可再生與可持續(xù)能源篇（上）

作者簡(jiǎn)介：歐陽(yáng)鐘燦，理論物理學(xué)家，1968年畢業(yè)于清華大學(xué)自動(dòng)化系，1984年獲得博士學(xué)位，1997年當(dāng)選中國(guó)科學(xué)院院士，2003年當(dāng)選第三世界科學(xué)院院士。擔(dān)任中國(guó)博士后科學(xué)基金會(huì)理事會(huì)副理事長(zhǎng)，北京市科協(xié)常務(wù)理事，中國(guó)物理學(xué)會(huì)常務(wù)理事、液晶物理分會(huì)會(huì)長(zhǎng)，國(guó)際刊物International Journal of Modern Physics B，Journal of Computational and Theoretical Nan science， SoftMaterial以及 Electronic Communication of Liquid Crystals的編委。他在軟凝聚態(tài)物理、統(tǒng)計(jì)物理等領(lǐng)域作出了多項(xiàng)貢獻(xiàn)， 在國(guó)際著名刊物發(fā)表論文100多篇，出版英文專著l部 Geometric Method in the Elastic Theory in Liquid crystal Phases （合著），并將其擴(kuò)增為中文版《生物膜泡曲面彈性理論》。

一 、21世紀(jì)物理學(xué)必須面對(duì)能源和氣候問(wèn)題

21世紀(jì): 物理學(xué)從“大科學(xué)”向“小科學(xué)遍地開(kāi)花”轉(zhuǎn)變；

半導(dǎo)體的發(fā)明促成人類進(jìn)入信息技術(shù)（IT）時(shí)代；

人類期待的能源無(wú)虞原子能時(shí)代沒(méi)有到來(lái)，反而面臨能源短缺與氣候變暖；

研究經(jīng)費(fèi)向可再生能源、可持續(xù)能源的研究?jī)A斜。

無(wú)論從哪個(gè)角度看，20世紀(jì)都是物理學(xué)帶動(dòng)世界科學(xué)技術(shù)大發(fā)展的時(shí)代。內(nèi)燃機(jī)、電氣化、無(wú)線電、飛機(jī)是20世紀(jì)前十年世界技術(shù)進(jìn)步的象征，它們都是基于19世紀(jì)物理學(xué)基礎(chǔ)研究的成就，如統(tǒng)計(jì)物理與熱力學(xué)、麥克斯韋爾的電磁場(chǎng)理論、流體力學(xué)等發(fā)展起來(lái)的。它們大大地解放了人類的生產(chǎn)力，提高了人類的生活水平，因此，列寧給人類的理想社會(huì)--共產(chǎn)主義下了一個(gè)著名的定義：“蘇維埃加電氣化”。

