——次声波氢弹可行性分析

作为中国第一部获得国际级奖项的科幻小说，《地球往事》系列小说（以下简称《三体》）以其丰富瑰丽的想象、跌宕起伏的剧情、严密紧凑的逻辑、浩渺宏大的世界观和理想主义现实主义并举的价值观吸引了国内外无数的科幻小说迷。

在《三体》二部曲《黑暗森林》中，提到了一种太空核武器：次声波氢弹。小说中七艘逃离末日之战的星际战舰就是用这种武器互相杀戮来争夺宝贵的燃料和配件的。不妨看一看原著中的描写——

三道即将离散的目光又重新交织在一起。

次声波氢弹。

次声波氢弹

次声波氢弹 [ 一种太空核武器，用于打击对常规辐射有良好屏蔽的飞船目标，能够以空气中的次声波的频率连续发生多次核爆炸，每次都产生强烈的电磁辐射，电磁辐射与目标飞船的金属外壳相互作用，将电磁能量转化为飞船内部空气的声能，产生超强次声波，杀死飞船内部的一切宏观生命，但对于飞行的设施基本没有损坏。]。

每艘舰都装备了。

用隐形导弹发射，很难防御 [由于次声波氢弹通过电磁脉冲产生杀伤，并不需要直接命中目标，在距目标相当远的距离爆炸就能杀伤目标内部的人员。而对雷达隐形的导弹，只有接近目标时才能被包括可见光观测在内的其他探测手段发现。]。

……

突然，警报声响彻飞船，如同来自黑暗太空的万鬼哭号，显示界面从半空中像雪片般疯狂地跳出，显示着已经突破“自然选择”号防御系统的来袭导弹的大量信息，但没有人来得及看了。

从警报响起到来袭的次声波氢弹爆炸，只间隔了四秒钟。

从“自然选择”号最后传回地球世界的影像看，章北海可能只用了一秒钟就明白了一切。他本以为自己在两个多世纪的艰难历程中已经心硬如铁，但没有发现心灵最深处隐藏着的那些东西，在做出最后决断前他曾犹豫过，曾经努力抑制住心灵的颤抖，正是心中这最后的柔软杀了他，也杀了“自然选择”号上的所有人，在长达一个月的黑暗对峙中，他只比对方慢了几秒钟。

三颗小太阳亮起，照亮了这片黑暗的空间。它们成一个等边三角形把“自然选择”号围在正中，平均距离飞船约四十公里。核聚变火球的持续时间为二十秒，这期间火球在以次声波频率闪烁，但肉眼是看不出来的。

从传回的影像上看，在剩下的三秒钟时间里，章北海转向东方延绪方向，竟笑了一下，说出了几个字：“没关系的，都一样。”

对这几个字有猜测的成分，他没来得及说完，强大的电磁脉冲已经从三个方向到达，“自然选择”号巨大的舰体像蝉翼般振动起来，振动的能量转化为次声波，影像中，迷漫的血雾笼罩了一切。

攻击来自“终极规律”号，它向星舰地球的其他四艘飞船发射了十二枚装载着次声波氢弹弹头的隐形导弹，向二十万公里外的“自然选择”号发射的三枚比其他九枚提前了一段时间，以使其和向附近三艘飞船发射的导弹同时到达起爆位置。“终极规律”号上接任自杀舰长的是一位副舰长，但究竟是谁做出了这个终极抉择并首先发动攻击的却不得而知，也永远不可能知道了。

按照原著的设定，次声波氢弹的作用原理是：

氢弹在距离目标一定范围内以次声波的频率连续发生多次核爆炸→产生大量的电磁脉冲→电磁脉冲与目标舰体发生作用使之振动产生次声波→次声波杀死舰上的生命。

在此作文简单讨论次声波氢弹中蕴含的科学原理并对其进行简单的可行性分析。

次声波氢弹的第一个要素是“以次声波的频率连续发生多次核爆炸”，这并不难做到。最老土的方案莫过于在一枚核导弹里装进多个分弹头然后相对独立地起爆。当然理论上而言也可以通过改变核武器中核燃料分布情况和装药量然后发生多次相对独立的链式反应——有点类似于氢铀弹，这种核武器在传统的氢弹外层覆盖一层重元素裂变燃料，通过核聚变时溢出的多余中子引爆外层的核燃料发生二次裂变并正回授内部的聚变反应增大威力——同时延长核火球闪烁的时间进而使其与舰体的相互作用可以达到产生次声波的效果。不过就我所知后一种方案可操作性不高因为要想让链式反应相对独立地发生几次而且还得发生个二十秒所需要的核燃料层数会很多而核弹当量也会非常大，现在的氢铀弹通常也不过相当于发生了三次相对独立的链式反应——裂变→聚变→裂变——其当量已经突破三千万吨但核火球也就闪烁了几秒而当量大带来的问题就是体积也会很大（五千多万吨TNT当量的沙皇氢弹可足足有8米长27吨重呢）发射就会是大问题。最可能的解释或许是……原著中人们已经找到了小型化大当量多层核武器的方法？不过不管怎样，这种工艺的出现应该是早晚的事情，第一个条件还算容易达成。

