以核电为代表的新能源

正如上节所说的以煤等不可再生资源为原料提供动力的缺点时，科学的发展发现了核能，核能克服了前者的不足，是一种具有强大生命力的新事物，核能的发现和利用体现了科学对人类越来越重要，是人类科学发展到一定程度的结晶。

当时间来到19世纪末期，牛顿开创的经典物理学进入了全盛时代，这样的伟大时期在科学史上是空前的，或许也是绝后的。当几乎所有人都认为物理学的体系已经足够完美而不需要人再做更多的研究的时候，1895年，伦琴（Wilhelm Konrad Rontgen）发现了X射线。1896年，贝克勒尔（AntoineHerni Becquerel）发现了铀元素的放射现象。1897年，居里夫人（Marie Curie）和她的丈夫皮埃尔·居里研究了放射性，并发现了更多的放射性元素:钍、钋、镭。1897年，汤姆逊（Joseph John Thomson）在研究了阴极射线后认为它是一种带负电的粒子流:电子被发现了。1899年，卢瑟福（Ernest Rutherford）发现了元素的嬗变现象。如此多的新发现接连涌现，令人一时间眼花缭乱。每个人都开始感觉到了一种不安，似乎有什么重大的事件即将发生。

1900年4月27日，在伦敦阿尔伯马尔街皇家研究所（Royal Institution，Albemarle Street），欧洲有名的科学家都赶来这里，聆听一位德高望重、以顽固出名的老人——开尔文男爵（Lord Kelvin）的发言。开尔文的这篇演讲名为《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》。当时已经76岁，白发苍苍的他用特有的爱尔兰口音开始了发言，他的第一段话是这么说的:“动力学理论断言，热和光都是运动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了……”（The beauty and clearness of the dynamical theory，which asserts heat and light to be modes of motion，is at present obscured by two clouds．）这两朵著名的乌云，分别指的是经典物理在光以太和麦克斯韦－玻尔兹曼能量均分学说上遇到的难题。再具体一些，指的就是人们在迈克尔逊－莫雷实验和黑体辐射研究中的困境。物理学这座大厦依然耸立，看上去依然那么雄伟，那么牢不可破，但气氛却突然变得异常凝重起来，一种山雨欲来的压抑感觉在人们心中扩散。新的世纪很快就要来到，人们不知道即将发生什么，历史将要何去何从。眺望天边，人们隐约可以看到两朵小小的乌云，小得那样不起眼。没人知道，它们即将带来一场狂风暴雨，将旧世界的一切从大地上彻底抹去。但是，在暴风雨到来之前，还是让我们抬头再看一眼黄金时代的天空，作为最后的怀念。金色的光芒照耀在我们的脸上，把一切都染上了神圣的色彩。经典物理学的大厦在它的辉映下，是那样庄严雄伟，溢彩流光，令人不禁想起神话中宙斯和众神在奥林匹斯山上那亘古不变的宫殿。谁又会想到，这震撼人心的壮丽，却是斜阳投射在庞大帝国土地上最后的余晖。

在经典物理学的大厦摇摇欲坠的时候，量子力学取得了巨大的发展。1902年，居里夫人经过三年零九个月的艰苦努力又发现了放射性元素镭。1905年，爱因斯坦提出质能转换公式。1914年，英国物理学家卢瑟福通过实验，确定氢原子核是一个正电荷单元，称为质子。1935年，英国物理学家查得威克发现了中子。1938年，德国科学家奥托·哈恩用中子轰击铀原子核，发现了核裂变现象。这一切事物冲击了经典物理学的根基，建立了量子力学的基础。爱因斯坦质能方程的提出，具有重大的意义，它是后来核能的理论基础，E＝mc2，E表示能量，m代表质量，而c则表示光速常量。在经典力学中，质量和能量之间是相互独立、没有关系的，但在相对论力学中，能量和质量是可互换的。质能转换方程说明了每当亏损很少的质量就可以产生巨大的能量，每当亏损一千克物质，其相当于28076431百万吨TNT所产生的能量。虽然奥托·哈恩是为纳粹德国服务，但是他同时也是一位和平爱好者，哈恩曾讲过这样的话:“我对你们物理学家们，唯一的希望就是，任何时候也不要制造铀弹。如果有那么一天，希特勒得到了这类武器，我一定自杀。”哈恩不愿让纳粹政权掌握原子能技术，拒绝参与任何研究。他是第一个用中子轰击铀原子核，使之产生裂变的科学家。爱因斯坦为原子弹和核能的利用奠定理论基础，奥托·哈恩将它付诸实践，人工核裂变的试验成功，是近代科学史上的一项伟大突破，它开创了人类利用原子能的新纪元，具有划时代的深远历史意义。

