Как быстро должна двигаться пуля из антивещества, чтобы пробить, а не взорваться?

Есть очень простая математика, которая говорит вам, как далеко снаряд из антиматерии может проникнуть во что-то, предполагая, что огромное количество высвобождаемой энергии не участвует в этом проникновении.

Когда пуля проходит через мишень, она аннигилирует с материей в мишени в соотношении 1:1. Это означает, что пуля может вступить в контакт с материей цели не более, чем ее собственная масса, прежде чем она полностью преобразуется в энергию. (Много, много, много энергии).

Сфера диаметром 7 мм имеет объем ~0,18 см ³ . Поскольку вы делаете из этого твердые пули, давайте предположим, что вам каким-то образом удалось произвести, удержать и выстрелить антисвинцом. Плотность свинца составляет 11,34 г/см ³ , поэтому у вас есть 2 грамма материала. Таким образом, ваша пуля будет полностью поглощена 2 граммами вещества.

Вы спрашиваете, как быстро может быть выпущен снаряд, чтобы пробить его, но с этим есть проблема. Вы должны выстрелить пулей достаточно быстро, чтобы реакция аннигиляции в точке ее попадания не отклонила большую часть пули от поверхности цели (что-то вроде капли воды, слетающей с горячей поверхности). Однако выше определенной скорости (в основном, скорости звука в материале) материя в цели физически не может уйти с пути пули, а это означает, что пуля, по крайней мере, коснется цилиндра (или, скорее, конус) материи на его пути; он не может «расклинить» трещину в материале и проникнуть таким образом.

Итак, в основном это сводится к следующему: если на его прямом пути более 2 граммов вещества, то оно не может проникнуть, независимо от того, насколько быстро оно движется. Цилиндр размером 7 мм на 1 м составляет ~38,5 см ³ . 2 г/38,5 см ³ составляет 0,053 г/см ³ , что менее плотно, чем у пенополистирола.

С другой стороны, аннигиляция 2 г антиматерии с 2 г материи высвободит чуть менее 86 килотонн энергии, поэтому ваша цель почти наверняка просто испарится, и в этот момент вопрос о «проникновении» в нее становится скорее спорно.

Прежде всего, я думаю, нам нужно немного прояснить науку.

Антиматерия не «взрывается» при контакте с материей — она взаимно аннигилирует и себя, и материю, с которой соприкасается, в равных количествах массы, становясь чистой энергией.

Это означает, что, по сути, пуля из антивещества гораздо эффективнее создает энергию, чем ядерный реактор, и, вероятно, столь же смертоносна, учитывая, что большая часть этой энергии, вероятно, будет высвобождена в виде гамма-излучения (это основано на современной теории — мы имеют небольшой практический опыт создания взрывов антивещества).

Формула E=mc ² говорит нам, что для каждого грамма антивещества в пуле мы умножаем его на удвоенную скорость света в квадрате (поскольку антивещество составляет только половину аннигилируемой массы), чтобы получить значение высвобождаемой энергии.

Это также согласуется с тем, как работают термоядерные взрывы, поскольку ядерная бомба на самом деле не «взрывается», а выделяет огромное количество энергии в виде тепла. Деление фактически просто разбивает атомы больших сложных молекул на более мелкие, что приводит к незначительному уменьшению общей массы, а оставшаяся часть массы превращается в тепловую энергию, которая высвобождается в процессе. Что создает взрывные волны и «взрыв», так это то, что тепло увеличивает атмосферное давление, и эта форма внезапного и неконтролируемого выброса тепла приводит к массивному и внезапному увеличению атмосферного давления, не говоря уже о создании плазмы из существующей массы вокруг. взрыв - это вообще плохой исход.

Однако в случае с вашей пулей из антиматерии пуля не просто создаст деление — ее молекулы буквально перестанут существовать, реагируя с аналогом из нормальной материи. ВСЯ молекула АМ и молекула, с которой она реагирует, становятся чистой энергией. При делении не пропадают ни протоны, ни электроны, ни нейтроны как таковые, но они перестраиваются в более низкое энергетическое состояние, когда сложные молекулы становятся несколькими более простыми. в случае антивещества эффект был бы гораздо более разрушительным, потому что масса буквально преобразуется в энергию.

Таким образом, пуля AM сама по себе не является кинетическим оружием; Другими словами, вы не можете просто заточить его и выстрелить с очень высокой скоростью (даже с релятивистской скоростью), чтобы заставить его обойти часть брони и уничтожить массу позади себя. Антиматерия просто так не работает.

