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强大的力量就快与我们同在

发自汉堡——大约60年前,核能的发现为世界能源问题承诺了一条终极解决方案。但时至今日,这一承诺却依旧未能实现。核技术的发展止步不前,许多核电站使用的还是半个世纪以前发展出来的技术。

核能是由铀和钍这类重元素的裂变反应所产生的。反应中,这些元素的原子核通常会裂变成两个较小的原子核以及两三个中子,并释放出比任何化学反应都大几百万倍的能量。而重元素之所以中拥有如此巨大的能量,就是因为其内部储存了超新星爆发时所释放出来的一小部分能量,要知道正是这种能量在大约50亿年前创造了地球和整个太阳系。

当今的核电站使用一种特殊的铀元素(铀235)作为燃料,通过从一个原子核裂变反应中释放中子并引发另一原子核裂变的链式反应来产生能量。但不管是储量比铀235丰富一百倍的铀238还是更容易从自然界中获取的钍都无法被大规模地用于生产能量。

事实上,任何重元素(甚至是铅)在理论上都可以成为核能的潜在来源。几乎所有学习过核裂变反应的人都会感到震惊:原来获取能量的可能方式竟有千千万万。

但在获取这些资源方面的进展却异常缓慢。从科学家的角度看来,主要的问题就是知识的缺乏。尽管已经有数百座核电站在成功运作着,我们对核能的理解其实还只停留在观察实验层面上,而用这种方式所得到的知识往往是不完整的。

比如说在产生核能的过程中,裂变反应多次重复,而每次重复过程的不完全则导致释放出来的能量较预期中少。这妨碍了反应的最优化,也是欧美许多试图通过储量更丰富的铀238或钍(快中子增殖反应堆)来产生能量的大型项目在实现预期效果之前就被迫下马的原因。

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另一个问题则是核裂变生产能量之后所产生的核废料。如果我们使用由外部加速粒子所激发的核裂变,这些废料可以被大部分——甚至完全——分解成为无辐射性物质。但与此同时,我们需要对核反应特性有更多更精确的了解。

将原子核结合在一起的力其实是一种特殊的“强相互作用力”,是自然界中4种基本力的其中之一,而且对其的研究极端困难,因为这种力不但作用时间短而且极为剧烈。大概在50年前,研究强相互作用力的方式就是使两个质子在极高能的情况下相互对撞。

高能粒子的加速度将减慢所有物理过程,依照爱因斯坦的相对论,对于快速运动的物体来说时间的运行将变慢。由于质子是最简单的核,因此科学家希望在高能情况下质子散射所产生的力量可以像一个慢动作电影一样被观察和分析,并因此能精确地理解强相互作用力。

全球为此建立了数座大型加速器研究中心,而高能粒子的散射也揭示了物质的奇妙结构。在此过程中发现的新粒子(胶子)能传递强相互作用力,而这一发现将可以提供一个精确理解强相互作用力的线索。

在短距离的情况下,胶子会产生一个相当弱且已经被充分研究理解的引力。但在一个相当于质子半径的长距离上,这个力会变得相当强,并将相当数量的胶子整合成一个至今未能完全理解的复杂结构。因此在一段时期内,人们不认为强相互作用力的特性可以直接从胶子的特性中得到。

但在最近几年间,位于汉堡的德国电子同步加速器研究所在实验中观察到了慢动作下的强相互作用效应,而这也开启了一个精确理解强相互作用力的途径。在该研究所的加速器中,电子在质子上的散射是以一种同类实验前所未有的高能情况下进行研究的。

这座加速器在1992年开始运作,至2007年关闭。其中一个最重大发现就是数种在高能短距离情况下观察到的明显现象可以清晰地归结于胶子的释放和胶子结构的形成。通过观察在距离不断增加的情况下这些结构如何变化,就可能观察——并因此理解——强相互作用力的作用。

这类清晰胶子结构的出现其实是意料之外的;德国电子同步加速器研究所的实验本身并非为此而设计,但测量强相互作用力的精确实验可以通过已有技术来设计建造。对此已经有两批科学家,一批集中在美国的布克海文实验室以及托马斯杰斐逊国家加速器实验室,另一批则聚集在日内瓦的欧洲粒子物理研究所,一同试图重启对电子-质子相互作用的研究。

对这些相互作用的研究将提供一个对强相互作用力的精确理解。同时正如物理学的历史所揭示的那样,一个对自然力的更深刻理解将开启一个崭新且出乎意料的可能性。比如我们在19世纪和20世纪早期对于电磁力的理解就催生了当今种种在电信、电子计算机,化学和材料学方面的惊人发展。

而对于开发利用核能资源的新方法,以及解决核废料问题来说,这么一个对强相互作用力的精确理解都将非常意义重大。

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