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这种梦想的,让地震波远离建筑物

时间:2019-09-04 20:37来源:科学研究
科学家设计地震斗篷 让地震波远离建筑物 据介绍,傅承义,地球物理学家,1909年10月7日生于北京,籍贯福建闽侯。1933年毕业于清华大学。1941年获加拿大麦吉尔大学物理学硕士学位。

科学家设计地震斗篷 让地震波远离建筑物

据介绍,傅承义,地球物理学家,1909年10月7日生于北京,籍贯福建闽侯。1933年毕业于清华大学。1941年获加拿大麦吉尔大学物理学硕士学位。1944年获美国加州理工学院地球物理学博士学位。1957年被选聘为中国科学院学部委员。2000年1月8日逝世。

图片 1 姓名:傅承义 国籍:中国.福建闽侯 年代:1909- 职位:地球物理学家。中国科学院院士
傅承义(1909~ )
  地球物理学家。中国科学院院士。原籍福建闽侯。1909年10月7 日生于北京。1933年毕业于清华大学物理系。1940年赴加拿大留学。1941年获麦吉尔大学物理学硕士学位。1944年获美国加利福尼亚理工学院物理学博士学位。1947年回国,历任中央研究院气象研究所研究员,中国科学院地球物理研究所研究员、副所长、博士生导师,兼任北京地质学院物探教研室主任,北京大学地球物理教研室主任,中国科学技术大学地球物理教研室主任、地球及空间科学系主任,《地球物理学报》主编,中国地球物理学会名誉理事长等职。专长固体地球物理学、地震学和地球物理勘探,对地震波的传播理论做过开创性的研究。对地震体波、面波、首波及地震射线的理论有独到见解,如关于地震成因的“红肿理论”等。发表有50余篇学术论文及4部专著。

一项新的研究表明,哈利·波特的隐形斗篷能完美地控制光波,使物体隐形,这种隐形斗篷能否成为现实还有待观察,但要完善一件更重要的隐形斗篷是不可能的。它可以很好地引导地面上的应力波,比如爆炸产生的应力波,绕过建筑物等物体,使它们“不可触摸”。尽管对几十篇关于“弹性动力”隐身的理论论文提出了质疑。

据国外媒体报道,在电影中,隐形斗篷可以轻轻松松帮助小魔法师哈利:波特(Harry Potter)骗过守门人阿格斯:费尔奇(Argus Filch)以及他的猫“诺斯太太”。但法国和英国物理学家表示,隐形斗篷实际上也可以用来帮助建筑物免受地震破坏。这听起来是否太过科幻呢?答案是“不”。

曾任中国科学院地球物理研究所名誉所长、研究员,中国科学技术大学地球及空间科学系主任。从事固体地球物理学、地震学和地球物理勘探研究。国际地震波传播理论研究的先驱者之一,对地震体波、面波、首波、地震射线及地震成因的理论均有独特贡献。

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目前,法国马赛菲涅耳研究所的斯特凡:伊诺克(Stefan Enoch)及其研究小组正在研究隐形斗篷背后的物理学其它方面的应用。他们的研究成果便是“地震斗篷”,能够让冲击波、暴风浪或者海啸在所遮蔽的物体面前变成“瞎子”,进而达到保护建筑物的目的。

中国地球物理学会创建人之一。长期主编《地球物理学报》,为中国地球物理事业作出了重要贡献。代表作有《大陆漂移、海底扩张和板块构造》、《地球十讲》、《地球物理学基础》和《中国大百科全书固体地球物理卷》。

但佐治亚理工学院的这项新研究作者并不认为土木工程师应该完全放弃它,而仅仅是放弃理想隐身衣的想法。有限的遮盖仍然可以为建筑物增加一定程度的保护,特别是对地震中常见的一些应力波。有了斗篷,人们就有了这样的期望,如果你从任何方向受到任何形式的应力波,斗篷就应该能够将物体隐藏起来。我们现在看到这是不可能的,但对于一类大的扰动。

这种斗篷是如何工作的呢?为了理解其中的原理,我们首先应该了解地震波的两个主要分类——体波和面波,前者可以穿透到更深的地球内部,后者则在地表传播——这一点非常重要。伊诺克小组的研究发现显示,控制体波非常复杂,很难实现,但在常规工程学框架内对面波进行控制还是可以做到的。研究小组成员、英国利物浦大学的塞巴斯蒂安:古纳佑(Sebastien Guenneau)表示,由于面波的破坏性更大,如果能对其进行控制必然造福人类。

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据悉,这种概念上的隐形斗篷将由几个大型同心塑料环制成,塑料环将紧贴地面。为了让面波平稳地通过塑料环,科学家必须对环的硬度和弹性进行密切控制。穿过这个斗篷的地震波将被压缩成在压力和密度方面均处于极小程度的波动,进而能够沿着一条快速通道传播。这条通道可以被设计成弓形,通过调整塑料环的特性引导地震波远离斗篷内的物体。一旦离开斗篷,地震波便立即回到最初的强度。