20世紀(jì)初期，物理學(xué)的兩大發(fā)現(xiàn)，普朗克的量子論與愛(ài)因斯坦提出的相對(duì)論更是為人類向自然索取提供了無(wú)限可能性，愛(ài)因斯坦的質(zhì)能關(guān)系E=mc²，使我們懂得一火柴盒的鈾釋放的能量可以抵過(guò)好幾列火車的煤。但是，20世紀(jì)并沒(méi)有帶給我們憧憬的不用為能源發(fā)愁的原子能時(shí)代，二次世界大戰(zhàn)及其結(jié)束后持續(xù)多年的冷戰(zhàn)，把最優(yōu)秀的物理學(xué)家?guī)缀跞考械絿?guó)防及武器裝備有關(guān)的研究，超音速飛機(jī)、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、雷達(dá)、激光、計(jì)算機(jī)、核裂變和聚變等20世紀(jì)物理科學(xué)的尖端技術(shù)無(wú)不帶有這種背景。在這種集中支持架構(gòu)下，如美國(guó)NASA（宇航局）與DOE（能源部，原先是專為發(fā)展原子武器的AEC），帶給基礎(chǔ)物理研究“大科學(xué)”的特點(diǎn)。但冷戰(zhàn)結(jié)束后，大科學(xué)的統(tǒng)治地位受到挑戰(zhàn)，美國(guó)SSC（超導(dǎo)大型加速器）的廢止便是一個(gè)例子。而這種趨勢(shì)到21世紀(jì)愈演愈烈，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室在2007年遭到一次巨大打擊，甚至準(zhǔn)備裁員200人。在美國(guó)國(guó)會(huì)2008年度財(cái)政撥款中，國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)（ILC）的研發(fā)經(jīng)費(fèi)比預(yù)期減少了75%，這些經(jīng)費(fèi)轉(zhuǎn)而投入可再生能源、清潔煤燃燒等方面的研究。而從2007年10月到2007年底，負(fù)責(zé)ILC設(shè)計(jì)的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)花完了剩下的25%經(jīng)費(fèi)。同時(shí)受到影響的還有美國(guó)SLAC的B介子工廠，將比預(yù)計(jì)提前7個(gè)月結(jié)束取數(shù)。在2008年度的預(yù)算中，美國(guó)國(guó)會(huì)不顧總統(tǒng)提出的不增不減的預(yù)算需求，堅(jiān)持將可再生能源、能源效率和核能的研發(fā)經(jīng)費(fèi)增加30%，達(dá)到約13億美元；清潔煤和其他化石燃料的研發(fā)經(jīng)費(fèi)增加了13%，達(dá)到5.57億美元。然而，盡管核能項(xiàng)目的總體經(jīng)費(fèi)有所增加，布什總統(tǒng)提出的“全球核能合作計(jì)劃”的預(yù)算需求卻被削減一半以上，只獲得了1.81億美元，該計(jì)劃旨在促進(jìn)核廢料的回收處理研究。能源部科學(xué)辦公室也深受打擊。雖然其總體科學(xué)經(jīng)費(fèi)增加了4.6%，達(dá)到40億美元，但絕大部分增加額均用于超級(jí)計(jì)算機(jī)和生物學(xué)研究。國(guó)會(huì)不僅扣留了能源部承諾為國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）提供的1.6億美元經(jīng)費(fèi)，而且還大刀闊斧，將國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)的經(jīng)費(fèi)從6000萬(wàn)美元調(diào)到1500萬(wàn)美元。另外，英國(guó)也從ILC的R&D;研究中撤出。美國(guó)國(guó)會(huì)2008年度財(cái)政撥款還同時(shí)撤出了國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）項(xiàng)目中美國(guó)應(yīng)承擔(dān)的部分?？梢灶A(yù)見(jiàn)，LHC開(kāi)始運(yùn)行后，世界高能物理實(shí)驗(yàn)研究的中心將轉(zhuǎn)移到歐洲。物理“大科學(xué)”開(kāi)始向“小科學(xué)遍地開(kāi)花”的局面轉(zhuǎn)移，戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)代為通信、精密測(cè)量服務(wù)的半導(dǎo)體研究流向民用企業(yè)，并得到了極大發(fā)展，巴丁發(fā)明的三極管促成了集成電路的誕生，為21世紀(jì)的信息化時(shí)代順利到來(lái)打下了物質(zhì)基礎(chǔ)，使IT（Information Technology）出現(xiàn)了摩爾定律：每18個(gè)月電腦的成本下降一半。2007年是半導(dǎo)體發(fā)明60周年，也是超導(dǎo)理論發(fā)現(xiàn)50周年，而巴丁在這兩個(gè)領(lǐng)域都取得了重大成就，并因此獲得兩次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，成為至今唯一一位在同一學(xué)科兩獲諾獎(jiǎng)的科學(xué)家。

