核反应堆和原子弹

1945年，美国人发明了原子弹并将它投掷到一个叫作广岛的城市上。飞机的名字是艾诺拉·盖（ENOLA GAY），后来飞行员向记者解释道，他选择这个名字是因为这是他爱尔兰祖母的名字，而他觉得这个名字很有趣。

——帕特里克·伍莱德尼克

在接下来的几个月里，全球物理学界都在阅读、评论和批评这一令人惊讶的结果，它让人们自由沉溺于对裂变的作用与效果的想象之中。从1939年5月初开始，弗雷德里克·约里奥-居里和他的同事们就已经掌握了足够的知识用来提交关于以核裂变为基础的反应堆和炸弹的专利申请。那时第二次世界大战迫在眉睫，战争决定了这个核物理发现随后的发展方向。

专家们主要对来自两个不同方面的两个问题有兴趣。首先是军事方面，这随着战争爆发很快成为当务之急：如何集中所有的条件使炸弹爆炸？其次是民用方面：与军用思路相反，如何能够调节能量的释放以便将它用在发电站中？结果并没有让人们等待太久。

物理学家和军方工程师那时的目标是能够在极短时间内发动铀235的所有能量。为此，必须使原子在每次裂变平均放射出来的2.5个中子中，有约2个（而不是1个）中子能引发其他原子产生新的裂变。也就是使这条反应链成为雪崩式反应：1个中子生成2个，这2个再生成4个、8个、16个……在裂变的第10代，就有1000个中子；第20代，100万；第30代，10亿……以每微秒10代的繁衍节奏，很容易使裂变超速运行。但这一切的基础必须是每次裂变约有2个中子被再利用。而为了不浪费中子，不能有减速剂、吸收剂^[7]，也不能发生泄漏，从技术上来说要实现这些并不容易。

反应堆正相反，它的建造是使用了减速剂、吸收剂并且能够允许发生（中子）泄漏：的确这关乎一个平衡，在每次裂变释放的2.5个中子里，只有1个——绝不能多——能被再利用，正好代替启动上一次裂变的中子。今天使用中的核反应堆都是基于这个“有借有还”的原则运行的。

E=mc²：是什么意思？

1905年9月，一个26岁的年轻人，阿尔伯特·爱因斯坦，撰写了一篇仅3页纸的文章，其中包含了方程式E=mc²，这是物理史上最著名的方程式。这篇文章是作为爱因斯坦刚刚发表的相对论的延伸出现的。

这篇文章中的计算部分证明了一件事情：向外发射电磁波的物体也必然会损失质量。但是爱因斯坦将这一结论扩展到了宇宙中。他解释道，物体的质量可以衡量出它的内含物能量的大小。因此，这个物体无论以任何形式损失能量，它也会损失质量。

从概念的角度来说，这是一个革命性的成果。在那之前质量只能用来测量一个物体包含物质的数量，这个革命性结果让它也能够测量物体所包含物质的能量了。所有大质量物体，即使不运动、保持静止，也具有“质能”，也就是说它所具有的能量仅仅源自它具有的质量。爱因斯坦更明确地解释说，若要得到质量和能量的关系等式则要引入光速c（以平方形式出现），它使在此之前还完全无关的两个概念得以结合。但是，在将这两个概念联系起来的时候，光速的地位不可逆转地改变了：它从此进入了所有的物理过程，也包括那些光并没有在其中扮演任何角色的过程！多亏了爱因斯坦，光速成为了物理中真正的普适常数。

