Wie schnell muss sich eine Antimateriekugel bewegen, um zu durchschlagen, anstatt zu explodieren?

Es gibt eine sehr einfache Mathematik, die Ihnen sagt, wie weit ein Antimaterieprojektil etwas durchdringen kann, vorausgesetzt, dass die massiven freigesetzten Energiemengen nicht an diesem Eindringen beteiligt sind.

Wenn die Kugel das Ziel durchdringt, vernichtet sie sich selbst mit der Materie im Ziel im Verhältnis 1:1. Das bedeutet, dass die Kugel nur mit ihrer eigenen Masse an Zielmaterie in Kontakt treten kann, bevor sie vollständig in Energie umgewandelt wird. (Viel, und viel, und viel Energie).

Eine 7-mm-Kugel hat ein Volumen von ~0,18 cm ³ . Da Sie daraus solide Kugeln machen, nehmen wir an, Sie haben es irgendwie geschafft, Anti-Blei zu produzieren, einzudämmen und abzufeuern. Die Dichte von Blei beträgt 11,34 g/cm ³ , also hat man 2 Gramm von dem Zeug. Ihre Kugel wird also vollständig von Materie im Wert von 2 Gramm verbraucht.

Sie fragen, wie schnell das Projektil abgefeuert werden kann, um einzudringen, aber damit gibt es ein Problem. Sie müssen die Kugel schnell genug abfeuern, damit die Vernichtungsreaktion an ihrem Aufprallpunkt nicht den Großteil der Kugel von der Oberfläche des Ziels ablenkt (ähnlich wie ein Wassertropfen, der von einer heißen Oberfläche spritzt). Oberhalb einer bestimmten Geschwindigkeit (im Grunde der Schallgeschwindigkeit im Material) kann sich die Materie im Ziel jedoch physikalisch nicht mehr aus dem Weg der Kugel bewegen, was bedeutet, dass die Kugel zumindest den Zylinder berührt (oder eher den Kegel) der Materie auf seinem Weg; es kann keinen Riss im Material "aufkeilen" und so eindringen.

Im Grunde läuft es also auf Folgendes hinaus: Wenn sich mehr als 2 Gramm Materie auf ihrem direkten Weg befinden, kann sie nicht eindringen, egal wie schnell sie sich bewegt. Ein 7 mm x 1 m großer Zylinder ist ~38,5 cm ³ groß . 2 g/38,5 cm ³ sind 0,053 g/cm ³ , was weniger dicht ist als Styropor.

Andererseits wird die Vernichtung von 2 g Antimaterie mit 2 g Materie einen Hauch von weniger als 86 Kilotonnen Energie freisetzen, sodass Ihr Ziel mit ziemlicher Sicherheit nur verdampft wird, und an diesem Punkt stellt sich die Frage, ob es "durchdrungen" werden soll eher strittig.

Zunächst einmal denke ich, dass wir die Wissenschaft ein wenig aufklären müssen.

Antimaterie "explodiert" nicht, wenn sie mit Materie in Kontakt kommt - sie vernichtet sich selbst und die Materie, mit der sie in Kontakt kommt, in gleichen Massenmengen und wird zu reiner Energie.

Dies bedeutet, dass die Antimaterie-Kugel im Wesentlichen viel effizienter Energie erzeugt als ein Spaltreaktor und wahrscheinlich genauso tödlich, da der größte Teil dieser Energie wahrscheinlich als Gammastrahlung freigesetzt würde (dies basiert auf der aktuellen Theorie – wir wenig praktische Erfahrung mit der Erzeugung von Antimaterie-Explosionen haben).

Die Formel E=mc ² sagt uns, dass wir jedes Gramm Antimaterie in der Kugel mit der doppelten Lichtgeschwindigkeit im Quadrat multiplizieren (weil die Antimaterie nur die Hälfte der vernichteten Masse ist), um einen Energiefreisetzungswert zu erhalten.