但是，依靠大科學(xué)的核裂變、聚變的研究, 進(jìn)入新千年仍然沒(méi)有給人類帶來(lái)能源無(wú)虞的原子能時(shí)代。相反，2005年2月簽署的二氧化碳減排的京都議定書(shū)，2007年底的聯(lián)合國(guó)巴厘島氣候變化會(huì)議，以及由美國(guó)前副總統(tǒng)戈?duì)柵c聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專家小組（IPCC）分享的2007年度諾貝爾和平獎(jiǎng)——“人類只有一個(gè)地球”，進(jìn)入21世紀(jì)的前十年的一系列牽涉所有國(guó)家的環(huán)境氣候變化問(wèn)題都能讓人感到，人類生存環(huán)境的問(wèn)題愈來(lái)愈成為世界的焦點(diǎn)。在確保能源供應(yīng)無(wú)虞、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)以及環(huán)境保護(hù)議題上，現(xiàn)今科技還無(wú)法提供必要解決方案的想法。能源不僅對(duì)中國(guó)而且對(duì)世界每個(gè)國(guó)家都極其重要。在人類未來(lái)50年所面臨的十大問(wèn)題中，能源首當(dāng)其沖。如果世界人口以目前的增長(zhǎng)率繼續(xù)增長(zhǎng)的話，到2050年世界人口將從現(xiàn)在的63億增長(zhǎng)至100億。按照我們現(xiàn)在的了解，還沒(méi)有足夠的能源來(lái)滿足100億人口的需要。世界每天都在使用越來(lái)越多的能源，我們正在耗盡地球的能源。因此，必須采取果斷的行動(dòng)來(lái)改變這種現(xiàn)狀。我們不能僅僅從經(jīng)濟(jì)利益出發(fā)使用現(xiàn)階段相對(duì)廉價(jià)的化石燃料，而應(yīng)該從保護(hù)資源和環(huán)境的考慮出發(fā)，盡量少使用化石能源，盡可能使用無(wú)污染的可再生能源。

二、物理學(xué)在應(yīng)對(duì)環(huán)境和能源的挑戰(zhàn)下應(yīng)該如何發(fā)展

物理學(xué)已經(jīng)為IT服務(wù)了50年，現(xiàn)在要從IT轉(zhuǎn)到ET；

老一輩物理學(xué)家的重托：中國(guó)的核聚變不要緊跟國(guó)外；

P. 安德森：20世紀(jì)最后10年的青年研究者正在受SCI拖累。

21世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展目標(biāo)就是國(guó)際純粹應(yīng)用物理聯(lián)合會(huì)（IUPAP）的觀點(diǎn)--物理學(xué)研究要聯(lián)系能源和氣候問(wèn)題。2007年，IUPAP副主席陳佳洱院士從巴西帶回了一封IUPAP主席關(guān)于能源問(wèn)題的公開(kāi)信，其中提出物理學(xué)要注意兩件世界大事：能源短缺和氣候變暖，認(rèn)為物理學(xué)如果不參加進(jìn)來(lái)，將很可能被邊緣化。IUPAP在其關(guān)于能源和氣候問(wèn)題的報(bào)告中專門提到中國(guó)、印度、巴西的經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)世界能源的壓力。2007年10月舉行的中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所新一屆學(xué)術(shù)委員會(huì)第一次大會(huì)，北京大學(xué)甘子釗院士提出一個(gè)建議：物理學(xué)已經(jīng)為IT服務(wù)了50年，但是現(xiàn)在要從IT轉(zhuǎn)到ET，即服務(wù)能源（Energy）和環(huán)境（Environment）科技。兩彈一星功勛獎(jiǎng)獲得者彭桓武先生在去世前最關(guān)心的問(wèn)題就是能源，認(rèn)為物理不能只關(guān)注純粹的理論，還要關(guān)心國(guó)家需求。1990年，他在《物理》雜志發(fā)表文章就預(yù)測(cè)21世紀(jì)物理兩大發(fā)展方向之一就是發(fā)展核聚變。在他晚年的研究中，他認(rèn)為慣性約束與磁約束已經(jīng)走過(guò)了沒(méi)有結(jié)果的半個(gè)多世紀(jì)，因此，他號(hào)召中國(guó)的核聚變不要緊跟國(guó)外，而要有自己的獨(dú)創(chuàng)。近年，世界著名的開(kāi)展交叉學(xué)科研究（包括生命科學(xué)、復(fù)雜性與新能源）的美國(guó)圣塔菲研究所在中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所連續(xù)舉辦了四次國(guó)際暑期學(xué)校，為此他很有感觸地對(duì)筆者說(shuō)，他現(xiàn)在非常后悔的是當(dāng)他們從國(guó)防研究退出來(lái)時(shí)，沒(méi)有像美國(guó)同行那樣辦一個(gè)圣塔菲這樣的研究所。理論物理所何祚庥院士也為發(fā)展我國(guó)可再生能源呼吁了多年。在2008年院士大會(huì)的報(bào)告中，他對(duì)ET中“E”的意義有了擴(kuò)充，加了Ecology Technology（生態(tài)技術(shù)），并提出歸根到底是第四個(gè)“E”，即Economy，物理學(xué)要服務(wù)于經(jīng)濟(jì)建設(shè)。

