听CheapGPT聊流浪气球

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学会了大学普通物理，很容易从新闻的只言片语里推测并回答一些大家关心的问题。比如，这个气球是什么结构？为什么能上能下？怎么控制又为什么会失控？它有多重？值多少钱？为了打它下来，美军F22、加油机和导弹一起上，这是单纯的炫技吗？有没有什么简单的方法把气球打下来呢？

撰文 | 姬扬（中科院半导体所研究员）
这几天有两个热门话题：一个是美国公司OpenAI开发了聊天机器人ChatGPT，另一个是美国用飞机和导弹打下了中国失控的民用气球。

因为涉及中美双方，这两个话题都很热，但是还没有见到用ChatGPT认真谈论流浪气球的。根据路边社的分析，原因是这样的：用ChatGPT写文章不道德，跳墙也不符合公序良俗；另外，ChatGPT是讨好型人格（编注：参见《科学期刊禁止将ChatGPT列为论文作者，ChatGPT自己怎么看？》），也不知道2022年以后的事情。所以，你跟他谈流浪气球，只能是瞎扯。

在人工智能的时代，必须发挥创新精神，才能保证自己的饭碗不被AI敲掉。所以我们现在就用ChatGPT聊一聊流浪气球。基本思路是这样的。美国有句话说得好，Chat is cheap, show me the balloon. 这是洋文，你们不懂的，我来解释一下：ChatGPT就是CheapGPT，还是谈气球吧。
ChatGPT的全称是Chat Generative Pre-trained Transformer （聊天生成性预训练转换模型），而CheapGPT的全称是Cheap Gerneral Physics Teacher（便宜的大学普通物理学教师）。
闲话少提，我们还是说正题吧。作为一个CheapGPT（便宜的大物老师），很容易从新闻里的只言片语里推测并回答一些大家关心的问题。比如说，这个气球是什么结构？为什么能上能下？怎么控制又为什么会失控？它有多重？值多少钱？为了打它下来，美军F22、加油机和导弹一起上，这是单纯的炫技吗？有没有什么简单的方法把气球打下来呢？
我们能够看到的信息只有“美方宣称这个气球高约60米（200英尺），下面装有一个很长的传感器”，以及这个气球可以飘到3~4万米的高空（所以美军起初只能是干瞪眼，等到气球下降到2万米的高度才开始耍横），下面就根据信息来分析。这个气球能够飘到高空，里面充的气体一定比空气轻。加热不太现实（因为要长期漂浮），甲烷的密度跟空气的差别太小，氢气有容易爆炸，那就只能是氦气了。这个气球的体积大约是10万立方米（），因此有人说单论氦气的价格就有几千万元（每立方米氦气要一两百元）。其实没有那么多，因为高空的气压非常低，4万米处的气压大致只有地面的百分之一左右〔（至少可以有三种方法得到这个值：首先，当然可以从网上或者参考书里查数据；其次，用高中物理知识猜，大气压相当于10米高的水柱，也就相当于6公里高的空气柱（因为空气分子比水分子重，这里说的是一个标准大气压）〕，因为气压逐渐减小，可以猜测每往上6公里，上方的其他总重量减半；第三，用大学热力学的内容算，这跟所谓的玻尔兹曼分布有关，地球表面大气的密度分布用恒温模型来估计的话，就是 ，其中，m是分子质量，g是重力加速度，h是海拔高度，k_B是玻尔兹曼因子，T是温度。气球内的压强只要能撑起气球就可以了（用两倍气压来估计吧）。所以，需要的氦气量应当除以一个大约50的因子。所以，这么大的气球，充氦气大概需要大概三四十万元的样子，并不是那么离谱。当然，40万也不能算小钱，这个气球绝对不是某宝上几百几千块就卖的那种便宜货——同时我们也证明了“Chat is cheap, show me the balloon”这句话完全等价于更常见的“Chat is cheap, show me the money”。
这个气球能上能下，能屈能伸，这是因为它的体积能随意变化，否则阿基米德同志可不是那么好说话的。具体的控制方法应该是：大气球里套个小气球，两个气球里的压力不一样。把大气球里的气抽一些到小气球里，大气球里的压强就会低于外面的气压，大气球就被压扁了一些，浮力就不够了，所以气球就会下降到新的平衡高度。抽气很容易，但是要保证抽气管道和两个气球的连接部分和阀门的良好密封（因为氦气很贵的，是不可再生的资源。），以及抽气机的自动控制，应该是很体现技术能力的。有消息说气球是三层的，我猜是为了控制起来更方便（也可能有材料方面的考虑），或者是把大气球外面的保护网也算作了一层（保护网是为了分担气球的载荷，只用一条绳子的话，会把我们的气球勒死的）。
