工程領域有哪些公開秘密的秘密？

Cast2018-06-30 13:24:03

我來講一個「原子彈」公開了秘密的秘密。。。這是我在學「資料分析」時，老師介紹「資料視覺化」能夠做到「用簡單的視覺，去回答複雜的問題」舉的例子，聽完我就驚呆。jpg 了。。。

1945 年，英國的流體力學專家 G。 I。 Taylor，透過下圖這張美國發在「生活」雜誌上給民眾宣傳用的核試驗圖片，只用簡單的空間推理就得出了美國第一枚原子彈（也是人類歷史上第一枚）當量的估計值，而且和真實值相當接近。。。

換句話說：這位大佬什麼具體資料也沒拿到，直接看透了美國在二戰時嚴防死守的最高級別武器威力的國家機密。。。

上圖高速攝影：核爆後空氣膨脹，產生接近球形的衝擊波

所有資訊都在上面這張圖裡了，大家可以先別往後看，自己嘗試算一下這枚原子彈的當量。

故事背景

這位大佬是英國的流體力學專家 G。 I。 Taylor ，二戰時英美在同一陣線，當時泰勒大佬作為英國科學代表團的一員，作為貢獻智慧的科學家，參與美國的「曼哈頓計劃」，就是美國 1942 年實施利用核裂變反應，造原子彈的那個著名計劃，也正因為這個計劃的成功，才造出原子彈炸了日本的廣島和長崎。

故事的背景是 1945 年 7 月 16 日，美國成功完成了代號為 Trinity（三位一體）核試爆，這顆被引爆的原子彈名叫 Gadget（小玩意），和 1 個月後投到日本長崎的那顆胖子原子彈是同一個型號。

上圖是美國在二戰後生產的胖子四型核彈

公開圖片

戰爭背景下，民眾最關心的就兩點：打仗了自己的生活會不會亂套？我們國家能不能打勝仗？因此國內的輿論走向非常重要，不說讓所有民眾都鬥志昂揚，起碼要保證大家不覺得人人自危。

在第二次世界大戰的背景下，各國打來打去都亂成一鍋粥，美國 1941 年才剛被日本端了珍珠港的海軍老窩。。。所以美國政府在這次核試爆大獲成功後，覺得照片對民眾有非常正面的宣傳價值，有必要公佈出來提升士氣。

也考慮到還在戰時，原子彈的具體威力絕不能公佈（總不能還沒亮相就讓敵國知道底褲。。。）所以原子彈的當量依舊被定為國家最高機密，這張高速攝影的圖片也經過謹慎的層層篩選，確認過不會洩密才公開發布到雜誌上。

主角 G。 I。 Taylor 雖然也參與了「曼哈頓計劃」，但每個人都只負責自己手裡一小攤活兒，他自然不可能就知道這枚原子彈的具體威力。

資料代換

首先我們得知道「當量」的概念，是拿 1噸 TNT 造成的威力作為單位，也就是說「這枚原子彈和多少噸 TNT 所造成的威力相同」。

大佬是這樣計算的：

一，核爆後某一時刻釋放的能量記為 E ，再假設大部分能量是形成衝擊波，也就是空氣的膨脹，那主要是算動能做功。

二，我們知道愛因斯坦的質能方程是 E = m·c2 ，還有動能公式 E = 1/2·m·v2，後者是在 v（速度）遠遠小於 c（光速）的情況下使用的公式。

那對於原子彈的能量估算用哪個？大佬用的是無量綱處理，也就是說他不去管前面的常數到底是啥，都當做乘以 1 ，反正只要估算一個大概的數量級就好了。

三，進行代換計算

1，密度公式：ρ ＝ m / V

變型下推匯出 m = ρ·V；

2，如果這裡算球體，V = 4/3·π·r3，如果是半球還得除以 2，但我們既然無量綱處理了，也就不用管這前面的係數。這裡的體積 V 就是 r3 的函式就好。

3，速度公式：v = s / t ；

上面 1、2、3 的公式都代入到「 E 是 m·v2 的相關函式」裡，那 E 就成了 ρ·r5·t-2 的函式。

估算過程

Taylor 看雜誌上的這幅高速攝影圖片上：

1，正好有標記當時時間 t = 0。025 秒；

2，此時產生衝擊波的高度也標了是 100 米，拿尺子一量，再等比例一換算，半徑估計為 r = 140 米；

3，至於密度，為了方便取了空氣密度 1。29 kg/m³ 的近似值 ρ = 1 kg/m³ 。

用上面 1、2、3 裡 ρ，r 和 t 的數值計算出的動能 E = 86051840000000 kg·m2·s-2 ≈ 86·1012 J

那 1 噸 TNT 炸藥產生的能量是 4。184·109 J，這一除之下，E = 21·103 噸 TNT 炸藥當量，估算出這枚原子彈大約是 2。1 萬噸的 TNT 當量。

真實資料

實際上這根據後來美國解密後披露的具體資料，Gadget（小玩意）是 2 萬噸 TNT 的當量。什麼叫高效。。。什麼叫優雅。。。這麼接近的數值！雖說肯定有運氣成分在，但只通過這一張圖片，簡單一估就突破美國人的國家機密，這種嚴謹的思維和科學能力還是讓人咋舌不已，不是小說也不是電影，它就真實地發生在二戰歷史上。

上圖是 1945 年 7 月 16 日，Gadget（小玩意）被引爆後的實拍圖

核武威力

在一個月後的 1945 年 8 月 6 日，投於日本廣島的「小男孩」原子彈當量是 1。3 萬噸，而 8 月 9 日投於長崎的「胖子」原子彈當量是 2。1 萬噸。

廣島（左）與長崎（右）原子彈後所產生的蕈狀雲

我國現在的東風-31洲際彈道導彈的當量是 100 萬噸，換個說法：足夠在 1945 年炸 77 個日本廣島。。。這就是為什麼朝鮮近年又是搞核武器，又是成功試射洲際導彈（具備跨洋打擊能力），所有國家能緊張兮兮的原因，核武器的威力實在太大，換誰都是個魚死網破的局面。

最簡模型

我在學「模型思維」課程的時候，老師提到一個觀點叫「最簡化模型」：

刨除掉很多可能的影響因素，不需要太關心精確性，先專注得出一個大概結果，再用這個最簡模型處理資料，反覆糾正。

不由得想起寫 bug（啊呸）。。。我們常說的「done is better than perfect」也是一樣，果然道理都是相通的。。。

圖片來自維基百科，在 Tableau 上專門有篇文章介紹這個事情，感興趣的話戳：

https：//www。tableau。com/blog/visual-analysis-zeroth-kind-geoffrey-taylor-and-bomb

「資料分析」課我是在 Ucacity 上學的，課程地址：

https：//cn。udacity。com/dand