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分子模型再现闪电战

时间: 2016年10月19日 | 作者: 蒂姆 · 保路卡 | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
研究人员利用气体动力学理论模拟战争进程。

撰文 蒂姆 · 保路卡(Tim Palucka) 翻译 李宁曦

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    1939年,德国在对波兰的战争中首次使用了闪电战。在那次致命的军事进攻中,德国人先以重型火力攻击施以干扰,而后出其不意地撕开了对方防线。近80年后的今天,几位俄罗斯物理学家发现,他们可以用气体的分子动力论重现这次奇袭。

    只要你充分运用想象力,这两者的相似之处还是不难发现的。军队和气体都具有“密度”的概念:对军队而言是每平方千米的士兵数,对气体而言则是每立方米的原子数。此外,两者都具有“横截面积”的概念:对军队而言是武器的平均射程,对气体的原子而言则是电子的轨道半径。“横截面积”表征了每个单元所占据的空间,当“截面”重叠时,两军将会对峙,原子则会发生碰撞。不仅如此,在当年的闪电战中,波兰军队四散的状态与气体稀疏的分子排布也十分类似。

    俄罗斯科学院的物理学家弗拉迪米尔·阿里斯托夫(Vladimir Aristov)和奥列格·伊雷因(Oleg Ilyin)查阅了第二次世界大战时两军的士兵、坦克、飞机和火炮数量,以及坦克、装甲车的初始入侵速度等数据,然后代入基于分子动力论的数学模型中进行模拟。在数学模型中,原子随机运动,并与周围的原子频繁发生碰撞,但可以通过让气体流过管道或喷嘴的方式,来加以约束。在这两位物理学家的模型中,德国军队就好像集中的快速气流,而波兰军队则像静止的稀薄气体,因此德国军队能够快速穿透波兰防线。

    上述模拟还考虑了分子碰撞所造成的减速。最终计算表明,德军每天能行进50千米。而事实上,德军行进350千米到达华沙正好花了7天。接着,他们又对1940年法国闪电战和1941年斯大林格勒闪电战进行了模拟,计算结果也都与史料吻合。然而,当战争的意外袭击阶段过去,守方开始更有效地还击时,上述模拟方法就不再有效。相关的研究成果发表在今年4月的《物理评论E》(Physical Review E)上。

    科学家借助物理规律来解释社会历史现象的例子还有很多。数十年来,研究人员用墨水在水中的扩散来类比14世纪黑死病的传播,运用慢扩散模型对其进行模拟。相比之下,分子动力论在描述迅速入侵等快过程上更为成功。伊雷因说,他们的模型成功模拟前方部队行进速度的前提是,守方只使用传统战术还击。如果守方拥有核武器或者是无人机等现代装备,模拟的结果将与现实大相径庭。