当核能的科学论证意见到了比较成熟的地步，核能的利用也逐渐开展起来，核能被用在两个方面，一是制造原子弹，二是利用核能发电。1942年12月2日，美国芝加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆。1945年8月6日和9日，美国将两颗原子弹先后投在日本的广岛和长崎。1954年，苏联建成了世界上第一座核电站——奥布灵斯克核电站。之后人类开始将核能运用于军事、能源、工业、航天等领域。美国、俄罗斯、英国、法国、中国、日本、以色列等国相继展开对核能应用前景的研究。由于核能发电不会像化石燃料造成大气污染，不会产生二氧化碳等温室气体，能源密度比化石燃料高几百万倍，所需燃料体积小，燃料费用低，发电成本稳定，所以现在世界上很多国家都开始兴建核能发电站，核能将为人类提供巨大的能源动力。

虽然核能发电拥有众多优点，但核能发电的缺点也逐渐暴露出来。1986年4月26日凌晨1点23分，乌克兰普里皮亚季邻近的切尔诺贝利核电厂的第四号反应堆发生爆炸。连续的爆炸引发了大火并散发出大量高能辐射物质到大气层中，这些放射性尘埃涵盖了大面积区域。这次灾难所释放出的辐射线剂量是第二次世界大战时期爆炸于广岛的原子弹的400倍以上。此次爆炸导致事故后的前3个月内有31人死亡，之后15年内有6～8万人死亡，1万人遭受各种程度的辐射疾病折磨，方圆30公里地区的1万多民众被迫疏散。2011年3月，里氏9．0级地震导致福岛县两座核电站反应堆发生故障，其中，第一核电站中一座反应堆震后发生异常导致核蒸汽泄漏，3月12日发生小规模爆炸，或因氢气爆炸所致。福岛核电站在技术上是单层循环沸水堆，冷却水直接引入海水，安全性无法保障。3月14日地震后发生爆炸。以上两起核电站事故，都给当地居民带来了严重的灾难，给人们心里蒙上了一层阴影，开始让人们怀疑是否有建核电站的必要，同时，也提醒各个国家政府在利用核能的过程中必须把安全放在首位。

与核电站事故相比，给人们带来更大威胁的是来自核能武器的威胁，现在俄罗斯和美国掌握着大量可以摧毁整个地球很多遍的核武器，与此同时，越来越多的国家已经拥有核武器或者已掌握了相应技术，整个世界变得越来越危险。为应对此威胁，1968年7月1日《不扩散核武器条约》分别在华盛顿、莫斯科、伦敦开放签字，当时有59个国家签约加入。该条约的宗旨是防止核扩散，推动核裁军和促进和平利用核能的国际合作。1970年3月该条约正式生效。截至2003年1月，条约缔约国共有186个。但是这条约掺杂较多政治因素，往往成为国家间政治博弈的工具，而偏离其本身原有的意义。当然，除了核能之外还有风能、太阳能、生物能源等新兴能源，随着科学技术的发展，也渐渐地为人类所认知利用。

纵观人类动力来源的变化，由最开始人类自身的动力——人力，到现在已经被广泛使用的水电、火电和新兴能源作为动力，人类社会发生了巨大变化，这正是一个人类认识自然、改造自然的过程。人类在不断地认识自然的过程中，掌握了大自然的规律，进而利用这些规律改造大自然。这是一个对人类体力进行模拟的过程，在这个过程中，充分表现了科学与技术对人类改造自然的作用，以及人类孜孜不倦的科学探索精神，这些都是人类宝贵的财富。

爱因斯坦的故事

图4．1．1　爱因斯坦

阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein，1879—1955年）（如图4．1．1所示）1879年3月14日出生在德意志帝国之符腾堡王国乌尔姆市［7］。他的父亲赫尔曼·爱因斯坦（Hermann Einstein）是一名商人。他的母亲宝琳·柯克（Pauline Koch）是一位音乐家。