Dies entspricht auch der Funktionsweise von thermonuklearen Explosionen, da eine Atombombe nicht wirklich „explodiert“, da sie eine enorme Menge an Energie in Form von Wärme freisetzt. Spaltung ist effektiv nur das Aufbrechen von großen komplexen Molekülatomen in kleinere, was zu einer geringfügigen Abnahme der Gesamtmasse führt, wobei der Rest der Masse zu Wärmeenergie wird, die dabei freigesetzt wird. Was Druckwellen und „Explosion“ auslöst, ist, dass Hitze den atmosphärischen Druck erhöht und diese Form der plötzlichen und unkontrollierten Freisetzung von Wärme zu einem massiven und plötzlichen Anstieg des atmosphärischen Drucks führt, ganz zu schweigen von der Bildung von Plasma aus vorhandener Masse die Explosion - alles in allem ist es ein schlechtes Ergebnis.

Im Fall Ihrer Antimaterie-Kugel erzeugt die Kugel jedoch nicht nur eine Spaltung - Moleküle davon hören buchstäblich auf zu existieren, wenn sie mit einem Gegenstück aus normaler Materie reagieren. Das GESAMTE AM-Molekül und das Molekül, mit dem es reagiert, werden zu reiner Energie. Bei der Spaltung gehen keine eigentlichen Protonen, Elektronen oder Neutronen als solche verloren, sondern sie werden in einem niedrigeren Energiezustand neu konfiguriert, wenn aus den komplexen Molekülen mehrere einfachere werden. im Fall von Antimaterie wäre die Wirkung weitaus verheerender, weil Masse buchstäblich in Energie umgewandelt wird.

Als solches ist die AM-Kugel per se keine kinetische Waffe; Mit anderen Worten, Sie können es nicht einfach schärfen und mit einer wirklich hohen Geschwindigkeit (sogar relativistischen Geschwindigkeiten) abfeuern, damit es einen Teil der Panzerung umgeht und die dahinter liegende Masse vernichtet. Antimaterie funktioniert einfach nicht so.

Bearbeiten Es ist wichtig zu beachten, dass ein Teil der freigesetzten Energie die Kugel tatsächlich zurückdrücken oder andere Moleküle bis zu einem gewissen Grad aus dem Weg schieben wird. Je mehr Geschwindigkeit Sie in die Kugel bringen, desto mehr davon wird jedoch vernichtet, da die freigesetzte Gammastrahlung einem größeren Anfangsimpuls entgegenwirken muss. Welche Fragmente durchkommen könnten, würde dies nur tun, weil sie auf einer Bugwelle aus Gammastrahlung und Plasma reiten würden, aber es wird in beiden Fällen keine Kugel mehr sein.

Die gute (?) Nachricht ist, dass bei einer Masse von (sagen wir) 10 Gramm, die die 7-mm-„Hülle“ bilden, wenn sie auf die Panzerung trifft, die Energiefreisetzung so massiv sein wird, dass es unwahrscheinlich ist, dass die Panzerung stark genug oder robust genug ist um dem plötzlichen Ansturm von Gammastrahlung zu widerstehen, was bedeutet, dass alle Menschen dahinter wahrscheinlich durch die erzeugte Strahlung tot sind, selbst wenn sie aufgrund der Wärmefreisetzung nicht blitzbrennen, was sie höchstwahrscheinlich tun würden .

Die kurze Antwort ist, dass Sie Ihre AM-Kugel nicht wie eine Kugel aussehen lassen können, nachdem Sie die Masse sehr schnell passiert haben. Kontakt ist alles, was erforderlich ist, um die Reaktion auszulösen, und als solche werden sie beim ersten Kontakt mit JEDER normalen Masse losgehen. Sie sind keine kinetischen Waffen, und man kann sie sich nicht als solche vorstellen. Sie sind Energie freisetzende Waffen mit einem Kontaktauslöser.