次声波氢弹的巨大威力主要来源于“每次都产生强烈的电磁辐射，电磁辐射与目标飞船的金属外壳相互作用，将电磁能量转化为飞船内部空气的声能，产生超强次声波”。实际上下文也有提到，次声波氢弹的核心在于电磁脉冲。或者说，实际上是电磁脉冲与飞船的金属壳体作用产生了次声波。因此次声波氢弹的第二个要素就是电磁脉冲。

电磁脉冲（EMP，electromagnetic pulses），本质上是一种强烈而无规律的交变电磁场。事实上，核武器会产生电磁脉冲这一现象在冷战时期就已经发现，这是因为核反应进行过程中会有大量的高能光子和各种带电粒子（主要是核反应中产生的碎片原子核和β衰变产生的高速电子）飞出[1]。通过中学物理的学习我们知道，电荷本身就会产生电场而运动的电荷则会激发磁场（参考奥斯特电生磁实验）[2]。因此我们很容易得出这样的结论：大量的带电粒子在短时间内飞出就会在空间中引起电磁场剧烈激荡也就会产生强烈的交变电磁场。由于时间很短，这种电磁场表观上表现为电磁波的脉冲信号（注意，高能光子本身也是电磁波，这里请回忆高中物理中的波粒二象性），因此得名电磁脉冲。

其实现在已经就可以制造出几乎只产生电磁脉冲而不造成太多其他辐射的核武器（这种武器的原理当然是保密的，个人认为可能是通过调整核燃料的种类和布局使氢弹爆炸之后产生的辐射主要是高能光子和短半衰期的轻原子核，通过它们以及由此产生的类似次级宇宙射线的辐射达到电磁脉冲的效果）。《三体》的设定中虽然人类的基础科学已经被智子锁死，但是技术应用领域却有了长足的进步，因此人们在太空舰队上装备这种两百年前（按照小说中太空舰队建立时的时间坐标）武器或许不足为奇。

为什么说或许？这就要涉及到次声波氢弹的第三个要素：电磁脉冲与目标舰体发生作用使之振动产生次声波杀死舰上的生命。根据电磁场理论，电磁波本质上就是电磁场的波动；电磁脉冲作为电磁场的剧烈震荡本身当然也是电磁波。而根据赫兹实验，电磁波通过金属材料的时候会激发电动势——微观层次上的原因可以理解为，金属中存在大量的自由电子，金属原子之间彼此共享电子并最终形成一片自由电子的汪洋；交变电磁场通过金属时，其中的电子在电磁场的作用下产生了定向运动的趋势——注意是趋势而非运动本身——这就产生了感应电动势，在宏观层面上表现为如果把金属材料接地那么就可以在大地和金属材料之间检测到电压（存在电势差）——对于赫兹实验本身而言，则是缺口的金属环中间产生了火花。这种机制在高中物理中常被用作电磁感应定律的诠释。

但光有电势差并不够。如果要让舰体因为振动起来，必须有感应电流而不只是感应电动势——在90年代的时候美军做过一个实验，如果把装甲车的车体当做线圈发射高频的交变磁场那么在飞来的炮弹或者导弹的金属弹体中足以产生很强的感应电流，这种电流在磁场的影响下会引起弹体的强烈振动——类比通电导体在磁场中的运动作用——进而使之偏航甚至引爆、拧断弹体本身，这也是最早可行的电磁防护罩的方案；比较尴尬的是这种高频磁场的自感效应也会在用作线圈的金属车体里产生涡流使之发热，车里的人会很不舒服装甲本身的性能也会下降甚至损坏；如果没有感应电流是不会有这种现象的哦。然而如果大家还记得高中那种很恶心的一根金属棒在两根金属导轨之间沿着磁场运动的题目就会知道，如果没有持续的磁场变化这种感应电动势根本不可能产生电流[3]。而对于电磁脉冲而言根本不可能有如上文的例子中说的那样的持续变化的磁场也就不可能在舰体中感应出电流。既然没有电流，也就不可能通过上面所讲的机制让舰体振动起来也就……嗯……不可能产生次声波了……