事實(shí)上，國(guó)際上的老一輩科學(xué)家都注意這個(gè)問(wèn)題。1998年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主、美國(guó)圣巴巴拉加州大學(xué)（UCSB）理論物理研究所（后來(lái)的Kavli理論物理研究所）首任所長(zhǎng)，凝聚態(tài)物理學(xué)家沃爾特?科恩，最近幾十年來(lái)一直關(guān)注能源問(wèn)題，其自費(fèi)制作的紀(jì)錄片《太陽(yáng)的能量》已在世界范圍內(nèi)無(wú)償發(fā)行。2006年訪問(wèn)我所時(shí)，應(yīng)他要求，何祚庥院士曾聯(lián)系一位CCTV的有關(guān)人員與他洽談播放他的制作，但這種不賺錢的義舉最后是否被接納？筆者就不得而知了。令筆者感動(dòng)的是，當(dāng)時(shí)他還要筆者給他找無(wú)錫尚德公司的老總施振榮博士的電話，他要親自打電話向這位當(dāng)時(shí)上市規(guī)模第一的太陽(yáng)能公司表示敬意。事實(shí)上，2008年英國(guó)《新科學(xué)家》雜志第一期在評(píng)述2007年中國(guó)科技進(jìn)展中，特別報(bào)道了無(wú)錫尚德公司施振榮博士對(duì)發(fā)展太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的貢獻(xiàn)及潘建偉等人在量子計(jì)算領(lǐng)域的重大突破。這表明中國(guó)物理學(xué)家在ET及未來(lái)的IT方面都作出了世界領(lǐng)先的貢獻(xiàn)。作為北京市邀請(qǐng)參加2007諾獎(jiǎng)?wù)搲募钨e，沃爾特?科恩于2007年9月13 日再次訪問(wèn)中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所，并作了題為“全球能源-氣候挑戰(zhàn)：各方反應(yīng)概覽”的學(xué)術(shù)報(bào)告，分析了全球變暖正廣泛地改變著地球的事實(shí)以及科學(xué)、政治、經(jīng)濟(jì)等各方對(duì)這一挑戰(zhàn)的反應(yīng)。

為什么這些年過(guò)八十的老一輩物理學(xué)家對(duì)能源問(wèn)題這么關(guān)注，而多數(shù)年輕的物理學(xué)家對(duì)此少有關(guān)心？這里可用諾貝爾物理獎(jiǎng)得主P. 安德森在L. M. Brown, A. Pais, Sir B. Pippard主編的《20世紀(jì)的物理學(xué)》一書(shū)第28章的文章《20世紀(jì)物理學(xué)概觀》中的一段話來(lái)解釋：“與二戰(zhàn)后早期研究學(xué)者出于好奇心執(zhí)著于發(fā)現(xiàn)自然奧秘的人生觀已截然不同，尤其是20世紀(jì)最后10年，年輕研究者的競(jìng)爭(zhēng)已失去科學(xué)發(fā)現(xiàn)本質(zhì)的客觀公平判斷，代之而起的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是獲取科研經(jīng)費(fèi)的多少，在Phys. Rev. Lett. 發(fā)表論文，在Nature、Science及Physics Today新聞欄目被報(bào)道就是贏家”。在這種利益驅(qū)動(dòng)的“量化”評(píng)價(jià)壓力下，很難讓年輕人去思考、從事真正重要的研究項(xiàng)目。由此可見(jiàn)，SCI并不是專門的“中國(guó)人的愚蠢指標(biāo)”。P. 安德森的話使筆者想起彭桓武先生在去世前請(qǐng)我?guī)退已芯刻厥夂司圩兊哪贻p合作者提出的條件：“這個(gè)人已升教授，不需要再發(fā)表許多文章?！笨梢?jiàn)，要使青年研究者從IT到ET轉(zhuǎn)變，就一定要打破SCI的緊箍咒。

(欄目編輯廖伯琴)