Важно отметить, что часть высвобождаемой энергии будет отталкивать пулю назад или в какой-то степени отталкивать другие молекулы. Тем не менее, чем большую скорость вы придадите пуле, тем больше она будет уничтожена, потому что высвобождаемое гамма-излучение должно противостоять большему начальному импульсу. Те фрагменты, которые могут пройти через него, пройдут только потому, что будут лететь на носовой волне гамма-излучения и плазмы, но в любом случае это уже не будет пуля.

Хорошая (?) новость заключается в том, что при массе (скажем) 10 граммов, образующих 7-мм «оболочку», когда она попадает в броню, выброс энергии будет настолько массивным, что маловероятно, что броня будет достаточно прочной или надежной, чтобы чтобы выдержать внезапный натиск гамма-излучения, а это означает, что все люди, стоящие за ним, вероятно, мертвы от генерируемого излучения, даже если они не вспыхивают из-за выделения тепла, что они, скорее всего, и сделали бы .

Короткий ответ заключается в том, что вы не можете сделать так, чтобы ваша пуля AM выглядела как пуля после очень быстрого прохождения через массу. Контакт - это все, что требуется для запуска реакции, и поэтому они сработают при первом же контакте с ЛЮБОЙ обычной массой. Это не кинетическое оружие, и вы не можете думать о нем как о таковом. Это энергосбрасывающее оружие с контактным спусковым крючком.

Есть очень актуальный xkcd - Что если? на этом. Конечно, снаряд сделан не из антиматерии, и он немного больше вашей пули. Однако в нем обсуждаются скорости, с которыми «атомы буквально проходят друг через друга». Это в разделе около 99% скорости света.

В нем также упоминается, что атомы воздуха проникают в тело примерно на три метра с такой скоростью. Очевидно, что снаряды антиматерии должны быть остановлены раньше, потому что они распадаются при первом реальном столкновении. Но, как я уже говорил, при таких скоростях атомы движутся сквозь друг друга. Чем выше скорость, тем дальше частицы антиматерии могут проникнуть в материю, прежде чем им удастся аннигилировать с одной из частиц, через которые они проходят.

Итак, ответ таков: вам нужно, чтобы ваш снаряд из антиматерии был значительно быстрее, чем 99% скорости света . Это позволит некоторым частицам пули (не целым атомам, а только отдельным позитронам, антипротонам и антинейтронам) пройти сквозь цель и беспрепятственно продолжить свой путь.

Обратите внимание, что при этих скоростях вес частиц более чем в десять раз превышает их массу покоя. Аннигиляция материи и антиматерии не будет основным источником энергии. Прямая кинетическая энергия будет . Так что, если вы хотите перестраховаться, вы можете просто обойтись обычной материей и придерживаться того, что описано в ссылке, которую я дал.

С какой минимальной скоростью должна двигаться пуля, чтобы пробить 1 метр материала и выйти, не взорвавшись полностью?

Это зависит от того, что вы подразумеваете под "полностью взрывающимся" или "напоминающим пулю" ;-)

TL;DR: вам не повезло, если только вы не посчитаете несколько случайных антинейтронов, выходящих из дальней стороны.

По сути, нет такой скорости, при которой 7-миллиметровая пуля, сделанная из любого нормального вещества (анти- или иного), могла бы пробить блок обычного вещества толщиной 1 метр. Средняя длина свободного пробега слишком коротка... каждый входящий атом будет взаимодействовать с атомом целевого материала в довольно короткие сроки, вызывая либо отклонение и нагрев (для обычной материи), либо частичную или полную аннигиляцию (для антиматерии).

Ньютоновское приближение для ударного проникновения :$d \approx l_p \frac{\rho_p}{\rho_t}$где$d$глубина проникновения,$l_p$- длина пенетратора, а$\rho_p$и$\rho_t$- плотности пенетратора и мишени соответственно. Это должно дать вам очень приблизительное представление о том, насколько глубоко может проникнуть снаряд из антивещества... в действительности другие эффекты уничтожили бы его задолго до того, как он достигнет этой глубины, но это подойдет в качестве отправной точки. Как видите, даже если ваша пуля сделана из антивольфрама, а мишень из воды, вы не сможете проникнуть дальше, чем на 14 см.

