是因为根本没看到它

“伪装”一词，西文用的是camouflage。camoufleur 可能来自法语的camoufler, 是(往人脸上) 喷烟的意思。喷烟可以达到隐藏的效果，神话中提及的妖怪在逃跑时都是喷出一股浓烟，然后就不知所踪了。在自然界中，乌贼会喷出一股墨汁把近处的海水弄浑以后借机逃走。用烟雾打掩护，在军事上得到了广泛使用，有单兵使用的烟幕弹，还有专用的大范围烟雾释放系统以掩护己方的作战单位。烟雾工作原理是这样的：烟雾有大量的剧烈热运动的、典型尺寸在微米级的颗粒，比可见光波长略长。在清新空气中，从远方过来的光线大体沿直线传播，因此比如从一辆装甲车上反射的阳光到达观察者的眼中时，不同光线之间会保持在装甲车上被反射时的近邻关系, 这样就能看到一辆装甲车的模样。如果装甲车被包裹在一团烟雾中，则自装甲车反射的阳光在路途上被随机地多次散射，光线随机改变了方向，这样虽然有足够的光到达观察者的眼睛，但这些光线之间的近邻关系(空间相关性)完全不能反映离开装甲车表面时光线的近邻关系。也就是说，光被接收了但是无法构成像 (图8.4)。实际上由于光线经多次散射被混合得相当均匀，其视觉效果经常是一团雾而已。同样的道理，在水中也会表现出来。如果是平静的清清的河水，能看见河底的鱼。可是如果水中混有泥土的颗粒(浑水)，或者清水激荡起来，就看不见那鱼了——确切地说，是自鱼身上反射的光失去了空间相关性。当然啦，取决于烟雾的浓度以及探测者的探测能力，释放烟雾有时候并不能完全掩盖目标物，尤其是在释放烟幕前目标曾被锁定过的情形，烟幕弹就是干扰而已。

图8.4 烟雾会改变经其散射后的光束之间的关联，故而起到隐藏的效果

请注意，当前伪装的意思更多的是欺敌(fooling the enemy)的意思。二战时，曾投入过大量的橡胶制成的充气装甲车辆和飞机，用以迷惑敌人，那是以假乱真。给军装、车辆或者覆盖物涂上伪装色块(camouflage pattern), 是为了和自然混为一体，允许看见但不易辨识。很多鸟类如猫头鹰，两栖类如蛙，就具有这样的本领，它们的外观图形分布可以让它们和环境浑然一体。狙击手首先得是伪装高手(图8.5)。

图8.5 与环境浑然一体的雪鸮和狙击手

一个存在欲和环境浑然一体不是一件容易的事情。枯叶蝶、竹节虫、兰花螳螂等在外形上（几何加色彩）同局部环境取得了完美的以假乱真的程度 (图8.6)，在生物学上叫做拟态(metamorphosis)。 拟态是如何发生的，经历多少年怎样的过程，凭想象就知道这几乎无从回答。然而请注意，拟态的生物只在局域、静态下才能达到隐藏自己的目的，一旦改变环境或者运动起来就会暴露。枯叶蝶处于静态时易会被误解为枯叶，对环境没要求，这是比兰花螳螂更进一步的可脱离环境的伪装。林鸱站在枯枝上仿佛就是枯枝的一部分 (图8.7)，与猫头鹰和旁边的树混为一体不同，应该属于拟态。林鸱被发现了都傻傻地不飞走，离了枯枝它就太明显了。与此相对，变色龙、章鱼则具有动态地同环境协调的能力。软体章鱼可以迅速变换其立体形态和表皮花样，这是因为章鱼表皮是多层结构，每一层都有成千上万的不同颜色的小色素块，其软体组织可以瞬间张开或者缩小 (面积变化可达百倍的程度)，以便呈现不同颜色至不同面积大小隐身技术确切的界定a低 探测技术，从而达到同环境相混淆的程度。多层膜、动态斑图，这为伪装提供了极好的案例。表述物体同环境动态匹配水平的物理量应该是响应时间，即将物体投入指定环境中到其同环境相混淆所需的特征时间。就变色龙而言，这个特征是秒量级的 (图8.8)。