1880年举家迁往慕尼黑，同年10月爱因斯坦的父亲与叔叔在新居住地创建了一间电机工程公司，专门设计与制造电机机器。

爱因斯坦在小时候并不是神童，但也不是很糟糕的学生。有故事说他直到3岁才开始说话。他是一个思维敏捷、聪明，但有时十分叛逆的学生，在语言方面不是十分出色，但在自然科学方面却表现十分出众。爱因斯坦常读科普书籍，喜欢了解最新的科研成果，特别是亚龙·贝恩斯坦所著的《自然科学通俗读本》对他兴趣的形成产生了重大影响。

由于他母亲的缘故，他从5岁开始就学小提琴，但在那时他并不喜欢小提琴。当他13岁时，他接触到莫扎特的小提琴奏鸣曲，从此就爱上了莫扎特的音乐。从那时起，音乐在爱因斯坦的生活中扮演了中心的角色。他虽然从未想过成为职业音乐家，但曾和一些专业人士一起在私人场合为朋友演奏过室内乐。在四五岁时，爱因斯坦有一次卧病在床，父亲送给他一个罗盘。当他发现指南针总是指着固定的方向时，感到非常惊奇，觉得一定有什么东西深深地隐藏在这现象后面。他一连几天很高兴地玩这罗盘，还纠缠着父亲和雅各布叔叔问了一连串问题。尽管他连“磁”这个词都说不好，但他却顽固地想要知道指南针为什么能指南。这种深刻和持久的印象，爱因斯坦直到67岁时还能鲜明地回忆出来。

1888年，爱因斯坦进入路易博德文理中学，在中学里，他喜爱上了数学课，却对那些脱离实际生活的其他课程不感兴趣。孤独的他开始在书籍中寻找寄托，寻找精神力量。就这样，爱因斯坦在书中结识了阿基米德、牛顿、笛卡儿、歌德、莫扎特……书籍和知识为他开拓了一个更广阔的空间。视野开阔了，爱因斯坦头脑里思考的问题也就多了。一天，他对经常辅导他数学的舅舅说:“如果我用光速和光一道向前跑，能不能看到空间里振动着的电磁波呢？”舅舅用异样的目光盯着他看了许久，目光中既有赞许，又有担忧。因为他知道，爱因斯坦提出的这个问题非同一般，将会引起出人意料的震动。此后，爱因斯坦一直被这个问题苦苦折磨着。

1895年爱因斯坦申请了瑞士苏黎世联邦理工学院，由于没有德国大学资格入学考试成绩，爱因斯坦需要当年夏天参加该校入学考试，他的朋友格罗斯曼虽然借笔记给爱因斯坦来准备，不过爱因斯坦并未在考前抓紧复习，而是选择去了北意大利游玩，因此，十六岁的他——身为当时最小的参考者，没有通过此次考试。他的自然科学考得很不错，但法语没考好。该校校长赫尔岑推荐他去瑞士的阿劳州立中学学习一年。在阿劳州立中学学习的这段时光使爱因斯坦感到十分愉快，这所学校的的理念是“概念思考是建立在‘直观’之上的”，完全符合他的需求。1896年10月，爱因斯坦参考瑞士大学入学考试，10月3日的成绩单上显示他有五科目皆取得最好的成绩。随后，爱因斯坦进入苏黎世联邦理工学院师范系学习物理学。他对学校的注入式教育十分反感，认为它使人没有时间、也没有兴趣去思考其他问题。幸运的是，窒息真正科学动力的强制教育，在苏黎世的联邦理工学院要比其他大学少得多。爱因斯坦充分地利用学校中的自由空气，把精力集中在自己所热爱的学科上。在学校中，他广泛地阅读了赫尔姆霍兹、赫兹等物理学大师的著作，他最着迷的是麦克斯韦的电磁理论。他有自学、独立思考的能力和习惯。该校物理教授海因里希·弗里德里希·韦伯很讨厌爱因斯坦，曾对他说:“你很聪明，但有个缺点，你听不进别人的话。”