Es gibt ein sehr relevantes xkcd - Was wäre wenn? darauf. Zugegeben, das Projektil besteht nicht aus Antimaterie und ist etwas größer als Ihre Kugel. Es werden jedoch Geschwindigkeiten diskutiert, mit denen "die Atome buchstäblich durcheinander hindurchgehen". Das ist in dem Abschnitt etwa 99% der Lichtgeschwindigkeit.

Es wird auch erwähnt, dass Luftatome mit dieser Geschwindigkeit etwa drei Meter in einen Körper eindringen. Offensichtlich würden Antimaterie-Projektile früher gestoppt, weil sie bei der ersten tatsächlichen Kollision zerfallen. Aber, wie ich schon sagte, bei diesen Geschwindigkeiten bewegen sich die Atome direkt durcheinander. Je höher die Geschwindigkeit, desto weiter können die Antimaterieteilchen in die Materie eindringen, bevor sie es schaffen, mit einem der Teilchen, die sie passieren, zu vernichten.

Die Antwort lautet also: Ihr Antimaterie-Projektil muss deutlich schneller als 99 % der Lichtgeschwindigkeit sein . Dadurch können einige der Teilchen der Kugel (keine vollständigen Atome, nur einzelne Positronen, Antiprotonen und Antineutronen) das Ziel passieren und ihre Reise ungehindert fortsetzen.

Beachten Sie, dass die Partikel bei diesen Geschwindigkeiten mehr als das Zehnfache ihrer Ruhemasse wiegen. Materie-Antimaterie-Vernichtung wäre nicht die Hauptenergiequelle. Direkte kinetische Energie wäre . Wenn Sie also auf Nummer sicher gehen wollen, können Sie sich einfach mit gewöhnlicher Materie begnügen und sich an das halten, was in dem von mir angegebenen Link beschrieben ist.

Was wäre die Mindestgeschwindigkeit, mit der sich die Kugel bewegen muss, um 1 Meter Material zu durchdringen und auszutreten, ohne vollständig zu explodieren?

Es hängt davon ab, was Sie mit "vollständig explodieren" oder "einer Kugel ähneln" meinen ;-)

TL;DR: Sie haben Pech, es sei denn, Sie zählen ein paar streunende Antineutronen, die auf der anderen Seite herauskommen.

Es gibt im Grunde keine Geschwindigkeit, mit der eine 7 mm lange Kugel aus normaler Materie (Anti- oder Sonstiges) einen 1 m dicken Block aus normaler Materie durchdringen könnte. Der mittlere freie Weg ist einfach zu kurz ... jedes ankommende Atom wird in ziemlich kurzer Zeit mit einem Atom des Zielmaterials interagieren und entweder eine Ablenkung und Erwärmung (bei normaler Materie) oder eine teilweise oder vollständige Vernichtung (bei Antimaterie) verursachen.

Die Newtonsche Näherung für die Stoßdurchdringung ist$d \approx l_p \frac{\rho_p}{\rho_t}$Wo$d$ist die Eindringtiefe,$l_p$ist die Länge des Penetrators, und$\rho_p$Und$\rho_t$sind die Dichten des Penetrators bzw. des Ziels. Dies sollte Ihnen eine sehr ungefähre Vorstellung davon geben , wie tief ein Antimaterie-Projektil möglicherweise eindringen könnte ... in Wirklichkeit würden andere Effekte es zerstören, lange bevor es diese Tiefe erreicht, aber als Ausgangspunkt reicht es aus. Wie Sie sehen, können Sie, selbst wenn Ihre Kugel aus Anti-Wolfram und das Ziel aus Wasser besteht, unmöglich weiter als etwa 14 cm eindringen.