隐形斗篷演示了如何使用电磁隐身隐身工作;在左边,电磁波可能是光,当击中中间的圆柱体时就会散射。在右边,圆柱体是隐形的;波浪不会散开,对站在田野上的旁观者来说,它似乎是看不见的。图片:Creative Commons, upload.wikimedia

这些神奇的塑料环可以让建筑物在地震发生时“隐形”,除此之外,斗篷本身也是不可见的。根据古纳佑的建议,应该将地震斗篷安放在建筑物地基位置。为了保护一座横跨10米的建筑,每一个塑料环的直径需要在1至10米左右,厚度则在10厘米上下。

即平面内扰动,或许可以设计出一件好的隐身衣。在地震中,面内扰动是沿着地球表面的平坦、宽阔或平坦路径运动的地震波。亚瓦里和与亚瓦里一起研究的研究生助理阿什坎·戈尔冈(Ashkan Golgoon)在领先的固体理论力学期刊《理性力学与分析档案》(Archive for Rational Mechanics and Analysis)上发表了他们的研究成果。

当然,所有这些理论仍需在现实实验中加以检验。如果伊诺克等人的研究发现能够得到应用,必将有无数人在地震发生时幸免于难。圣安德鲁斯大学物理学家乌尔夫:莱昂哈特(Ulf Leonhardt)并未参与此项研究。他表示,隐形物理学在现实世界的第一项应用可能就是操纵地震波而不是光线。如果获得成功,隐形塑料环也可以按比例缩小以保护体积较小的物体。

梦想的斗篷

《新科学家》杂志相关报道

隐身的梦想是引导压力波穿过一个根本不存在的结构,这和隐形斗篷的梦想有很多相似之处。隐形斗篷能使光电磁波弯曲,绕过物体,然后指向另一边。击中观众眼睛的光波会揭示出物体背后的东西,而不是物体本身。在弹性动力学隐身中,波不是电磁的,而是机械的,在地面上运动。假设,把物体遮盖起来就能使它与海浪完全隔绝。

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在一种情况下,比如说,为了保护核反应堆不受任何穿过地面的应力波的影响,无论是自然灾害还是人为灾难,理想情况下,土木工程师可能会把反应堆底部埋到地面下的一个洞里。他们会用特殊的材料在它周围建造一个保护圆筒或一个半球形的地下碗来引导应力波绕圆运动。有梦,也有研究结果。研究证明了隐形衣的形状并不重要,不管是球形还是圆柱形,不能完全隐形。

错误的类比

电磁隐身的许多理论和数学已经被转移到弹性动力学隐身研究中,其中一些理论和数学似乎已经对弹性动力学隐身的研究造成了障碍。很多时候,来自其他领域的类比是有用的,但是弹性增加了电磁学中没有的多种物理因素。例如,角动量的平衡在许多研究文献中被破坏了。角动量是旋转运动中质量的一种性质,它不受变化的影响。

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许多人都经历过角动量,通过倾斜一个旋转的陀螺仪,看着它固执地沿着一条意想不到的路径移动。虽然它是波,但光是光子,没有质量。另一方面,应力波通过物质(特别是固体物质,而不是液体或气体)这就为方程增加了关键的现实动力学。这些动态也会影响隐藏物体的洞,没有它,应力波在介质中传播相当均匀,但有了它,应力集中在孔周围,破坏了波型的整齐几何形状。

罗马斗篷?

如果理想的解决方案不存在,那就制造一个不完美的。数学表明,从严格意义上讲,伪装是不可能的。当你明白了这一点,就不会浪费时间了。你会根据所知道的目标压力或你想要保护的负荷来制定优化问题。如果工程师们使用的材料具有特定预应力,具有一定的弹性和密度分布,并在研究中详细说明,那么他们就可以抵御重要的地震应力,现实生活中的斗篷可能达不到理想,但仍然很伟大。

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如果不是100%的波浪能,我只感觉到10%或20%,这将是一件大事,因为工程不是追求绝对的理想。根据《麻省理工学院技术评论》(MIT Technology Review)的一份报告,即使是出了名数学的古罗马人,似乎也无意中在圆形剧场的设计中建造了地震斗篷。

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它们与现代实验隐身装置的相似之处,可能帮助它们在地震活跃地区保存了2062年。这项新研究还检验了土木工程中一个流行的观点,即用一系列具有微观结构的材料建造房屋,使它们成为“伴生固体”,这可能使它们能够完美地隐身。研究作者的结论是,这也行不通。这项研究没有考虑所谓的超材料。

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博科园|研究/来自:佐治亚理工学院

参考期刊《理性力学与分析档案》

DOI: 10.1007/s00205-019-01389-2

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