【菜科解读】

在讨论原子核科学技术时，许多民众首先想到的是核武器 很厉害、核辐射 很恐怖，这可能是因为某些影视作品和文章负面宣传实在过于深入人心了。

这种负面印象在中国如此，海外也差不多。

因此，关于原子核科学相对全面客观的介绍说明，对于提升公众的知识结构是很有必要、也是很重要的。

本文主要讨论原子核科学与民生应用。

一个学科的生命力在于实践，特别是社会上相对大规模的实践和应用对于一个学科发展一定会产生源源不断的动力。

原子核科学的民生应用在社会舆论方面被极大地低估，甚至没有什么名气；

原子核科学对于社会的舆论影响甚至远赶不上那些影视明星的生活八卦。

本文希望表达的是：原子核科学于民生有大用，而且是科学领域在改善民生方面的佼佼者！

图 原子核科学不是交际花，而是穆桂英，上得厅堂、下得厨房 图源 | 百度百科

现在其实已经有许多文字和宣传材料解释原子核科学在民生方面的应用，这里先说说大家都知道的核能应用。

我们知道，充足的能源是人类现代社会可持续发展的必要条件。

因为个别国家利用石油货币周期性地从全世界其它国家身上薅羊毛，而且化石能源 煤炭、石油、天然气资源不可再生、环境保护压力（碳排放和环境污染）,利用核能就既必要又十分重要。

因为核能技术的发展，核能越来越成为能源的重要选择。

例如，美国核能比例约为总电力的20%，法国核电比例则高达75%。

经过快速发展，我国核电比例从2012年的不足2% 提高到2018年底的4.22%，这个比例仍然不高，所以还有很大提升空间。

核电的GDP非常大，这点是不言而喻的。

如今，核电已经发展到第三代、第四代，就象网络的4G和5G一样。

三代和四代核电的安全性、经济性远高于几十年前建造的核电, 而且核废物量少，其中第四代核电系统还可以有效防止核扩散，因此代表了先进核能系统的发展趋势和技术前沿。

国际社会提出在2030年前开发六种第四代核电站的新堆型，这是多么美好的前景。

2006年，欧盟和世界主要大国（中、美、俄、印、日、韩）共同签署了历时35年的国际热核聚变实验堆 ITER计划, 建造可实现大规模聚变反应的聚变实验堆, 即核聚变能源发电的实用化。

利用核聚变能源发电的诱人之处在于聚变能的资源无限，而且没有放射性核废料，这是未来能源的主导形式, 也是最终解决人类社会能源和环境问题、推动人类社会可持续发展的重要途径。

ITER 计划是实现聚变能商业化的第一步。

下图是取自于美国Contemporary Physics Education Project CPEP对于核科学介绍的一个插图，说明原子核科学在各个方面的广泛应用。

我们挑几个简单内容讨论一下。

图 原子核科学的应用范畴。

图源 | Nuclear Science, Contemporary Physics Education Project CPEP

我先说一个非物理专业同胞们可能不知道的应用——核技术广泛应用于考古。

这是什么道理呢？原来， 在大气层顶部一直发生一种核反应：来自外太空的中子轰击到大气中的氮原子核，一个中子把一个质子敲出去，这个中子留在原子核内，从而把氮转变成碳。

这些碳转化为二氧化碳后被植物吸收，然后再被动物吃掉，从而参与生物圈的循环。

因为这个过程在过去很长时间内产额都很稳定，又因为碳会衰变，经过上亿年后，碳与通常的碳在地球上的比例就确定下来成为一个常量。

在地球环境中，每10^12 个碳原子中有一个是碳，这一点对于所有参与生物循环的生命都是一样的，不管是一棵小青菜、一棵大树，还是美国有权有势的前总统特朗普或者阿富汗边远村落一条吃不饱食物的狗狗，体内碳与碳的比例都是相同的。