图8.6 兰花螳螂与枯叶蝶

图8.7 伪装成枯树干的林鸱

图8.8 变色龙可以动态地响应环境变化

8.4

隐身技术

看见是打击、拦截的前提。在战场上看不见对手，只有被动挨打的份儿。由此，对交战双方来说，如何让自己看不见、以及如何看见努力让自己看不见的敌方，就成了刚需。隐身的概念古已有之，在中国神话、希腊神话里都有会隐身的人物，凭借隐身能力去做一些常人不可为之事。至于如何隐身，一般会以“隐身之术”搪塞，或者如希腊神话中冥神哈迪斯(Ἅιδης)有神奇的隐身头盔 ( Ἅϊδος κυνέη, the Cap of Invisibility )，带上就有隐身的效果。具体一点的，用甲虫粪加橄榄油研磨猫头鹰眼珠子，然后将膏涂抹在身上，即可达到隐身效果。考虑到猫头鹰作为观察者的好视力、极强的隐身能力(猫头鹰白天睡觉，故需要隐身)，橄榄油作为光学介质，这个神话构思算是相当科学的思考了。《淮南子》 有“螳螂伺蝉自障叶可以隐形”的说法，虽然闹出了“一叶障目”的笑话，应该也有初级的科学道理——往前一步即入仿生学的范畴。

近些年来，随着光学、材料学等学科的进步，各种意义上的隐身与反隐身技术都获得了长足的进展。常说的隐身战机(stealth fighter), 一方面会采用特殊的斜面设计，这样会减少法向反射(normal reflection)截面，降低被主动式雷达探测到的概率。另一方面会采用吸波材料涂敷表面，减少对电磁波的反射(电磁兼容问题，参见第7章)。对于这类隐身，通过采用与飞行器特征尺寸可相比拟的米波雷达、或者采用变波长雷达关注反射波的动态特征、或者采用对大空域用被动式雷达监测加上计算解析等方式，可以有效地获得反隐身的效果。

将欲隐藏的物体空间上同外界隔离来实现隐身。构造具有空间非均匀分布、各向异性电磁参数形式的特殊外壳 (envelope)，使任意方向的入射光从此外壳绕过，而不引起可分辨的强度或者相位特征。基于坐标变换方法实现的完美隐身结构对所需材料的电磁参数要求极其严格，隐身频率范围窄，且实现难度大。如果考虑到一般探测器对可见光相位不敏感，且放松要求只在一定方向上实现隐身，则基于射线光学用反射镜子或透射棱镜组成的几何结构就能实现隐身。简单的小物体隐身可以通过反射表面的安排实现。如图8.9所示，从上方入射的光线经多次反射抵达下方的观察者，光路完美避过中心四个反射表面所围成的区域。藏在这个区域的物体将不会被观察到，从而获得隐身效果。

图8.9 利用反射面实现简单的隐身

另一个新兴起的隐身技术名为光学隐身(cloaking, optical cloaking)。cloaking器件对电磁波变换的目的是隐藏一片区域或者特定时空里发生的事件，变换光学(transformation optics) 是其理论基础之一。第一个关于电磁隐身器件的报道出现在2006年，使用的是折射率梯度超结构材料(gradient-index metamaterials. 见第四章)。简单的空间隐身基于对传播介质的性质微调，光滑地导引物体周围的光路，避免产生反射或者造成湍流(turbulence)。空间隐身做到各向同性当然好, 但也没那么容易，具体的器件可能是一侧有效的，比如隐身毯子 (carpet cloak, 毯子式斗篷)。如果空间隐身器件可以随意开关，则其中的物体会相应地消失或者露面。

隐身毯子是变换光学的一个特例，笼统来说它把欲隐藏的物体在光学意义上压缩成了平面。可见光的波长约在400-800 nm 之间。用微加工技术可以制作特征尺度在100 nm以下的结构，得到超结构表面(metasurface)，从而在亚波长尺度上操控反射光的波前(wavefront)、偏振甚至相位，从而实现隐藏这种表面所覆盖的物体目的。通过在某种小折射率材料上打上半径 (20 nm量级)不同的孔，孔排成典型间隔在100 nm 量级的花样，得到折射率很小且有变化的表面，从而对足够宽带的可见光有隐身的效果 (图8.10)。当然，特定的超结构表面只对一定波长范围的光有隐身效果，如欲实现宽带隐身则要尽可能减小光学单元的色散，即折射率对波长的依赖关系。隐身毯子的研究方兴未艾，近年取得了飞速的进步。