Aus diesem Grund sind Panzerdurchdringungsgeschosse in der realen Welt lang und dünn, wie diese APFSDS- Panzerabwehrgeschosse:

Wenn Sie Ihre Kugel mit relativistischer Geschwindigkeit abgefeuert haben (z. B. 90 % der Lichtgeschwindigkeit oder mehr), stellen Sie möglicherweise fest, dass ein Teil der ankommenden Kugel auf der anderen Seite herauskommt, vielleicht in Form einiger streunender Antineutronen, aber ich Ich vermute, das ist nicht wirklich das, was Sie wollten. Wenn Sie eine relativistische Waffe haben, können Sie auch normale Materie daraus abfeuern, da der ganze Schwung in der kinetischen Energie steckt und der Beitrag der Masse-Energie in einer Antimaterie-Kugel schnell und sicher vernachlässigbar werden würde den Aufwand nicht wert.

Nun sollten Sie auch beachten, dass Ihr kinetischer Penetrator mit abgereichertem Antiuran auch nicht in der Lage sein wird, riesige Materiebrocken zu durchdringen und unversehrt herauszukommen. Das Problem, das Sie haben werden, ist, dass bei Kontakt mit dem Ziel die Vernichtung beginnt. Dadurch wird die Kugel mit ziemlicher Sicherheit nicht einfach aus dem Ziel zurückgeblasen.

Was Sie erhalten, ist ein Spray von Elektron-Positron-Vernichtungs-Gammastrahlen (511 keV), hochenergetische prompte Gammastrahlen aus der Nukleonenvernichtung (MeV-Energie), einige neutrale Pionen mit sehr kurzer Reichweite, die fast sofort in mehr Gammastrahlen zerfallen (jeweils zwei , insgesamt >135 MeV) und ein Haufen geladener Pionen, die kurze Strecken zurücklegen, bevor sie mit normaler Materie interagieren und gestoppt werden, und dann entweder zerfallen und weitere Gammastrahlen erzeugen oder Ionisierung und Erwärmung verursachen. Die Gammastrahlen sind sehr durchdringend. Dies bedeutet, dass sie sowohl durch das Ziel als auch durch den Penetrator hindurchgehen, bevor sie mit ihm interagieren, was im Allgemeinen zu Ionisierung und Erwärmung führt. Ein großer Teil des Ziels und der größte Teil des Penetrators werden sich daher ziemlich stark erhitzen und explodieren. Dies erzeugt eine Wolke aus heißem, dichtem Ambiplasma, das sich dann in relativ kurzer Zeit selbst vernichtet.

Der größte Teil des Impaktors wird daher vernichtet, wobei die meiste Energie in einem ziemlich breiten Materievolumen um den Aufprallpunkt herum freigesetzt wird. Ein kleiner Teil der Rückseite des Impaktors wird wegfliegen, unvernichtet.

Die Botschaft zum Mitnehmen sollte lauten: "Verwenden Sie keine Antimaterie, wenn Sie panzerbrechende Runden wollen".

Die nächste numerische Antwort auf diese Frage wäre:

Wie schnell müsste die AM-Kugel fliegen, damit jedes Positron und Antiproton vernichtet wird, wenn sie auf eine Wand trifft, die mehr Masse hat als sie selbst, anstatt von der Energie zurückgeschossen zu werden, die durch die Vernichtung vor ihr freigesetzt wird?

Wir können wahrscheinlich davon ausgehen, dass sich die freigesetzte Energie in einem relativ kugelförmigen Ausbruch von Gamma- und Röntgenstrahlung ausdehnt . (Relativitätswortspiel beabsichtigt, da wir an hochenergetischer EM-Strahlung arbeiten.) Glücklicherweise bedeutet dies, da die Dinge mit relativistischer Geschwindigkeit passieren UND ein Großteil der Energie sich per Definition mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, dass wir dies nicht müssen Sorgen Sie sich sehr um Bezugsrahmen. Die Energie dehnt sich als Kugel aus, egal ob Ihr Bezugsrahmen die Kugel oder das Schiff ist ... Und wenn Sie beides sind, müssen Sie sich auch nach dem Aufprall keine Gedanken über Bezugsrahmen machen.