但是，如果说质量和能量之间有这么直接简单的等价关系，那为什么我们不能在日常生活中发现它呢？很简单，因为这个等价与我们熟悉的大小层次不相称。极小的灰尘颗粒都是一个容器，承载着巨大的能量，但是我们往往会忽略掉它微小质量背后所隐藏的能量。让我们来举两个日常生活中的例子。点亮的灯泡散发出光，所以也散发出能量，同时它也正承受着失去相应质量的代价。但是光速的平方c²是那么地大，即便灯泡能够持续点亮几个世纪，它也只会失去几微克质量，相比它最初的质量来说变化是极小的。如果现在我们再选择250克黄油块（或任何其他同等质量的物体）为例，通过爱因斯坦的方程式可以算出这一质量相当于2.25×10¹⁶焦耳的质能，相比较而言，0.125焦耳则是那同一块黄油达到1米/秒的运动速度时所拥有动能的大小^[8]。换句话说，普通一小块物体的质能——或者如果我们喜欢也可以说它包含的能量——是如此之大，而我们能够通过加速或加热强加给它以使它改变的能量，相对它的质能来说是极为微小的。假使只考虑能量变化，那么只要物体的质量不变，它的质能就不会改变，对我们来说并没有任何变化显现出来。但是如果说爱因斯坦方程式成为了20世纪物理学的标志，那是因为1905年以来，物理学家们用工业的方式成功地探索了——有时甚至是利用了——爱因斯坦方程式具有实际影响的一些时刻：例如小质量明显地能够转换为能量的时刻，以及能量转变为物质质量的时刻。

让我们来思考一下刚刚提到过的核反应堆和某些原子弹中的铀235原子核。当它们被一个中子轰击时，它们开始晃动，变形并抻长直到达到一个相对更稳定的形状，这个形状由两个不同的部分组成。换句话说，这些原子核承受了一次裂变，产生了两个较轻的原子核，新原子核的质量之和总是比最初的原子核的质量小。根据爱因斯坦的方程式，这个质量的减少（也是质能的丢失）被解释为能量的释放，它也正是“核能”的来源。这个能量以热能的形式得到收集，而后可以转变为电流。另一个相同类型的推论，是质量较轻的原子核进行聚变而不再是质量较重的原子核那样的裂变。聚变能够让人们理解恒星放射光的过程。太阳大部分时间都在将质量转化为能量，这是通过将氢变为氦的核聚变反应实现的。在太阳内核中心，每秒有不少于6.2×10⁸吨氢（由一个质子组成的原子），转变为6.15×10⁸吨氦（由两个质子组成）。前后的质量差即转化为向外辐射的能量，这就是太阳如此闪耀的原因。

当然也存在能量转变为质量的情况。这次，两个例子应该足够了。第一个借用运动学的例子，更确切地说是借用速度和动能之间的关系（提醒一句，物体的能量和它的运动情况有关）。当我们坐汽车出行或者是坐飞机旅游时，我们搭载的交通工具的动能随着它速度的增长而增长。所以让交通工具加速，也就同时增加了它的动能。但是狭义相对论考虑的是比我们的运动速度快得多的运动，它关注的是我们尝试加速的粒子似乎不可超越的一个速度。这个速度就是光在真空中的速度。

这个现象产生的原因是，随着粒子的速度和能量逐渐增加，它以不断增大的惯性（确切地说等于E/c²）抵抗着自己运动过程中进一步产生的改变。换句话说，粒子越来越强烈地抵抗着那些让它加速的力：它移动得越快，就越难以更快的速度移动。它的质量严格保持不变，但是它的惯性与经典物理学中不同，不再等于质量，而是与它的能量一同增长。

如果粒子的速度最终几乎达到了光速，正如我们马上就会讲到的粒子加速器中经常会发生的一样，我们甚至可以在几乎不改变它的速度的情况下赋予它动能。总之，我们“几乎以匀速来给它加速”，即使这个说法可能让我们听惯了牛顿理论的耳朵觉得奇怪。

第二个例子涉及粒子能够承受的极为猛烈的碰撞力，例如在今天物理学家们使用的“对撞机”中。发射出的粒子的几乎所有动能都转变为物质：这些动能转变为许多其他的大质量粒子，它们的生命通常十分短暂。这里产生了让我们意想不到的事情：一个物体的特性，即入射粒子的速度，可以转变为其他物体——新粒子！这有点像埃菲尔铁塔的高度（只是这座塔的一个属性）竟能够转变为其他纪念性建筑，例如凯旋门和布伦（Buren）的柱子^[9]……