图8.10 隐身毯子

光的传输无需介质。光在真空中就可以传播，其在空气中的传播速度略受影响，折射率还是约等于1。如果光路上遇到某种物质结构，而该物质结构的等效折射率约为1，则该物质结构对光路没有可观测的影响。这就是隧穿光传输隐身 (tunneling light transmission cloak)的原理。在金属薄膜中内置有周期结构的电介质，可以做到对一定范围内的电磁波表现出折射率约为1，从而实现隐身的效果。2016年，我国研究者提出了用金属和塑料复合构造新型人工电磁材料，其等效电磁参数与空气完全相同，在空间中不会对任意方向入射的电磁波产生散射，从而实现各向同性的隐身效果。这是一种完全敞开的设计，隐身结构可以是任意大小和形状。

关于空间隐身，有一个车流的类比。设想有一个常规的多车道的车流。假如路上有了障碍物，车流为了绕开障碍物会调整速度和所占据的车道，但是离开障碍物一定距离后，若车辆经过调整车道与行驶速度恢复了常规的车流分布，则障碍物的信息就丢失了。观察车流得不出来路上有障碍物的信息。

事件隐身则是在时空中操控电磁波使得某些事件不被观察到，最早在2010年提出。为此，照射某区域的电磁波之不同部分可以用时间棱镜(time lenses)被加速或减速，这样经过事件区域的前导部分被延迟，而延后的光束则被加速，这样远处的观察者看到的就是连续的照明。用车流类比，设想一些车辆持续高速行驶，一些车辆被交通灯拦下以便行人通过因此被耽搁了一会儿。在接下来的前方一段路上，能看到路上车流断了。但是，如果前面的车速和后面的车速经过调整，使得后面的车速偏大，则很快断流部分会被弥补上，再往前方的观察者从车流就看不出此前曾经有一个红灯亮了的事件。如果车速是均匀的，这个红灯事件是一目了然的。不过由于光速太快, 事件隐身的时间尺度目前还在往纳秒直至微秒努力。不过，短时隐身可用于弥补某些光学特征，能短时避过探测也是好的。

完美隐身的要求是非常大的挑战。在原理上，一要充分考虑光的波动性，二要理解不同频率、不同强度的光同各种材料和材料复合结构设计之间的相互作用。道理也许容易说明，获取具体的材料及材料结构来实现宽带、各向同性的隐身效果远不是那么容易。隐身的设计必须同时考虑可能的反隐身措施。就对象同环境天衣无缝的情形的探测而言，泵浦-探测 ( pumping-probe) 的方法也许有参考意义。实际上，这种方法人类早就使用了。所谓打草惊蛇，就是用棍子的扫描把蛇激发起来(pumping)，运动的蛇，哪怕是草丛中的有伪装色的蛇，也会因运动起来被动态地探测到 (probe)。虎鲸会激荡起水波让猎物运动起来(pumping)从而被它看到 (probe)。这也是借大自然之口告诉我们，动态隐身是很困难的。动态隐身这一方面，变色龙算勉强及格。俗话说，道高一尺魔高一丈，隐身-反隐身技术就是在这种比拼中取得飞速进步的。隐身-反隐身技术的大比拼或许会为我们带来更多的光学、材料学方面的知识。

不过，如果看看大自然里发生的隐身—反隐身的比拼，会发现强化隐身能力不应是军事能力建设的方向。如果有从空间自上而下的全时、宽谱、弱信号、高分辨率观测能力 (有了弱信号观测能力，地面几乎是24小时被照明的)，而这是相对容易实现的，地面和低空移动目标几乎没有隐身的可能。老鹰都能抓到那种在水底生活的、长成平面的、埋在沙子里的会伪装的鱼，面对这视力，还有什么样的隐身术能消解被袭击的厄运。面对强敌，伪装是没有用的，隐身是没有用的，躲避是没有用的。

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