Im Moment der Vernichtung jedes Partikels arbeitet also ungefähr die Hälfte der Energie daran, das Schiff aus dem Weg zu räumen, und die andere Hälfte der Energie arbeitet daran, die Kugel abzubremsen.

Um herauszufinden, wie viel kinetische Energie wir brauchen, nehmen wir die 86 Kilotonnen ("ausgeliehen" von Saldas ausgezeichneter Antwort) an explosiver Energie, halbieren sie und wandeln sie in Joule um. In weniger als dem, was ein Mensch zum Denken braucht, werden 179.912.000.000.000 Joule in die Kugel abgegeben, die wir überwinden müssen.

Bei 2 Gramm, wenn die Relativitätstheorie nicht existieren würde , müsste sich unsere Kugel mit ~ 360.000.000.000.000.000 m / s oder etwa einer Milliarde Lichtgeschwindigkeit bewegen.

Glücklicherweise müssen wir mit der Relativitätstheorie nicht so schnell gehen (aber wir müssen so viel Energie in unsere 2-g-Kugel pumpen). Wir müssen unsere Kugel lediglich auf 99,999999999 % der Lichtgeschwindigkeit oder so ungefähr beschleunigen.

Denken Sie daran, dass dies alles kugelförmige Berechnungen auf einer unendlichen, reibungslosen Ebene sind. Wenn sich weniger als 2 g Materie im Weg einer AM-Kugel befinden, muss sie so schnell sein, um sicherzustellen, dass einige Teile davon durchkommen. Es wird keiner Kugel ähneln, aber es werden Antimateriestücke sein, die sich immer noch in die richtige Richtung bewegen.

Wenn das Zielschiff weniger Schilde hat, müssen Sie natürlich nicht ganz so viel langsamer werden ... Das heißt, wenn sich nur 1 g Materie vor Ihrer Antimateriekugel befindet, müssen Sie nur gehen halb so schnell, etwa 99,999999995 % von c (das heißt, Sie müssen nur halb so viel kinetische Energie hinter die Kugel stecken, was aufgrund der Natur der Relativitätstheorie nur wie eine sehr geringfügige Änderung des Bruchteils der Geschwindigkeit erscheint Licht, dass unsere Kugel fliegt, obwohl sie ziemlich bedeutend ist.)

Unabhängig davon, ob Ihre Kugel Antimaterie ist oder nicht, sie dringt nicht bis zu 1 m ein.

Ihre Kugel ist 7 mm lang. Es wird eine ähnliche Dichte wie die Panzerung des Ziels haben. Das Newtonsche Gesetz der Aufpralltiefe sagt uns also, dass es etwa 14 mm eindringt.

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

Die anderen Antworten waren lang und wortreich, und wenn dies bereits behandelt wird, entschuldige ich mich.

Der Grund, warum aus gewöhnlicher Materie hergestellte Kugeln eine Panzerung (oder jedes nicht allzu widerstandsfähige Hindernis) durchdringen können, liegt darin, dass der erste Kontakt zwischen der Kugel und dem Ziel die elektrostatischen Kräfte der Elektronen der Atome sind, aus denen sowohl die Kugel als auch das Ziel bestehen. Die Elektronen stoßen sich gegenseitig ab (so sehr, dass sich die Atome wirklich nie berühren), und der Schwung der Kugel schiebt das Material des Ziels aus dem Weg.

Mit einer Antimaterie-Kugel wird es so nicht funktionieren. Die Positronen der Antiatome der Kugel und die Elektronen der Atome des Ziels werden angezogen und vernichten sich gegenseitig, und dann werden die Antiprotonen der Kugel von den Protonen des Ziels angezogen und die werden sich auf ähnliche Weise gegenseitig vernichten (die Anti-Neutronen und Neutronen in die Feierlichkeiten ziehen).