可是一旦生物体死亡了，生物体内的碳就不能参与外面的碳交换了（即碳 就无法补充了）; 由于碳衰变，死亡生物体内的碳含量就比外面的要少，时间越长碳含量越少。

碳的衰变周期为5730年，因此很适合几乎无损伤地鉴定时代久远的文物。

这里我说两个相关的例子。

一个是关于都灵裹尸布 shroud of Turin 的鉴定。

人们认为这块裹尸布曾裹在耶稣身上，那么这块裹尸布究竟是真的吗？当然年份上要正确，否则就不要谈下去了。

这个过程做得十分严谨，为了完全确认这块裹尸布的年代，还成立了一个链条很长的委员会，从裹尸布上取了约150mg的样本，分发给五家国际实验室，最后比较所有样本的测量年份。

这个著名工作发表在 Nature 227, page 611 1989。

另一个例子是我国的越王勾践剑的鉴定，也是同样的思路，这是我国核物理学家杨福家教授的成果，实验结果证明了该剑的年份。

说这些可能大家觉得离自己生活比较远，下面我们聊聊在生活中常见的一个小东西。

在每个旅馆里有一个标配，在天花板顶上有一个很小的圆形盒子——烟雾报警器。

它的工作原理很简单：里面有放射性的重核素Am-241，它会发生alpha衰变，产生的alpha粒子会把空气电离，从而可以形成极其微弱的电流回路；

假如空间中的烟雾达到某个临界值，因为烟雾是一团又脏又重的大颗粒，这些烟雾颗粒就挡住alpha 粒子，空气就不能再被电离，微弱的电流回路就大幅减少或者没有了。

系统设置当这种电流减弱发生时就立即自动报警。

图 核技术被应用于烟雾报警器。

图源| pixabay

请大家先不要骂生产的商家黑心地用这个放射线玩意儿以次充好，其实这个报警装置非常安全，alpha粒子在空气中是根本跑不远的，辐射剂量可以忽略不计；

辐射剂量都是事先算好的，非常安全。

从原子核科学衍生的技术非常之多，在材料科学、军事科技 不仅仅是核武器、环境科学、航空航天等领域都有极其广泛的应用。

下面再简单提及核科学在医学和生物方面的应用。

我有一个数据，同样来自于Contemporary Physics Education Project CPEP 对于核科学的介绍: 2003年，美国每年住院人口3000万，1/3 是用核药治疗的；

美国每年约1亿次核医药试验，世界其它地方加起来差不多大致这个规模。

这个数据是否很令人惊讶呢？

过去，肿瘤治疗主要靠核辐射的gamma射线 也是核科学技术，现在可以用重离子轰击肿瘤细胞。

人们可以根据肿瘤细胞所在生物体内的深度，计算出医用的重离子能量，从而准确杀死肿瘤细胞，而不是像传统利用Co-60的gamma 射线 八十年代风靡国内的日本电视剧《血疑》中,女主人公大岛幸子正是遭受了Co-60的辐射而引起健康上的悲剧 那样杀敌一千、自损八百,无差别地杀死健康的细胞。

这个技术设备现在已经被中科院近代物理所的朋友们国产化，社会效益当然非常好。

我们知道，辐照诱发生物突变。

人们把核技术用于育种, 从各种变异品种中筛选遗传性稳定的优良品种。

而重离子束是一种新兴的辐射诱变源,单位剂量的诱变效率比X 射线、γ射线和电子束等高一个量级。

重离子束穿过生物介质时把能量沉积在径迹上, 引发DNA分子的损伤，具有很高的生物学效应。

图 我国的重离子辐照诱变育种主要处理水稻、小麦、高粱、玉米、药材、花卉和水果等。

图源 | 中科院近代物理所

重离子束辐照诱变育种发展迅速，国内外获得了很多优良特性的植物突变体。

我国的重离子辐照诱变育种主要处理水稻、小麦、高粱、玉米、药材、花卉和水果等, 创造了巨大的经济和社会效益。

总而言之，核科学绝对不是花瓶式的、少数学者的游戏，原子核科学有大用于民生。

科学技术是第一生产力，用在原子核科学上是很恰当的。

如果有人对于原子核科学的应用产生兴趣，那么不妨在网上多搜罗一些原子核科学方面的介绍；

而如果青年学生对此有兴趣，不妨多花一点时间阅读一些原子核科学的书籍，在认识原子核之美——复杂多变之美、条理简单之美、规则对称之美、精微玄妙之美、苍茫壮丽之美、和而不同之美、民生大用之美——的基础上，学习原子核基础理论和实验技术，投身于人类社会科学技术进步的洪流中，并为强我中华而努力！