Вот почему в реальном мире бронебойные снаряды длинные и тонкие, как этот противотанковый снаряд APFSDS :

Если вы выпустили свою пулю с релятивистской скоростью (скажем, 90% скорости света или выше), вы можете обнаружить, что часть летящего снаряда вылетит с другой стороны, возможно, в виде нескольких рассеянных антинейтронов, но я Я предполагаю, что это не совсем то, что вы хотели. Кроме того, если у вас есть релятивистская пушка, вы можете стрелять из нее обычной материей, потому что вся прелесть заключается в кинетической энергии, а вклад массы-энергии в пулю из антиматерии быстро станет пренебрежимо малым и уж точно не стоит хлопот.

Теперь вы также должны отметить, что ваш кинетический пенетратор из обедненного антиурана также не сможет пробить огромные куски материи и выйти целым. Проблема у вас будет в том, что при контакте с целью начнется аннигиляция. Это почти наверняка не просто выбьет пулю из мишени.

Вы получите всплеск электронно-позитронных аннигиляционных гамма-лучей (511 кэВ), мгновенных гамма-лучей высокой энергии от нуклонной аннигиляции (МэВ-энергия), несколько нейтральных пионов очень короткого радиуса действия, которые почти сразу же распадутся на большее количество гамма-лучей (по два на каждый). , всего> 135 МэВ) и группу заряженных пионов, которые будут преодолевать короткие расстояния, прежде чем взаимодействовать с обычным веществом и останавливаться, а затем либо распадаться, производя новые гамма-лучи, либо вызывая ионизацию и нагрев. Гамма-лучи обладают высокой проникающей способностью.. Это означает, что они пройдут некоторый путь как через цель, так и через пенетратор, прежде чем взаимодействовать с ним, обычно вызывая ионизацию и нагрев. Таким образом, большая часть цели и большая часть пенетратора сильно нагреются и взорвутся. Это создаст облако горячей, плотной амбиплазмы, которая затем завершит самоуничтожение в относительно короткие сроки.

Таким образом, большая часть ударника будет аннигилирована, при этом большая часть энергии будет высвобождена в довольно большом объеме вещества вокруг точки удара. Небольшая часть задней части импактора улетит, не аннигилируя.

Сообщение на память должно звучать так: «Не используйте антиматерию, если вам нужны бронебойные снаряды».

Самый близкий, который мы можем получить к числовому ответу на этот вопрос, будет:

С какой скоростью должна лететь АМ-пуля, чтобы при столкновении со стеной большей массы, чем она сама, все позитроны и антипротоны аннигилировали, а не выбрасывались обратно под действием силы энергии, высвобождаемой в результате аннигиляций, происходящих перед ней?

Вероятно, можно предположить, что выделившаяся энергия расширится в виде относительно сферического всплеска гамма- и рентгеновского излучения. (Каламбур относительности, так как мы работаем с высокоэнергетическим электромагнитным излучением.) К счастью, поскольку все происходит с релятивистскими скоростями И большая часть энергии движется со скоростью света по определению, это означает, что нам не нужно очень беспокоюсь о системах отсчета. Энергия расширяется как сфера, независимо от того, является ли ваша система отсчета пулей или кораблем... И если вы оба, то вам не нужно будет беспокоиться о системах отсчета после удара.

Таким образом, в момент аннигиляции каждой частицы примерно половина энергии уходит на то, чтобы убрать корабль с вашего пути, а другая половина энергии работает на замедление пули.

Чтобы выяснить, сколько нам нужно кинетической энергии, мы берем 86 килотонн («заимствованные» из отличного ответа Салды) взрывной энергии, делим их пополам и конвертируем в джоули. Меньше, чем нужно человеку, чтобы думать, в пулю будет вложено 179 912 000 000 000 джоулей, которые нам нужно будет преодолеть.

При массе 2 грамма, если бы не существовало теории относительности, наша пуля должна была бы лететь со скоростью ~360 000 000 000 000 000 м/с, или примерно в миллиард раз больше скорости света.

К счастью, с теорией относительности нам не нужно лететь так быстро (но нам ДЕЙСТВИТЕЛЬНО нужно вкачивать столько энергии в нашу 2-граммовую пулю). Нам просто нужно разогнать нашу пулю до 99,999999999% скорости света или около того.

Имейте в виду, что все это поверхностные вычисления, сферическая корова на бесконечной плоскости без трения. Если на пути пули AM меньше 2 г вещества, это то, с какой скоростью ей нужно двигаться, чтобы гарантировать, что некоторые ее части пройдут сквозь нее. Это не будет похоже на пулю, но это будут кусочки антивещества, которые все еще движутся в правильном направлении.