Es wird keine Durchdringung geben, es sei denn, die Panzerung ist viel dünner als der Durchmesser der Kugel, und auch dann nur, wenn der Impuls der überlebenden Antiatome nicht durch die Gewalt der Materie-Antimaterie-Vernichtung behindert wurde.

Was Sie zu suchen scheinen, ist die ultimative panzerbrechende hochexplosive Kugel, richtig?

Wenn dies der Fall ist, möchten Sie anstelle von Antimateriegeschossen Mikro-Schwarze Löcher mit relativistischer Geschwindigkeit abschießen.

Sehen Sie, alle Schwarzen Löcher verdampfen und strahlen Energie in Form von Hawking-Strahlung ab. Je größer das Schwarze Loch ist, desto langsamer strahlt es. Winzige Schwarze Löcher sind im Wesentlichen lächerlich starke Bomben, weil diese Strahlung in den letzten Mikrosekunden der Existenz des Schwarzen Lochs wie verrückt ansteigt. Je schneller es strahlt, desto schneller schrumpft es, und je kleiner es wird, desto schneller strahlt es.

Kombinieren Sie dies nun mit der Zeitdilatation, die durch Reisen mit relativistischer Geschwindigkeit verursacht wird. Wenn Sie sorgfältig steuern, wie schnell Sie das Schwarze Loch starten, können Sie sehr genau bestimmen, wann es vollständig verdunstet ist. Je schneller es geht, desto länger dauert es aus Ihrer Sicht und aus der Sicht Ihres Ziels.

Keine Panzerung kann ein Schwarzes Loch aufhalten. Jedes Rüstungsatom, das das Schwarze Loch trifft, fällt einfach in die Singularität.

Alles zusammen, und Sie haben ein Schwarzes Loch, das so viel wiegt wie ein Zug, der ein Loch mit ein paar Molekülen durch die Panzerung des Ziels schlägt und im Inneren mit einer Energie detoniert, die der des Aufpralls ähnelt, der die Dinosaurier tötete.

Versuchen Sie es mit seltsamer Materie. Teilen Sie uns das experimentelle Ergebnis mit.

Entartete Neutronenmaterie (alias Neutronium) war meine erste Wahl, aber es gibt keinen Grund zu erwarten, dass diese außerhalb des intensiven Gravitationsfeldes eines Neutronensterns stabil ist.

Wenn die Strangelet-Hypothese wahr ist, könnte es möglich sein. Da das Strangelet elektrisch neutral wäre, durchdringt es Materie und interagiert nur, wenn es ihm gelingt, die sehr kleinen Zielpartikel in den Atomen selbst zu treffen.

Da es elektrisch neutral ist, durchdringt es die Materie viel stärker als normale Antimaterie (Vielleicht, sb)

Da jedoch ein 1 Meter dickes Ziel etwa 50-100 Millionen fehlende Atomkerne erfordern würde, um mit Kontakt auszutreten (tatsächliche Zahlen hängen vom Zielmaterial ab), ist dies statistisch sehr unwahrscheinlich.

Betreff: Das Vielleicht oben - sicherlich die Eigenschaften eines Strangelets von Unbekanntem, und es kann sehr wahrscheinlich sein, dass Sie dies nicht einfach als eine stabile Sammlung von lose wechselwirkenden Quarks behandeln können, bei denen jedes Quark ein Teilchen treffen muss. Damit Strangelets existieren, sind sie wahrscheinlich ziemlich eng miteinander verbunden, was verhindert, dass dies funktioniert.

Also, obwohl ich nicht erwarte, dass seltsame Antimaterie die Arbeit erledigt, wissen wir es nicht wirklich. Führen Sie also das Experiment durch und schreiben Sie Ihre Ergebnisse zur Veröffentlichung auf.