史上最大核彈已成歷史,核武器如何影響了人類的「科技樹」?

核武器的研發，或許是人類歷史上離「作死」最近的一次。

日前，俄羅斯國家原子能公司發布了一部長達30分鐘的紀錄片，首次揭秘人類史上威力最大的核彈「沙皇炸彈」試爆的細節。這是人類歷史上所製造的所有類型的炸彈中，體積、重量、威力都最為強大的一枚炸彈。

「沙皇炸彈」當量約為5000萬噸TNT炸藥，威力約等於3800枚廣島原子彈。其爆炸時產生的蘑菇雲寬度超40千米，高度約64千米，火球在1000公裡外都能夠看到，而爆炸後據說連亞歐大陸板塊都向南邊推進了9毫米。

（視頻截圖）

幸運的是，威力如此巨大的核武器已經在歷史中塵封。更加幸運的是，為了研製核武器而進行的諸多核能相關研究，不僅帶來了核電這種清潔能源，還深遠地影響了人類的「科技樹」。

核電與核裂變

核電的發明對人類能源發展史的貢獻毋庸置疑。

1938年，3名科學家在柏林威廉二世化學研究所裡首次發現了核裂變現象。他們用鐳和鈹的混合物當作中子源，用石蠟減緩了發出的中子的速度，並讓其照射鈾樣本。

當中子轟擊鈾樣本時，核裂變發生了。一個鈾核吸收了一個中子，隨後分裂成兩個較輕的原子核，在這個過程中質量發生虧損，放出大量能量，並產生兩個或三個新的中子。而在一定的條件下，新產生的中子會繼續引起更多的鈾原子核裂變，這就是鏈式裂變反應。

這改變了當時人們對原子的認知：著名物理學家尼爾斯·玻爾(Niels Bohr)的理論假設，原子分裂的方式與水滴相同，更多人則普遍認為，用中子轟擊鈾原子會像削蘋果一樣，敲下鈾原子的碎片，而鈾原子基本保持完整。

利用核裂變反應進行發電，不會像傳統化石燃料一樣產生有害和溫室氣體，能源效率也達到了新的高度：木材加熱的效率通常為60%或更低，煤炭加熱的效率在適當控制下可以達到70-90%，而核能的效率是這些資源的8000倍。

核電的可持續性也足夠優秀：一個受到良好控制的核裂變反應可以持續產生24-36個月的能量，一個用於發電的核裂變工廠的設計壽命為30-50年，而地球的鈾儲備最少夠所有反應堆使用一個世紀。

根據世界核能協會的數據，截至2018年1月，全球30個國家和地區共有440個核電機組，總裝機容量為390吉瓦，發電量約佔全球發電量的11%。

無處不在的放射性同位素

放射性同位素則是核武研究的另一種技術「遺產」。儘管早在1935年，居裡夫婦就因發現了放射性同位素而獲得諾貝爾獎，但由於核武器的研製活動，這種特殊的原子才得以在人類的科技發展史上留下重要地位。

曼哈頓計劃(Manhattan Project)是二戰期間研發與製造原子彈的一項大型軍事工程。排除其軍事目的，這項工程是科學史上的一大盛況——僱傭了超過13萬人員，花費了將近20億美金，超過90%的費用用於建造工廠和製造核裂變的原材料。

有賴於曼哈頓計劃的巨大投資，核反應堆出現了，放射性同位素被大量生產，並且廣泛用於科研工作。

在二戰之前，同位素可以從天然物質中分離，也可利用回旋加速器產生。但由於其非常稀缺，只有少數人才能將其用於研究。

而據原子能委員會估計，橡樹嶺反應堆生產的碳-14的量，等於一千個回旋加速器的產量，而成本價格僅是回旋加速器的一萬分之一。

曼哈頓計劃的民間繼承者——原子能委員會(Atomic Energy Commission)降低了一些最廣泛使用的同位素的價格，並向科學家進行正確處理放射性物質的培訓。

他們在1948年啟動了一個項目，為癌症的診斷、治療和研究免費提供同位素，收件人只需支付運費即可。

普林斯頓大學的科學歷史學家Angela Creager表示：「我認為，如果沒有發展升級，同位素永遠不會有如此廣泛的應用。(橡樹嶺)反應堆是政府建造的，也是曼哈頓項目的一部分。沒有一個人會為了得到放射性同位素，而投資建設這種基礎設施。甚至生產和運輸成本也得到了政府的高度補貼。」

時至今日，放射性同位素的應用遍及各個領域：從綠色植物的光合作用，到僅需幾百元的消費級基因檢測，再到生態循環系統。

在醫學領域，放射性同位素能夠用於診斷、治療：利用放射性同位素在不同組織器官的分布特點，採用核素造影的方式，可以顯示異常病變部位;用鈷60照射可以治療腫瘤，用磷32可以治療皮膚病，用碘131則可以治療甲狀腺疾病。

放射性同位素還可以作為示蹤劑，在各個領域許多科學研究中發揮重大作用。這其中包括著名的光合作用研究：

1945年，加州大學伯克利分校的化學家Melvin Calvin將光合作用的綠藻暴露在標記有C-14的二氧化碳中，闡明了光合作用將二氧化碳轉化為碳水化合物的路徑。

