請(qǐng)想象你未來的一日生活:清晨,手機(jī)足足叫了半小時(shí)才把你鬧醒。但你并不擔(dān)心手機(jī)沒電,因?yàn)樗B充電口都沒有。要遲到了,你想到老板的咆哮,咬咬牙,叫了一輛“滴滴飛車”,投入一枚“能量硬幣”。飛車以十倍音速?zèng)_上亞軌道,半小時(shí)就從成都飛抵上海。公司大樓用電磁場(chǎng)懸浮在空中。它沒有接入電網(wǎng),因?yàn)橛蔑w車運(yùn)輸電池的效率比電網(wǎng)更高?!岸_恕?,你打卡成功,老板沒抓你遲到。于是,你愉快地開始摸魚。手機(jī)里新聞報(bào)道著索馬里發(fā)生的“伽馬射線暴閃”,疑因海盜在巷戰(zhàn)中使用了核步槍。據(jù)此,AI助理建議你購(gòu)入點(diǎn)云科技的股票,該公司研制的“光傘”可以為你構(gòu)建無限續(xù)航的貼身防御系統(tǒng),用伽馬能級(jí)的激光蒸發(fā)雨滴,也可以攔截十米內(nèi)的子彈。有了它,你再也不用擔(dān)心恐怖分子和蚊子了。但你最終還是買了納米醫(yī)療概念股,因?yàn)闀?huì)被殺手盯上的大人物只是少數(shù),而輻射病已經(jīng)代替齲齒,成為這個(gè)時(shí)代的常見病……
這是一個(gè)不可思議的未來圖景,但并非不可能實(shí)現(xiàn)。它們有一個(gè)共同的“基礎(chǔ)”——超高密度儲(chǔ)能材料。
人類文明的每一次進(jìn)步,幾乎都源自材料和能源的突破。從木柴、煤炭、石油到核能,每一代能源革新都會(huì)催生一輪工業(yè)革命。而下一輪的“工業(yè)革命”,就很可能來自一種被稱為“核同質(zhì)異能素”的超高密度儲(chǔ)能材料。
說起引發(fā)工業(yè)革命的新能源,我們常常會(huì)想到“可控核聚變”。這種人造太陽可以釋放氫核內(nèi)部的能量,讓人類獲得幾乎無限的清潔能源。但事實(shí)上,當(dāng)一個(gè)無限供能的聚變電站建立后,輸電和儲(chǔ)能就成了制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“卡脖子”問題。
電動(dòng)汽車是一個(gè)很好的例子。早在1881年,法國(guó)工程師古斯塔夫·特魯夫就發(fā)明了首輛使用可充電鉛酸電池的電動(dòng)汽車,比卡爾·本茨發(fā)明的燃油車還早九年。但受限于鉛酸電池的能量密度低(約30~40Wh/kg)、重量大,續(xù)航里程短(通常不足100千米),很快被市場(chǎng)淘汰。直到1980年代鋰離子電池出現(xiàn),電動(dòng)車才重新回到工程師們的視野。
電動(dòng)車商業(yè)化的能量臨界點(diǎn)大約是200Wh/kg(續(xù)航里程約400千米)。2000年初期,電池能量密度約為100~150Wh/kg,此時(shí)電動(dòng)汽車的嘗試(如通用EV1)大部分胎死腹中。大約2015年前后,三元鋰電池(NCM/NCA)突破了臨界點(diǎn),“新能源汽車”(如特斯拉Model S)才成為時(shí)代的新寵兒。目前,寧德時(shí)代、清陶能源等公司已規(guī)劃第三代全固態(tài)電池(能量密度超500Wh/kg),預(yù)計(jì)2026—2027年量產(chǎn),試圖徹底解決電動(dòng)汽車的安全問題和里程焦慮。
由此,一項(xiàng)儲(chǔ)能技術(shù)的突破,改變了數(shù)十億人的出行方式,帶動(dòng)了數(shù)千億規(guī)模的市場(chǎng),塑造了一個(gè)時(shí)代的交通圖景。
交通是工業(yè)的血管,能源是工業(yè)的心臟。從蒸汽機(jī)車開始,每場(chǎng)工業(yè)革命都在能源領(lǐng)域率先突破,以交通奏響號(hào)角,再蔓延到軍事、農(nóng)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)。從這個(gè)意義上看,新能源可謂是引爆工業(yè)革命的雷管。
然而,無論是鉛酸電池還是三元鋰電池,它們歸根到底都是化學(xué)能源。經(jīng)過幾十年的研究,它們的儲(chǔ)能密度已經(jīng)漸漸接近理論極限。但人類的野心是永無止境的:我們想從家里坐上飛車直入太空;我們想在國(guó)慶假期內(nèi)往返火星旅游;我們還想要永遠(yuǎn)不會(huì)沒電的手機(jī)、永遠(yuǎn)不用加油的汽車,從空氣里直接合成糧食,把淡化的海水澆遍撒哈拉……
如果把化學(xué)電池?fù)Q成核電池,這一切可能發(fā)生嗎?