粒子加速器和对撞机

为了研究粒子，必须以这样或那样的方法“照亮”它，也就是说向这个粒子投射一束粒子束（并不一定要是光束）。“探测”粒子应该被直接地投射到“目标”粒子上。

但是为什么探测粒子要有很大的能量呢？要理解这一点，必须提到两条物理定律。第一条是量子定律，它指出所有的粒子的能量都与其波长（德布罗意波长）相关，波长越短能量越大。第二条定律是，波动现象只能发生在一个物体与另一个物体（后者的尺寸必须大于前者的波长）相互影响的过程中。大海中的波涛并不受游泳者的影响，因为游泳者的身长比相连的两个海浪之间的距离小。但是，海浪会被大型客轮干扰。如果我们选择的目标粒子较小，那么探测粒子的波长应该更小。因此我们需要赋予探测粒子很高的能量，目标粒子越小，就需要探测粒子的能量越高。正是这一任务落到了粒子加速器的肩上。它们是一种巨型显微镜，能够识别物质极微小的组成部分。

最初（直到1960年代）这是唯一的方法：对粒子进行加速，然后投射粒子束到固定目标上。撞击发生时，动能和入射粒子的质量重新分配给新产生的粒子，这些新粒子就是对撞产生的果实。对撞能量越大，这些新粒子的质量就越大，也更能够展示出物质在通常情况下隐藏的结构或行为。但是固定目标的使用会引发能量损失的问题。因为，当移动的粒子撞向不动的粒子时，大部分的动能仍然以动能形式从原来的粒子那转移到了目标粒子身上（就像一辆移动的车撞到了停止的车上，停止的车因为被撞而移动）。这些转移给目标粒子的动能并没有转变为物质。从某种意义上说这部分动能是被“浪费了”。让两个相反方向的粒子束正面对撞，效果则会更显著。因为在这种情况下，对撞粒子的所有能量都可以转变为物质。

这也就是为什么“对撞机”成为了粒子物理学的主要工具。大型强子对撞机（LHC）是最强大的对撞机，现于日内瓦运行。它被安装在长达27公里的圆形隧道里，从2010年开始，（科学家们）就利用它进行高能量质子间的对撞。我们要知道这个项目的运行代表了我们在技术上的成功：极小尺寸的两个粒子束以几乎等同于光速的速度相遇，在完全指定的位置发生了有规律的、头碰头的正面对撞……

[1] de la Palisse又作de la Palice，是法国15至16世纪的一位元帅，于1525年死于一场战争。法兰西士兵为歌颂他作诗传唱，其中一句是“un quart d'heure avant sa mort， il faisait encore envie”（在死前的那一刻，他依然令人嫉妒），讹传之后变成“un quart d'heure avant sa mort, il était encore en vie”（在死前的那一刻，他依然活着），但事情已经超出了人们的控制演变成一个俗语，“德·拉·帕利斯的真相”（vérité de la Palice），意指确认一件显而易见的事情（就像“一个人死前还活着”），旁观者因这个确认行为不由得笑起来。

[2] 也有科学家更愿意称这一段时长为半衰期，即法语中的“demi-vie”或英语中的“half-life”。

[3] 即tiers provisionnel。法国的个人所得税由纳税人自行申报，在每年的2月15日，5月15日和9月15日分三次缴纳。

[4] 当某种微观粒子与原子核发生碰撞，导致原子核结构发生变化、形成新的原子核，并放出一个或几个粒子时，我们称这一过程为核反应。

[5] 1电子伏特（eV）≈1.6×10^-19焦耳（J），2亿电子伏特只约等于3.2×10^-11焦耳，单个原子核产生的能量非常小，它可能并不让你感到惊讶。关于电子伏特，详见本书第094页卡片“我们怎样标定‘高’能粒子”。

[6] 减速剂即中子减速剂，或称慢化剂，一般在核反应堆中，在不吸收中子的前提下减慢中子速度，以便让它们更容易被还未裂变的原子核吸收。吸收剂即中子吸收剂，在核反应堆中吸收中子以控制裂变速率。

[7] 宇宙射线的主要组成部分。

[9] 位于巴黎皇家宫殿（Palais Royal）内庭广场上。