1900年爱因斯坦大学毕业，由于他对某些功课不热心，以及对老师态度冷漠，被拒绝留校。当时正赶上经济危机爆发，由于他是犹太人血统，又没有关系，没有钱，所以只好失业在家。为了生活，他只好到处张贴广告，靠讲授物理获得每小时3法郎的生活费。这段失业的时间，给了爱因斯坦很大的帮助。在授课过程中，他对传统物理学进行了反思，促成了他对传统学术观点的猛烈冲击。经过高度紧张兴奋的五个星期的奋斗，爱因斯坦写出了9000字的论文《论动体的电动力学》，狭义相对论由此产生。可以说，这是物理学史上的一次决定性的、伟大的宣言，是物理学向前迈进的又一里程碑。尽管还有许多人对此表示反对，甚至还有人在报上发表批评文章，但是，爱因斯坦毕竟还是得到了社会和学术界的重视。在短短的时间里，竟然有15所大学给他授予了博士证书。1902年在大学同学格罗斯曼的父亲协助下，成为伯尔尼瑞士专利局的助理鉴定员，从事电磁发明专利申请的技术鉴定工作，1903年成为正式职员。他利用业余时间开展科学研究，和几个伯尔尼的朋友组成了名为“奥林匹亚学院”的讨论组，讨论科学和哲学。

1905年，对爱因斯坦和整个物理学界都是意义不同寻常的一年。爱因斯坦在这一年发表了六篇划时代的论文，分别为:《关于光的产生和转化的一个试探性观点》《分子大小的新测定方法》《基于热分子运动论的静止液体中悬浮粒子的运动研究》《论动体的电动力学》《物体的惯性同它所含的能量有关吗？》《布朗运动的一些检视》。因此这一年被称为“爱因斯坦奇迹年”。他在三个领域作出了四个有划时代意义的贡献，在这短短的半年时间，爱因斯坦在科学上的突破性成就，可以说是“石破天惊，前无古人”。即使他就此放弃物理学研究，即使他只完成了上述三方面成就的任何一方面，爱因斯坦都会在物理学发展史上留下极其重要的一笔。爱因斯坦拨散了笼罩在“物理学晴空上的乌云”，迎来了物理学更加光辉灿烂的新纪元。

1915年爱因斯坦发表了广义相对论。他所作的光线经过太阳引力场要弯曲的预言，于1919年由英国天文学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿的日全蚀观测结果所证实。1916年他预言的引力波在1978年也得到了证实。爱因斯坦和相对论在西方成了家喻户晓的名词，同时也招来了德国和其他国家的沙文主义者、军国主义者和排犹主义者的恶毒攻击。1921年爱因斯坦因在光电效应方面的研究获授诺贝尔物理学奖。不过在瑞典科学院的公告中并未提及相对论，原因是认为相对论存在争议。

1933年1月纳粹党攫取德国政权后，爱因斯坦成为科学界首要的迫害对象，幸而当时他在美国讲学，未遭毒手。3月他回欧洲后避居比利时，9月9日发现有准备行刺他的盖世太保跟踪，星夜渡海到英国，10月转到美国担任新建的普林斯顿高等研究院的教授。1939年他获悉铀核裂变及其链式反应的发现，在匈牙利物理学家利奥·西拉德推动下，上书罗斯福总统，建议研制原子弹，以防德国抢先。第二次世界大战结束前夕，美国在日本广岛和长崎两个城市上空投掷原子弹，爱因斯坦对此表示强烈不满。战后，为开展反对核战争和反对美国国内右翼极端分子的运动进行了不懈的斗争。1955年4月，爱因斯坦被诊断出患有主动脉瘤，18日午夜在睡梦中感到呼吸困难，主动脉瘤破裂导致大脑溢血破裂，而逝世于普林斯顿。

爱因斯坦是20世纪伟大的犹太裔理论物理学家，创立了相对论，现代物理学的两大支柱之一（另一个是量子力学）。虽然爱因斯坦的质能方程E＝mc2最著称于世，他是因为“对理论物理的贡献，特别是发现了光电效应”而获得1921年诺贝尔物理学奖。爱因斯坦总共发表了300多篇科学论文和150篇非科学作品。爱因斯坦被誉为是“现代物理学之父”及二十世纪世界最重要科学家之一。他卓越的科学成就和原创性使得“爱因斯坦”一词成为“天才”的同义词。