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原子核科学与技术的“真相” 精选

已有 7695 次阅读 2022-11-5 15:11 |系统分类:科普集锦


假如有读者浏览此文时产生“标题党”的感觉,本文作者将深表遗憾。那么既然事先有这样的预见,为什么还要用“真相”这样的题目呢?这是因为作者感到,社会公众所看到的原子核科学与实际情况相差了十万八千里,公众总体印象实在过于离谱,因而有必要用一个哪怕可能是稍微耸人听闻的题目,希望引发偶尔走过、路过读者们的一点共鸣。


本文简单讨论的问题包括两方面:一是原子核科学在多大程度上深入到了社会经济和生活中;二是原子核科学在多大程度上处于现代科学的最前沿。

 

1、  核科学与人类社会经济生活的关系

 

核科学并不是远离现实的高大上,离我们生活并不遥远,而且随着时间的推移会越来越近。如果对于核技术在生活中具体应用方面所知不多,那么推荐读者稍微关注一下这方面相关领域,毕竟现在已经是21世纪了。

 

这里我列举几个经济学的统计数据,这个数字来自于中科院高能所柴之芳院士的一个报告,这个报告在网络上也很容易找到,这里我给二个链接:https://www.cnnpn.cn/article/25313.html https://m.thepaper.cn/baijiahao_13817454 在这个报告中有几个数据:在美国20多万亿美元的国内生产总值(即常说的GDP)中,核技术产业规模占 4-5%[即在美国每年核技术的产值 8000-10000 亿美元]、欧洲日本大约占 2-3%,因此全球核科学产业规模在数万亿美元。读者可能对于国民生产总值百分之三到五的这样小比例不以为然,觉得可有可无;然而如果认知到这些都是现在的“高科技”,就不该无动于衷了,因为在国内生产总值中相当大的比例属于衣食住行方面的基本需求。

 

提起高科技,人们立即想到的关键词是半导体产业。前段时间看到一篇文章,标题为 “2021年全球半导体行业销售额达到创纪录的5559亿美元,同比增加26.2%”[https://www.21ic.com/a/920913.html]。在媒体上被如此热炒的半导体产业(美国打压中国经济发展的最重要举措之一)与核技术的市场规模相比尚如此不足,其它概念如量子计算、人工智能等目前市场规模相对而言就更小了。从这些数字对比,立即就看到核科学技术在全球国民经济中的重大地位,可以说核技术产业规模在全球产业中对于国民经济(GDP)的贡献显然遥遥领先于报刊中热炒的那些时髦产业。

 

本文不拟仔细讨论核科学技术到底贡献具体在哪些方面这个话题,读者可以在网络上搜索相关文章。我举两个实例:一是核能,许多人知道核能,其实核能在核技术产业中只占约四分之一到五分之一;二是癌症治疗,最近人们听说重离子治癌在国内已经开始建立专门医院,知道这是最合适的途径。 

 

遗憾的是,如此重要核技术产业,我国核技术年产值只有4000 亿元人民币左右(近年均增长率超20%)。这方面发展如此薄弱的一个自我开脱的理由是,我们国家底子薄,不过现在国家经济相对而言蒸蒸日上,中国有超级规模的工程师队伍,如果国家有强大意志最终要大力发展核技术相关产业,或者来自民间最顶级的英才、领袖们意识到这个领域的重大意义和宽广未来,这个产业的兴旺是可以预期的,正如我们过去在房地产、基建方面看到的一样。任何一个领域乃至国家民族的兴盛,都需要顶级英才和领袖;作为国民一员,衷心呼唤未来的英才和领袖们加入到创造中国历史的洪流中。毫无疑问地,核科学技术真是人类社会未来经济领域中一块色香味俱全的大蛋糕。


为什么核科学技术会越来越重要?这是因为原子核具有独特的性质,因而可以利用对于核体系的认识为人类服务。原子核是以强相互作用为主的,与通常的以电磁力为主导的系统很不相同。因为这方面原因,原子核的寿命可以短至10的负22次方秒量级以下[百万亿亿分之一秒],可以长至1024次方年[亿亿亿年,而宇宙年龄只有百亿年量级…, 所以有些核素才是真正的“长久”];原子核的能标是MeV 对应的温度在100亿度;在原子中虽然原子核的空间尺度很小,但是占了整个原子质量的99.9% 以上等等。原子核这个量子系统具有远超出平常想象的独特性质,例如它的激发态有时比基态更稳定[例如Ta-180 基态寿命只有8小时左右,不过它的一个所谓同质异能态(激发态)迄今从未观测到衰变,寿命至少在1015次方年]等等。

 

谈到核科学的重要性时,不能不再次提核能和反应堆,这是爱因斯坦E=mc平方的直接验证,也不能省略国际合作项目ITER, 那是推动人类社会可持续发展的重要途径!