不妨看一下各種儲(chǔ)能物質(zhì)的“能量天梯[1]”(如右表)。
很顯然,哪怕最普通的核電池,也比最強(qiáng)的固態(tài)鋰電池“高到不知哪里去了”。而且,核電池是很成熟的技術(shù),在1976年發(fā)射的“旅行者”號(hào)探測(cè)器上就有钚238同位素電池,但它可不能直接裝到你的車?yán)铩哂蟹派湫郧椅kU(xiǎn)、昂貴。用它做電池等于在身體和車貸兩方面的慢性自殺。至于用核裂變、核聚變反應(yīng)堆當(dāng)電池,那就更困難了——沒人想把一臺(tái)“托卡馬克”裝置塞進(jìn)車?yán)铮?/p>
核反應(yīng)太危險(xiǎn),化學(xué)電池又不夠看。于是,工程師們把目光投向介于“化學(xué)反應(yīng)”和“核反應(yīng)”之間的過渡區(qū)域,找到了一種潛力驚人的超級(jí)儲(chǔ)能材料——核同質(zhì)異能素。它的能量密度可達(dá)鋰電池的50萬倍。
核同質(zhì)異能素是什么?它為什么有如此驚人的能量密度,卻不需要核聚變的苛刻條件?這要從它的原理談起。
顧名思義,核同質(zhì)異能素是有相同質(zhì)子和中子數(shù),卻有不同能量的核素。它是原子核的“激發(fā)態(tài)”。
“激發(fā)態(tài)”在我們的生活中很常見。譬如,火焰的光芒便來自核外電子的“激發(fā)”和“退激發(fā)”。燃燒發(fā)生時(shí),電子從激發(fā)態(tài)軌道躍遷到基態(tài)軌道①,軌道間的能量差轉(zhuǎn)化為光子,這便是火光。幾乎所有發(fā)生能量變化的化學(xué)反應(yīng),都涉及了電子的激發(fā)和退激發(fā)。
其實(shí),原子核也可以被激發(fā),形成“核同質(zhì)異能素”。它釋放的能量可達(dá)化學(xué)燃燒的1萬倍以上。但想可控地利用它,還需要解決兩個(gè)難題。
第一個(gè)問題是“壽命”。自1921年奧托·哈恩和莉澤·邁特納發(fā)現(xiàn)核異能素以來,核物理學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了近2500種原子核激發(fā)態(tài)[2]。但常見的高能激發(fā)態(tài)壽命都在皮秒(10~12秒)到毫秒量級(jí);部分激發(fā)態(tài)壽命很長(zhǎng),但能量很低,能量密度甚至不如普通的化學(xué)電池。僅有少量核同質(zhì)異能素的壽命、能量都滿足核電池的要求。例如,鉿178m2半衰期長(zhǎng)達(dá)31年,衰變時(shí)釋放2.5MeV的高能伽馬射線。《三體》中人類艦隊(duì)裝備的伽馬射線激光炮,炮膛很可能是由這種材料填充的。
第二個(gè)問題是“同步”,即讓“大量”原子核同時(shí)釋放能量。1938年,人們就知道鈾核裂變會(huì)釋放能量,但反應(yīng)僅局限在少量的原子核。直到1942年費(fèi)米等人利用中子誘發(fā)了鏈?zhǔn)椒磻?yīng),“一整塊”鈾才有了制成原子彈的可能性。核同質(zhì)異能素也是類似的:個(gè)別原子核的激發(fā)相對(duì)容易,但大量原子核(1023個(gè)以上)的激發(fā)是隨機(jī)和不可控的。這就像一個(gè)一邊注水、一邊隨機(jī)地漏水的水池。很顯然,沒人想要一塊這樣的電池!