放射性磷-32讓研究人員能夠探測DNA的特性：

1952年，Alfred Hershey和Martha Chase在他們的部分工作中使用了來自橡樹嶺的磷酸化-32，以證明構成基因的是DNA，而不是蛋白質。

研究人員還能使用它來研究生態系統循環和氣候科學：

20世紀40年代中期，生態學家G. Evelyn Hutchinson向康乃狄克州林斯利塘的地表水中釋放了微量的放射性磷-32，以研究在幾周的時間內，營養物是如何在水、泥、藻類和植物中循環的。

主要基於華盛頓州漢福德反應堆附近的另一項研究利用放射性同位素揭示了放射性汙染物是如何在動物和植物中聚集的。

密西根大學的歷史學家Paul Edwards也指出，氣候科學和核武器試驗有著長期而令人驚訝的密切關係。追蹤放射性碳在大氣、海洋和生物圈中的循環，對於理解人為氣候變化至關重要。

世界頂尖的科研設施

核武器研究所遺留下來的最知名的科研設施無疑是美國的橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)。

橡樹嶺實驗室最初是作為美國曼哈頓計劃的一部分，以生產和分離鈾和鈽為主要目的建造的，如今已經成為全球頂尖的科研院所，在中子科學、複雜生物系統、能源、先進材料、國家安全和高性能計算等領域都久負盛名。

美國的超級計算機Titan、Summit誕生於這裡，它們可以被用於計算複雜的氣候變化，預測新藥物的設計，勘探地下油田，還能幫助自動駕駛技術的開發。

曼哈頓計劃的另一些關鍵地點包括新墨西哥州洛斯阿拉莫斯實驗室(Los Alamos laboratory)和漢福德(Hanford)的國家實驗室，前者曾經製造了世界首顆原子彈和氫彈，後者則建立了世界上第一個以鈽運作(生產鈽)的核反應堆。

如今，洛斯阿拉莫斯實驗室從事包括黑洞、雲計算和氣候變化等各種課題的基礎研究，還利用基因組學來診斷新冠病毒病例。它由能源部與加利福尼亞大學聯合管理，共有1.2萬名僱員，每年經費預算高達21億美元。

在漢福德基地的基礎上則建立了西北太平洋國家實驗室(Pacific Northwest National Laboratory)，如今擁有4000多名科學家，是美國能源部最重要的化學、環境科學和數據分析實驗室。PNNL最大的單個用戶裝置是環境分子科學實驗室，其每年擁有約4000萬美元的預算。2015年，該實驗室參與了重力波的探測。

阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory，簡稱 ANL)也是從曼哈頓計劃的一部分、芝加哥大學的冶金實驗室的基礎上發展而來，後來成為了民用核能項目的所在地。它在Argonne West(現在的愛達荷國家實驗室)建造了世界上第一個動力反應堆——實驗性增殖反應堆。

數年來，阿貢的研究不斷擴大，包括了基礎科學、科學設施、能源資源計劃、環境管理、國家安全、工業技術開發等許多領域。1990年以來，阿貢曾與600多家公司、無數的聯邦政府部門以及其他組織一道工作。

前阿貢實驗室主任 Robert Rosner表示，這些實驗室除了研究基礎科學和應用科學之外，還保留了一種商業上並不普遍的研究模式：將不同領域的科學家、工程師和其他專家整合在一起的。

「整合團隊是國家實驗室背後的秘密，」他說，「大學傳統上做不到這一點。我們有物理系，化學系，還有數學系。」

他說，很少有商業企業能夠負擔得起這些實驗室那樣的研發費用，「問問你自己，AT&T或Verizon這類的公司，他們有大型的基礎研究實驗室嗎?」

除了實驗室等研究機構之外，《全面禁止核試驗條約》組織在全球建立的一個由數百個監測站組成的國際監測系統(InternationalMonitoringSystem,IMS)也算得上是核武器研究的「遺產」之一。

該網絡原先被用於追蹤核武器試驗放射性塵埃，如今也可以被用於追蹤日本福島核電站事故後空氣中的放射性洩漏，監測地震、海洋中由自然和人為事件所引起的聲波、大氣中的低頻聲波等。

(圖：IMS的地震與放射性核素監測站分布)

許多人稱核武器為人類史上最糟糕的發明，連著名科學家愛因斯坦都曾在他1950年出版的著作《Out of My Later Years》中表達後悔：「如果我早知道德國人造不出原子彈，我連一根手指都不會動。」

(1939年，當聽聞納粹德國正在研究原子彈時，愛因斯坦寫信給美國總統羅斯福，要求他啟動一項研究原子彈的政府計劃，這就是「曼哈頓計劃」的起源。)

但科學本無罪，毀滅地球還是造福全人類，都取決於使用它的人。即使是曾經用於開發危險核武器的科技，如今也已經在現代科學中「遍地開花」，從太空探索到醫療健康、環境保護，處處可見它們的身影。

編譯/前瞻經濟學人APP資訊組

參考資料：

https://www.sciencedaily.com/releases/2012/07/120713091631.htm

https://www.insidescience.org/manhattan-project-legacy/radioisotopes

https://vittana.org/14-advantages-and-disadvantages-of-nuclear-fission

https://wonderfulengineering.com/north-koreas-nuclear-tests/

https://www.iaea.org/newscenter/news/pioneering-nuclear-science-discovery-nuclear-fission

https://www.stripes.com/news/from-the-manhattan-project-a-legacy-of-discovery-and-a-national-burden-1.640214

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