除此之外还有一个问题：原著中提到次声波氢弹“用于打击对常规辐射有良好屏蔽的飞船目标”。然而在太空中屏蔽辐射远比在地面上困难得多。由于没有空气的作用，太空中的辐射能量远比地球表面能量更高衰减得也更慢，还得考虑舰体质量的问题（传统屏蔽辐射的手段主要是通过含有重金属比如铅等的合金，但是这些东西密度都很大不适合太空战舰，毕竟太重的话加速减速都会很慢不利于机动）。最有效的方案应该是在飞船的外围通过磁约束包裹一层厚厚的等离子体。可惜这种手段也可以有效地阻挡电磁脉冲的影响——光子本身是传播电磁力的媒介粒子，这就使得如果光子本身与参与电磁力作用的粒子——对就是带电的粒子——相撞就会使其中的能量传播到等离子体中的带电粒子中去，失去能量进而被吸收，这种现象也是等离子体隐身技术的理论基础[4]。而我们之前说过，电磁脉冲本质上也是电磁场的震荡或者说电磁波，同理，这种防护装置理论上也可以比较有效地阻挡电磁脉冲。

由此可见，《三体》中描述的那种次声波氢弹本身并不具有很高的可行性，用作太空核武器只怕是不太现实的。不过，这并不意味着这种武器在遥远的未来没有登场的可能性。试想一下，如果是在地面上引爆产生冲击波与地下的堡垒共振，在了解堡垒内部构造的前提之下也完全可能通过调整核武器当量和爆炸的相对位置来在堡垒中产生次声波震死其中的人哦[奸笑]

不过话说回来，科学本身从来都不是科幻作品关注的内容，科幻作家们真正探索的，本来就是也应该是科学技术发展带给人类个体乃至社会的影响。因此我们在这里聊次声波氢弹的可行性也只能是一种消遣罢了。

[1]：细分下来核武器产生的电磁脉冲也有三种不同的成因。其一是跃迁辐射：不论是核裂变还是核聚变都会产生大量处于更高能量激发态的原子核，这些原子核在运动过程中会释放出能量降低到更低更稳定的能态，这种机制比较类似于放射性元素释放出伽马射线的机理，它产生的电磁脉冲主要来自于光子本身；其二是热辐射：核爆炸之后飞出以高速运动的大量高能粒子也是早期核辐射的主要成因，众所周知，粒子无规则运动的平均速度就是温度的本质因此这种由高速运动粒子组成的辐射很“热”故得名热辐射，这种辐射产生电磁脉冲的机制来自于带电粒子本身的电场和高速运动带来的磁场变化，与跃迁辐射共同构成了正文中所说的电磁脉冲主体；其三是韧致辐射：如果核武器在介质（如空气、水等）中引爆，在高速带电粒子会与介质作用释放出电磁波同时促使介质电离释放出其他带电粒子(后一种作用光子也会产生)，这些电磁波和带电粒子也会形成电磁脉冲。具体哪一种成因占据优势，取决于主要发生的核反应、核武器的当量、有无介质和介质种类、周围电磁环境（比如有没有强电场、强磁场）等因素。由于本文探讨的情景在太空，没有介质和强电磁场，因此这里没有涉及韧致辐射。此外，为了简便这里也没有考虑核反应本身的影响。

[2]：在大学物理中，这一机制可以用麦克斯韦方程组中的电场高斯定理：

和磁场安培环路定理：

解释。简单来说，前者描述闭合空间内电场与其中电荷代数和的关系，其中S表示电场线通过的面积；后者则是电生磁的一般意义描述，分析电流强度与磁场强度矢量的关系；两条公式中的表示电位移矢量，这是一个描述介质受到电场作用发生极化的情况下介质中电场作用效果的矢量，公式中为介质的电容常数而为电场强度矢量，等式中间的微分式和最后的积分式表示电位移通量即单位面积通过的电位移矢量，。

[3]：严格来说根据法拉第定律这里应该是磁通量不变，但是这里认为飞船舰体作为一个整体包围的面积是不变的，因此磁通量持续变化与否仅仅取决于磁场强度持续变化与否因此这里直接用“没有持续变化的磁场”来表述。

[4]：这里必须说明：等离子体只能吸收（更准确的用词是“截止”）能量低于自身能量的电磁波，等离子体的能量通常用等离子体的振荡频率描述，如果振荡频率对应的能量低于电磁波的能量那么只能起到削减的作用，由于电磁波的粒子性依然会有部分光子丢失一部分能量之后到达舰体表面。