固體激光器提供了一種解決問題的思路:1960年,美國(guó)科學(xué)家梅曼成功讓“一整塊”紅寶石里的原子在一瞬間“同步”地釋放能量。這利用了核外電子的“亞穩(wěn)定激發(fā)態(tài)”。
什么是“亞穩(wěn)定激發(fā)態(tài)”呢?不妨把原子核視為一個(gè)“三角形骨牌”(圖 2)。“基態(tài)”的骨牌平放在地面上,能量最低,也最穩(wěn)定,任何擾動(dòng)都無法改變它的姿態(tài);“激發(fā)態(tài)”的骨牌尖端朝下豎起,能量最高,但也最不穩(wěn)定,任何擾動(dòng)都會(huì)讓它倒下。對(duì)于核同質(zhì)異能素而言,這個(gè)“擾動(dòng)”和“倒下”的時(shí)間大多在皮秒到毫秒量級(jí)(圖 3),因?yàn)檫^快而完全不可利用。
但某些原子核可能具有“亞穩(wěn)定激發(fā)態(tài)”——它可以被視為一塊尖端朝上豎起的三角形骨牌(圖 2)。它的能量比不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)低,但穩(wěn)定性更好,小擾動(dòng)無法撼動(dòng),必須足夠大的擾動(dòng)才能把它放倒。因此,當(dāng)外來能量注入時(shí),原子核將陸續(xù)充能到“亞穩(wěn)定激發(fā)態(tài)”,不會(huì)馬上退激發(fā)。于是,這樣的“亞穩(wěn)定激發(fā)態(tài)”原子核越來越多,直到其數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過基態(tài)原子核,達(dá)到所謂的“布居數(shù)反轉(zhuǎn)”狀態(tài),“一整塊”核同質(zhì)異能素便完成了充能(圖 4)。
接下來,就是能量的受控釋放了。一些實(shí)驗(yàn)表明,使用0.2 MeV的低能X射線轟擊鉿-178m2有一定概率誘導(dǎo)其退激至基態(tài),釋放2.447 MeV的伽馬射線,輸出能量是輸入的100倍[3]。據(jù)研究者推測(cè),這可能是某種“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”的體現(xiàn)——大量原子核被激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)后,形成了“多米諾骨牌”效應(yīng)(圖 4)。只要一塊被推倒,能量便會(huì)“雪崩”式地釋放。
如果這個(gè)推測(cè)成立,那么,一個(gè)“美好”的新世界,或一個(gè)恐怖的大變局,可能將在短短幾十年內(nèi)轟然降臨。
在科幻小說《來自新世界》中,作者貴志佑介設(shè)想了一個(gè)由“超能力者”組成的未來世界。在那個(gè)世界中,每個(gè)人類都掌握著名為“咒力”的超能力,可以意念移物、引爆空氣、憑空制造器物,甚至改變生物的DNA等。當(dāng)然,這聽起來并不科學(xué),但作者的目標(biāo)也并不在此。從文學(xué)的視角看,“咒力”其實(shí)是人類想象力的象征,是人類改造世界能力的“夸張化”體現(xiàn)。夸張之處在于:它具有極高能量,幾乎可以改變一切,卻無法被防御,讓人類難以對(duì)抗來自其他個(gè)體的惡意。
據(jù)此設(shè)定,小說展開了嚴(yán)謹(jǐn)而精彩的情節(jié),編織了一千年的反烏托邦未來史。這讓人忍不住想象:如果“咒力”的設(shè)定來到了現(xiàn)實(shí)中,世界將會(huì)變成怎樣的面貌?
