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冯·诺依曼、爆轰物理和化学化工 精选

已有 5841 次阅读 2018-1-27 08:20 |系统分类:科研笔记| 化工, 化学, 诺依曼, 爆轰, 爆轰物理

·诺依曼数学家,在计算机博弈论等领域成就斐然而被称为科学全才。但很少有人知道他对炸药爆轰物理作出的贡献,而该贡献与化学化工有关。

炸药引爆后,冲击波阵面激发化学反应放出能量,维持冲击波沿着炸药柱稳定传播,这个过程称为“爆轰”。爆轰物理是军工、民用爆破、核武器设计的基础。

1899年,人们把爆轰波处理成化学反应驱动的冲击波,提出第一个爆轰模型来计算炮弹炸弹土方爆破等工程问题。和同时代的麦克斯韦方程、洛伦兹变换公式等相比,这个模型在科学殿堂里是不起眼的灰姑娘,吸引不了王子们的目光。局限于当时的化学发展水平,模型假设化学反应速度无限大,并忽略输运效应即忽略分子运动。这两个化学缺陷成了灰姑娘的一双赤脚

二战中设计原子弹要计算炸药爆轰驱动铀块,爆轰物理顿时身价百倍成了美国《曼哈顿计划》的重头戏,吸引来包括诺依曼在内的大批顶级学者。灰姑娘带着两个化学缺陷赤脚走进了王宫,迎接她的是最苛刻的目光,以及顶层的学术帮助。灰姑娘天生丽质,数学、物理、力学各方面无可挑剔。而当一双赤脚暴露在公众目光中时,化学高人出手了。

二十世纪40年代化学反应动力学已经成熟,人们认识到化学反应速度不可能无限大,改进爆轰模型的客观条件已经具备。爆轰物理是复杂的力学过程,除化学知识外还要求很高的数学水平,于是上帝说“让诺依曼降生吧”。先送他去苏黎世联邦工业大学主攻化学,又到布达佩斯大学拿数学博士,再让希特勒发动二战促使美国制造原子弹,给诺依曼创造机会去洛斯阿拉莫斯实验室研究炸药爆轰。上天如此安排,诺依曼岂有不成功之理!他将有限化学反应速度的概念植入原有的力学体系,克服了反应速度无限大的化学缺陷。灰姑娘穿上了水晶鞋,原子弹试验成功的闪光是为她绽放的婚礼焰火!

新爆轰模型称为ZND模型。Z是前苏联人,N是美国人诺依曼,D是德国人。相同的时间相同的科研思路,说明ZND模型是科学发展的必然产物,是化学反应动力学成熟的结果;而让三位学者分处于战时敌对的三个国家,让中情局、克格勃和盖世太保为他们技术保密,乃是上帝用心奇巧,免得日后大师们争成果伤了和气。

ZND模型是爆轰科学发展的里程碑,写入了爆轰教科书,成为现代爆轰科学的理论基础。然而在介绍诺依曼学术成就的材料中,很难找到有关爆轰物理的文字。不会是因为SCI没有收录,那时SCI这个神器还未发明。也不会是因为爆轰物理冷门宣传不够,美国“两弹一星工程”当年也是重中之重、妇孺皆知。大概是洛斯阿拉莫斯实验室年终考核表格太小,《诺依曼计算机结构体系》《诺依曼稳定性理论》等成果占满了,《爆轰模型》没地方填。

更有趣的是,诺依曼在爆轰界也“知名度不高”:人人皆知N提出了ZND模型,但不是每个人都知道N就是“那个”大名鼎鼎的诺依曼,当然更不了解他还有什么“其它成果”。这也难怪,诺依曼在爆轰界从业时间太短,从天而降留下ZND模型便飘然而去,圈子里面脸还没混熟。

诺依曼引入爆轰模型的化学反应速率项为dλ∕dt,  表明转化率λ是时间的函数。十九世纪末的爆轰人还不理解这个微分式的化学意义,二十世纪的化学化工系学生已经是基本常识。给爆轰模型送上这样一只水晶鞋,让爆轰科学永远记住了诺依曼的名字。

限于当时化学化工科学发展水平,ZND模型继续忽略输运效应。诺依曼没能克服爆轰模型的第二个化学缺陷,灰姑娘还赤着一只脚。二十一世纪的今天,化学化工系学生都能处理输运效应,这已经是本科基础课《传递现象》讲授的内容。爆轰物理又该前进了。

输运效应指粘度、扩散和热传导。流体力学模型考虑输运效应难度很大,只考虑粘度的奈维-斯托克斯方程二百年没得到解析解,同时考虑粘度、扩散和热传导的方程更难处理,若考虑湍流则还要复杂。而爆轰现象这“五毒俱全”外还要再加上化学反应!十九世纪末的爆轰界毫无办法只能视而不见一概忽略。

由于输运效应在化学工程中的特殊作用,二十世纪后半叶成为化工界的研究重点。化工界将输运效应称作传递现象,即动量传递、质量传递和热量传递,简称三传。化工界深刻掌握了三传的基本规律,作为标志的Bird 的开山之作《传递现象》1960年正式出版。化工界还深入研究了三传对化学反应的影响,形成一门全新的学科——化学反应工程1957年正式定名。三传和化学反应工程一起统称三传一反,它的迅猛发展成了二十世纪化学工程科学进步的标志。

然而诺依曼已乘鹤西去。大师再有天赋,也免不了历史造成的局限。

一个世纪过去,今天化学化工界得心应手地运用“三传一反”,爆轰模型继续“忽略输运效应”。

化学化工人又该出手了。

江山代有才人出。在化学化工系学生中,愿上帝再降生一个数学博士诺依曼,给爆轰模型送上第二只水晶鞋。

 

参考文献  (本刊讯)爆轰理论的新进展. 科学通报 2011 56 (36) p3122 .pdf



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