 

 

2、  核科学与人类社会认知的最前沿

 

 在上世纪核科学是主流学科之一,有三十多位因为在核科学方面的贡献被授予诺贝尔奖。不过在九十年代之后一段时间,核科学似乎渐渐排斥于学界主流之外;相比而言凝聚态、软物质、激光技术、材料科学更受到重视,甚至粒子物理和现代宇宙学都比相对而言“传统的”核物理更受待见。在二战结束至今,美国是全球科技领先的地方,引领全球科技潮流;美国的学者怎么看、怎么做,其它国家和地区就会模仿跟踪;美国的科学明星说什么是重要的,其它地方的人多数通常也那么说。传统核物理在上世纪末那段在美国学术界地位上相对衰落[或者音量降低]原因可能比较复杂,不过也可能是领袖人才的问题。一个国家民族发展方面人才第一位、一个学科发展当然也是如此。当核科学处于九十年代低落的时期,一些大学居然曾到了取消核物理专业招生的地步;自然也是受这个大潮的影响。

 

不过形势比人强,在新世纪开始后,核科学的重大意义又从国家层面上被认识。无论从基础研究还是技术发展方面,国内外核物理又被提到了比较高的位置上。核技术方面前面已经谈过了不再赘述。近二十年来,国际上很多的核科学大装置不断建造和升级,国内一些取消核物理专业的地方恢复“建制”,一些高校创建新的核科学与技术学院,核科学方面的毕业生找工作也相对容易。

 

在整体上核科学的发展逐步受到越来越多的重视的一个信号是科学共同体中精英人物对核科学重大意义的充分认知。这里我举一个简单明了的实例。2021年上海交通大学建校125周年,“… … 上海交通大学联合《科学》杂志,面向全球征集125个科学问题,以引领科学发展,鼓励开展创新性、交叉性和前瞻性研究,状貌未来,探索创新。问题征集的消息发布后,得到了全球科学家、青年学者、世界顶尖科学家协会等学术组织的积极响应,问题凝聚了《科学》/美国科学促进会编辑与学术圈,诺贝尔奖、沃尔夫奖、拉斯克奖、图灵奖、麦克阿瑟天才奖获得者等全球知名科学家和青年学者,上海交大师生以及社交媒体的共同智慧。此次问题涉及数学、化学、医学健康、生命学科、天文学、物理学、信息科学、材料科学、神经科学、生态学、能源科学和人工智能多个领域… ”[见网页https://news.sjtu.edu.cn/jdyw/20210410/145415.html], 在这125个问题中有4个问题是核科学基础研究的重要问题。这里我列举一下:

 

1、  Will the periodic table ever be complete?

2、  Where do the heavy elements in the universe come from ?

3、  How are the pulsars formed ?

4、  Is it possible to understand the structure of compact stars and matter ?

 

这几个问题的后续解读在网上有公开资料,感兴趣的读者自行查阅。考虑到当今核物理专业方向的发展规模,原子核科学在人类面临的重大科学问题中所占比例之大是不言而喻的。

  

3、  核科学技术前景

 

核科学是当今科技最前沿吗? 假如有读者问这个问题时,或许应该思考一下类似的问题,如农业是否依然重要、是否依然受到重视,或者天文学是否依然重要。一个领域如果密切关系到国计民生,那么就应该受到重视;如果密切关系到理解宇宙演化细节的认知,那么就是科学最前沿。

 

前面提到的元素周期表问题,指的是核科学实验室内合成的超重元素问题,更重元素合成越来越有挑战性。其实与此相关的还有一个更重大的问题,是超重区域是否存在一个“稳定岛”;如果存在“稳定岛”,如何登上去。如果有朝一日人类真的合成了稳定的超重核素, 必将对于技术和材料等方面产生难以预知的重大影响。

 

核科学当时关系到国计民生,当然也关系到如何理解宇宙。星系演化过程大量牵涉到核反应过程,涉及到远远未知的核物理知识,核科学很重要不是很自然的吗?!目前在实验室内能够做的实验还受各种条件限制,许多在天体物理过程中起重要作用的核素还没有合成出来,理论计算方面还不够精确[外推性很差],甚至被认为[例如著名理论学家Bohigas]有一个预言的精度上限。原子核这个量子多体系统实在是太复杂了;即使现在科技发展似乎一日千里,人类面对原子核依然是路漫漫而任重道远。

 

前段时间有年青人私下里抱怨,说到外面讲核物理略有一点儿不舒适,不像其它学科一上来就有一堆色彩斑斓的图片那么吸引听众,觉得介绍自己学科的前沿时显得没有信心。因此我做这一点这方面的工作,写这篇短文也有这方面的考虑。

 

核物理作为基础学科,因为挑战性的重大科学问题太多,难以象有些科学领域那样有一个相对固定的、甚至被使用数以千次万次的图片作为报告的背景,这确实是实际情况,需要有心用心的学者们想办法[日本著名学者有马朗人曾经私下里说:原子物理的许多过程可以“真实”地演示出来给观众看;而很遗憾的是,原子核科学许多过程还根本不具备这样的展示条件]。核科学技术在经济生活中的重要意义被社会公众极大低估了,作为核科学基础部分的核物理被青年学生的认知中被极大低估了,核物理知识在物理教学中比重过低, 导致公众对于物质结构基本层次之一的原子核认知过少[远低于原子物理知识];改善这一现状需要很多学者们共同努力。改变我国在核技术领域的短板,大规模发展核技术应用,需要具有高屋建瓴视野的企业家;我国核技术领域相对于其它领域的发展是比较落后的,而这是一块前景十分广阔的行业。

 

总而言之,核科学领域不论在基础研究还是技术方面,未来都需要大量的英才和领袖人物,可谓海阔任鱼跃、天高任鸟飞。这方面基础研究显然是一个宏大的富有挑战性研究领域,而核技术方面则是一个规模巨大的市场。

 

个人浅见与读者交流,望大方之家指正。





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