核同質(zhì)異能素,可能是現(xiàn)實(shí)里最接近“咒力”的存在。
它的好處無須多言:我們的手機(jī)將再也不需要充電口,一塊電池可以從出廠用到報(bào)廢;一架從掌心起飛的無人機(jī)可以續(xù)航3000小時(shí)以上,航程足以繞地球4圈;如果室溫超導(dǎo)沒有突破,用卡車運(yùn)輸電池的輸電效率將超過特高壓電纜,國(guó)家電網(wǎng)將變成物流公司;在航空航天領(lǐng)域,渦輪和超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)將讓位于類似“冥王星”導(dǎo)彈的核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)(圖 5),超過5倍音速的洲際客機(jī)將替代遠(yuǎn)洋貨輪,單級(jí)入軌空天飛機(jī)可以做到普通汽車大小,載重?cái)?shù)十萬噸的超級(jí)火箭將走出圖紙,讓人類真正跳出地球的引力深井,踏上星辰大海的征途。
但在另一方面,它又讓一個(gè)令人不安的“超人社會(huì)”成為可能。
目前,個(gè)人能掌握的威力最大的武器是火藥槍支。子彈的動(dòng)能由底火(通常是幾克TNT炸藥)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化而來。而9mm口徑子彈若填充核同質(zhì)異能素裝藥,其爆炸威力相當(dāng)于500千克TNT,一槍就足以炸毀整棟大樓。
如此,每個(gè)人都成了“鋼鐵俠”,都像《來自新世界》中的新人類一般,掌握著對(duì)他人的毀滅大權(quán);同時(shí),因?yàn)檫@種彈藥體積極小、伽馬射線穿透性極強(qiáng),獨(dú)狼式的襲擊將極難防御。每個(gè)“超人”又隨時(shí)可能被其他“超人”毀滅!無疑,這是相當(dāng)糟糕的場(chǎng)景,如同霍布斯所說的“自然狀態(tài)”,即“所有人對(duì)所有人的戰(zhàn)爭(zhēng)”(甚至還是核戰(zhàn)爭(zhēng)?。o論對(duì)于個(gè)人,還是對(duì)于社會(huì),這樣的場(chǎng)景都是極其荒誕而驚悚的。
弗雷德里克·波爾的《火星超人》(Man Plus,1976)就描寫了成為“超人”后個(gè)體人性的異化:為了適應(yīng)火星的極端環(huán)境,宇航員羅杰·托雷威被改造成半機(jī)械的“超人”,擁有太陽能皮膚、巨型翅膀、增強(qiáng)感官等。但隨之而來的是心理問題和“何以為人”的哲學(xué)困境?!叭恕笔巧鐣?huì)關(guān)系的集合體。當(dāng)“超人”執(zhí)掌了凌駕于他人之上的力量后,他賴以錨定自我的社會(huì)關(guān)系便會(huì)紛紛斷裂。這一如戰(zhàn)爭(zhēng)和海難造成的創(chuàng)傷后遺癥,最終毀滅的是人性本身。
南?!た死姿沟摹段靼嘌榔蜇ぁ罚˙eggars in Spain,1991)則從社會(huì)的角度描寫了“超人”造成的普遍危機(jī):通過基因編輯技術(shù)誕生的“無眠者”形成“基因貴族”階層,引發(fā)普通人的不滿和抗?fàn)?。如果某些富豪壟斷了核同質(zhì)異能素,或是在核時(shí)代生存所必需的抗輻射藥,他們就成了手握暴力和生存權(quán)的“超人”階層,加劇社會(huì)階層分化;但反過來講,普通人也可以獲得反抗大公司、大人物的強(qiáng)大力量。一個(gè)包裹,或是一架只有蚊蠅大的自殺式無人機(jī),都可能引發(fā)“黑天鵝”事件,瞬間顛覆社會(huì)階層的金字塔。
更進(jìn)一步,當(dāng)核同質(zhì)異能素應(yīng)用于軍事,它所顛覆的可能還有全球的戰(zhàn)略格局。