Если у корабля-мишени меньше щитов, вам, конечно, не нужно так сильно замедляться... в два раза медленнее, примерно 99,999999995% от c (то есть вам нужно будет вложить в пулю только половину кинетической энергии, что из-за природы относительности кажется лишь очень незначительным изменением доли скорости света, которым летит наша пуля, несмотря на то, что он весьма значителен.)

Независимо от того, из антиматерии ваша пуля или нет, она не проникнет на расстояние до 1 метра.

Ваша пуля имеет длину 7 мм. Она будет такой же плотности, как и броня цели. Таким образом, закон глубины удара Ньютона говорит нам, что он проникнет примерно на 14 мм.

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Impact_depth

Другие ответы были длинными и многословными, и поэтому, если это уже рассмотрено, мои извинения.

Причина, по которой пули, сделанные из обычного вещества, могут пробить броню (или любое не слишком упругое препятствие), заключается в том, что первым контактом между пулей и целью будет электростатическая сила электронов атомов, составляющих и пулю, и цель. Электроны отталкиваются друг от друга (настолько сильно, что атомы действительно никогда не касаются друг друга), а импульс пули отталкивает материал мишени в сторону.

С пулей из антиматерии так не получится. Позитроны антиатомов пули и электроны атомов мишени будут притягиваться друг к другу и аннигилировать друг друга, а затем антипротоны пули будут притягиваться к протонам мишени и они будут уничтожать друг друга аналогичным образом (затаскивая антинейтроны и нейтроны в празднества).

Пробития не будет, если только броня не будет намного тоньше диаметра пули, и то только в том случае, если инерция выживших антиатомов не будет затруднена силой аннигиляции материи и антиматерии.

То, что вы, кажется, ищете, это идеальная бронебойная осколочно-фугасная пуля, верно?

Если это так, вместо пуль из антивещества вы хотите стрелять микрочерными дырами с релятивистской скоростью.

Видите ли, все черные дыры испаряются и излучают энергию в виде излучения Хокинга. Чем больше черная дыра, тем медленнее она излучает. Крошечные черные дыры, по сути, являются смехотворно мощными бомбами, потому что это излучение увеличивается как сумасшедшее в последние несколько микросекунд существования черной дыры. Чем быстрее он излучает, тем быстрее сжимается, и чем меньше он становится, тем быстрее излучается.

Теперь объедините это с замедлением времени, вызванным перемещением с релятивистской скоростью. Если вы тщательно контролируете скорость запуска черной дыры, вы можете очень точно определить время, когда она полностью испарится. Чем быстрее это происходит, тем дольше это длится с вашей точки зрения и точки зрения вашей цели.

Никакая броня не может остановить черную дыру. Каждый атом брони, в который попадает черная дыра, просто падает в сингулярность.

Итак, сложите все это вместе, и вы получите черную дыру, весящую как поезд, пробивающую броню цели в несколько молекул и взрывающуюся внутри с энергией, аналогичной удару, убившему динозавров.

Попробуйте использовать странную материю. Сообщите нам результаты эксперимента.

Вырожденная нейтронная материя (она же нейтроний) была моим первым выбором, но нет причин ожидать, что она будет стабильной за пределами интенсивного гравитационного поля нейтронной звезды.

Если гипотеза страпельки верна, это возможно. Поскольку страпелька электрически нейтральна, она будет проходить сквозь материю, взаимодействуя только в том случае, если ей удастся поразить очень маленькие частицы-мишени в самих атомах.

Будучи электрически нейтральным, он проникает сквозь материю в гораздо большей степени, чем обычная антиматерия.

Однако, поскольку мишень толщиной 1 метр потребует отсутствующих примерно 50-100 миллионов атомных ядер, чтобы выйти при контакте (фактические цифры зависят от материала мишени), статистически очень маловероятно.

Re: Возможно выше - наверняка свойства страпельки неизвестны, и может быть вполне вероятно, что вы не можете просто рассматривать это как устойчивую совокупность слабо взаимодействующих кварков, где каждый кварк должен столкнуться с частицей. На самом деле, для того, чтобы страпельки существовали, они, вероятно, довольно тесно связаны друг с другом, что не позволяет этому работать.

Так что, хотя я и не ожидаю, что странная антиматерия справится со своей задачей, на самом деле мы этого не знаем. Так что проведите эксперимент и запишите свои результаты для публикации.