我们还可以估计一下小气球的尺寸。气球的总重量是不变的（刚才算过了，大约1万立方米空气的重量，也就是差不多10吨的样子。），既然这个气球曾经停靠在地面上，那么小气球自己的浮力大致也是这个水平，所以，小气球的尺寸大概大气球的四或五分之一的样子，也就是直径大约15米。
再估计一下气球皮的厚度。大气球的表面积大约是1万平方米，重量是2吨，那么每平方米大概半斤重。气球皮的密度跟水不会有太大差别，所以，不可能超过1厘米厚。再考虑到我们有三层皮，还有氦气，还有载荷，可以安全地猜测这个球皮厚度应该不到1毫米，应该在0.2毫米到2毫米之间。
气球下面那个几十米长的东西，主要是太阳能电池板，这个东西应该不是很贵，观测仪器应该也不是特别值钱，因为气球离地面很近，运动得又很慢，所以不需要卫星上那种高大上的光学镜头，数据应该可以直接传到通讯卫星或者地面基站，这些东西也不值钱。网上有人贴出了某科院的公告，白纸黑字地写着中标金额是316万，虽然没有任何细节，但是应该还算靠谱的：因为这是研制，不是批量生产。根据我们这里的分析，单算成本应该也有一两百万的。
气球下面挂的那些零碎里，应该还有一些大风扇，用来帮助气球跑路的。只要往后面吹吹风，就可以朝前跑了：为什么说“东面而征而西夷怨，南面而征而北狄怨”，就是因为这个枕头风太可怕了。当然，因为气球太大，跑起路来太拉风，它的运动能力很一般，我们对它的控制也是很有限的，如果运气不好，在高空中碰上大风，就会成为流浪气球，要是又倒霉被人打下来了，我们的气球只能“黄鹤一去不复返”了。好了，气球的性质就说这些了。下面讲讲它是怎么被发现的？又是怎么被打下来的？以及单纯从科技角度看，打气球为什么非常难？
首先，气球这玩意儿虽然大，但是除了一肚子气以外，并没什么料。所以，雷达啦卫星啦都不容易看到它，因为它对无线电波的反射很弱，卫星离地面又太远。但是啊但是，人眼是能够看到它的。头上三十公里飘着个直径60米的大气球，这个视张角大概是2个毫弧度，只比太阳和月亮小一点（它们的视张角大概是10个毫弧度），可以说是天上的第三大物体了，尤其是在早晨，巨大的气球反射着朝阳，真仿佛闪闪的红星，想看不到都挺难的。难怪前两年好莱坞放电影号召大家Don't look up呢，因为你一抬头就看到它了呀。
为什么气球不好打，非要用上F22、加油机和导弹呢？因为两万米以上的空气就很稀薄了，飞机它飞不动啊，而且平时这飞机都是朝前和朝下发射导弹的，你这个气球现在身居九天之上，我飞机只能大头朝上，不好用力啊。正所谓“鸿鹄高飞，一举万里。虽有矰缴，尚安所施？”洋鬼子们要是不懂这句话，就让他们自己问ChatGPT吧。
你可能会问，让无人机拿着白朗宁冲过去给他几枪，不就行了吗？多大个事儿啊。首先，无人机也飞不了那么高。另外，就算子弹打几个眼，那个漏气漏起来也太慢了：如果是1厘米的洞，气球里的气一两天是漏不完的——很简单的算术题，留给ChatGPT做吧。另外，如果你飞机飞得太近，气球打不爆也还罢了，要是真的打爆了，碎片很容易卷进飞机发动机的，那时候就不知道是飞机打气球还是气球打飞机了。
近日有消息说，山东日照附近海域发现不明飞行物，有关部门正准备击落。好了，果真如此的话，我们有什么办法可以把气球打下来呢？我们当然可以用导弹把它打下来，但是这个方法挺费钱的；我们也可以用竹竿子把它捅下来，但这是独门绝技，不到关键时刻是不会轻易拿出来用的。
我觉得最好的方法是用激光炮，最好是机载的那种。随便派个飞机飞过去，不需要飞得多高，只要跑到云层之上就行了，一万米肯定够了。我们刚才算过，60米的气球，30公里的距离，视张角是2个毫弧度，也就是一枚硬币放在5米远的距离上，都不用许海峰，我上我也行的。20厘米口径的望远镜，功率1千瓦的激光器（脉冲式的更好），就可以让光束在气球上聚焦到40厘米的大小（这里涉及到衍射极限和光学仪器口径的关系，都是大学物里中光学的基本内容），绝对是一打一个大窟窿！正所谓，“谈笑间，樯橹灰飞烟灭！”各位观众，各位听众，大家早上好中午好下午好晚上好，我的故事讲完了。请大家说说这个故事讲得怎么样？会跳墙的也麻烦去跳墙比一下，看看他ChatGPT，会不会这么玩呢？
切，什么ChatGPT， 真的比得上我们CheapGPT吗？

出品：科普中国

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