自廣島和長(zhǎng)崎遭受原子彈轟炸以后,在長(zhǎng)達(dá)80年的時(shí)間里,人類再也沒有爆發(fā)過“世界大戰(zhàn)”級(jí)別的全面戰(zhàn)爭(zhēng)。一個(gè)廣為流傳的觀點(diǎn)是:戰(zhàn)略核武器“互相確保摧毀”的策略,反而抑制了戰(zhàn)爭(zhēng)的爆發(fā)。洲際核導(dǎo)彈出現(xiàn)后,好戰(zhàn)的野心家再也不能穩(wěn)坐于后方地堡催動(dòng)著前線的士兵為他賣命。他本人就會(huì)成為第一波打擊對(duì)象,直接承受戰(zhàn)爭(zhēng)代價(jià);此外,攔截導(dǎo)彈的技術(shù)難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比制造導(dǎo)彈高,盾永遠(yuǎn)不如矛更可靠。這讓決策者們?cè)诎l(fā)動(dòng)戰(zhàn)爭(zhēng)前更謹(jǐn)慎,給人類帶來了近半個(gè)世紀(jì)的如履薄冰的和平。
但核同質(zhì)異能素的軍事化應(yīng)用,可能徹底終結(jié)人類的核威懾。
事實(shí)上,單就爆炸威力而言,核武器的破壞力并沒有許多人想象的大。哪怕將冷戰(zhàn)高峰期全世界所有的核彈①一起引爆,釋放的能量不超過400億噸TNT,甚至不如中等強(qiáng)度臺(tái)風(fēng)的能量②(600億噸TNT)。從這個(gè)角度看,所謂的“核冬天”是不太可能實(shí)現(xiàn)的,它或許只是學(xué)者和科幻作家們通過文化力量推動(dòng)核裁軍的成功嘗試[4]。核威懾更多體現(xiàn)在長(zhǎng)期放射性沾染,以及對(duì)敵方元首的直接殺傷能力上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以毀滅人類。但是,這可不是什么好事!一旦人們發(fā)現(xiàn)核武的危害過分夸大,一旦某種“干凈無痕”的戰(zhàn)術(shù)核彈研發(fā)成功,核威懾的喪鐘便敲響了——常規(guī)戰(zhàn)爭(zhēng)與核戰(zhàn)爭(zhēng)之間不可逾越的高聳“壁壘”,將搭上一個(gè)可供攀登的階梯(圖 6)。而這個(gè)階梯,便是核同質(zhì)異能素武器。
據(jù)公開資料,第四代核武器的確朝著“干凈”和“小當(dāng)量”的方向發(fā)展,和常規(guī)武器的區(qū)別也越來越模糊[5]。而其中的代表“伽馬射線彈”,關(guān)鍵技術(shù)便是核同質(zhì)異能素[6]。
據(jù)公開資料,美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室于1997年預(yù)測(cè),50年之后即可實(shí)現(xiàn)核同質(zhì)異能素的能量受控釋放[7];此外,2019年8月8日俄羅斯海軍測(cè)試區(qū)發(fā)生了一次火箭爆炸事故,事故發(fā)生時(shí)檢測(cè)到伽馬射線輻射短暫飆升①。據(jù)猜測(cè),這可能與核同質(zhì)異能素有關(guān)。
如果這些猜測(cè)并非危言聳聽,在有生之年,我們或許會(huì)看到匪夷所思的戰(zhàn)爭(zhēng)場(chǎng)景:射程幾百千米的戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈,將被壓縮到十幾厘米大小,集成幾十枚裝進(jìn)單兵外骨骼裝甲的背包里;坦克和戰(zhàn)斗機(jī)的主武器將換為伽馬射線炮,激光將織成導(dǎo)彈無法穿透的攔截網(wǎng);核手雷、核步槍將成為極端組織的最愛,核彈可以藏進(jìn)袖管,納米無人機(jī)無孔不入,反恐和安保將難如登天。
此外,若核同質(zhì)異能素僅做電源使用,也會(huì)讓坦克、軍艦和戰(zhàn)斗機(jī)邁入“全核推進(jìn)”的時(shí)代,武器的航程和速度都會(huì)有質(zhì)的提升——這意味著,原來僅能做戰(zhàn)術(shù)用途的武器將具有戰(zhàn)略潛力。當(dāng)一架巴掌大的無人機(jī)能環(huán)球飛行的時(shí)候,能威脅敵方元首的,就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不只洲際核導(dǎo)彈了。
當(dāng)一切都能成為威懾的時(shí)候,也就意味著威懾的崩塌。1945年以來各核大國(guó)間危如累卵的戰(zhàn)略平衡,將被逐漸打破?!捌拼靶?yīng)”和“溫水煮青蛙”般逐漸升級(jí)的核武競(jìng)賽,可能將人類拖入自毀的深淵。
從科技發(fā)展的規(guī)律看,只要沒有原理和倫理上的不可行性,一種能帶來巨大產(chǎn)業(yè)利益,甚至引爆“工業(yè)革命”的新技術(shù),往往會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)。瓦特蒸汽機(jī)是如此,法拉第發(fā)電機(jī)是如此,核同質(zhì)異能素亦然。在有生之年,我們很可能會(huì)看到核聚變和核同質(zhì)異能素引發(fā)一輪工業(yè)革命,徹底改變生活和世界的樣貌。
當(dāng)然,沒有人能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來,科幻作家當(dāng)然也不行。無論是新能源車、空天飛機(jī)和大航天時(shí)代的美好未來,還是“超人社會(huì)”或“核威懾終結(jié)”帶來的可怕未來,或許都過于激進(jìn),最多算是卡爾·薩根等提出核冬天理論[8]那樣的“盛世危言”。但有一點(diǎn)是肯定的:當(dāng)某種危險(xiǎn)技術(shù)轟然誕生、即將掀翻世界時(shí),往往會(huì)有相應(yīng)的“抑止力”出現(xiàn),將人類社會(huì)這個(gè)超復(fù)雜動(dòng)力系統(tǒng)拖到一個(gè)新的平衡點(diǎn)。這就像讓古代人看到滿街行駛著的汽車一般——在他看來,這種人人都可駕馭的高速行駛的鋼鐵巨獸,比刀劍和甲胄危險(xiǎn)了何止百倍。他會(huì)因此認(rèn)為20世紀(jì)是個(gè)人人私藏甲胄、隨時(shí)可以起兵的混亂社會(huì)。但如我們所見,在絕大部分時(shí)候,生活都井然有序,歷史的車輪都在滾滾向前。
對(duì)待技術(shù)革命的危險(xiǎn)與機(jī)遇,我們將抱著謹(jǐn)慎的樂觀。
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① 該描述是經(jīng)典力學(xué)框架下的,并不準(zhǔn)確。更準(zhǔn)確的描述是原子核外電子云概率分布的變化,涉及量子力學(xué),比較復(fù)雜。
① 基于2023年SIPRI年鑒的估計(jì)數(shù)據(jù),1986年全球部署核武器達(dá)到7萬枚,大多是十萬噸TNT級(jí)別的戰(zhàn)術(shù)核彈頭,及少量百萬噸TNT以上級(jí)別的戰(zhàn)略核彈頭。據(jù)此估算全球核武總當(dāng)量在250萬~400萬噸。
② 考慮蘊(yùn)含的潛熱和動(dòng)能,中等強(qiáng)度(風(fēng)速40m/s,半徑200千米,厚度15km,降水量10mm/h)每小時(shí)釋放約2億~5億噸TNT當(dāng)量能量,按平均壽命5天(120小時(shí))計(jì)算。
① 綠色和平組織俄羅斯能源項(xiàng)目經(jīng)理拉希德·阿利莫夫8月9日對(duì)生意人廣播電臺(tái)說,在11時(shí)30分至12時(shí)30分之間,伽馬射線的輻射量增加到每小時(shí)2微西弗。輻射水平高于正常水平約有40分鐘,但隨后迅速恢復(fù)正常。