本文经原作者授权转载自科学网博客，原标题为民生大用之原子核。

原文链接：https://blog.sciencenet.cn/blog-340416989686.html

五个科学无法解释的未解之谜

灵魂是否存在历史背景：人类对灵魂的探讨可追溯至几千年前，不同文化、宗教中均有关于灵魂的传说与观念，早期人类就对灵魂怀有敬畏与恐惧。

主要观点：非物质存在：部分人认为灵魂是非物质形态，与躯体共生，躯体死亡灵魂也随之消散；

或认为灵魂是独立生命形态，人死后进入更高时空维度（如四维空间）。

精神寄托说：更多人觉得灵魂是人类在拥有宗教、哲学、信仰后创造的概念，是人类对生命渴望的精神寄托。

研究现状：目前既未发现人死后灵魂存在的确凿证据，也无法证明灵魂不存在，其本质仍是未解之谜。

生命起源之谜常见解释及问题：神创论：认为生命是某种智慧生物创造，但此解释陷入逻辑死循环，无法说明创造生命的智慧生物起源。

自然发生论：认为生命从无生命物质中自发产生，然而生命复杂程度极高，现代科技无法用无生命物质制造出最简单的生命细胞，自然发生的概率微乎其微。

研究困境：除上述两种解释外，尚未找到其他合理且被广泛认可的生命起源解释。

宇宙的边界问题争议观点：无限宇宙观：因宇宙从大爆炸后持续加速膨胀，许多人认为宇宙无边界。

有限宇宙观：从科学角度思考，世间万物似乎都有大小和边界，如地球曾被古人认为无限大，但走出地球后发现是有边界的球体。

现实情况：宇宙由“可观测宇宙”和“不可观测宇宙”组成，因宇宙膨胀，遥远星系以超光速远离我们，我们只能看到部分宇宙，在观测到全部“不可观测宇宙”前，难以确定宇宙是否有边界。

梦境的真实性梦境体验：每个人都有做梦经历，多数梦境模糊，但少数非常真实，醒来后梦中人或物仍印象深刻，甚至有人难以分清现实与梦境。

相关猜想：平行世界论：有科学家猜想梦境可能是真实的，是我们在另一个平行世界的经历。

平行世界与多元宇宙论相关，随着科技发展，认可该理论的科学家增多。

多维空间关联：科学家认为平行世界与多维空间关系密切，人类生活在三维空间，之上还有更高维度空间，不同平行世界存在于不同维度，梦境可能是连接现实与平行世界的桥梁。

研究现状：目前这些只是猜想，尚未有确凿证据揭开梦境谜团。

宇宙中是否存在其他高级文明推测依据：地球是宇宙中普通行星，因具备适合生命存在的条件才有生命诞生。

宇宙有138亿年历史，行星数量难以计数，存在其他适合生命诞生行星的可能性极大，甚至可能存在领先人类数十亿年的高级文明。

现实情况：然而，我们眼中的宇宙一片死寂，迄今未发现任何外星人存在的痕迹。

科学家虽提出很多观点，但都只是猜测。

人类科学界公认的125个未解之谜都有哪些？

人类科学界公认的125个未解之谜源于2005年美国《科学》杂志为纪念创刊125周年发布的“125个科学前沿问题”清单，涵盖了从宇宙本质到生命起源的核心难题。

1. 宇宙相关宇宙由什么构成：已知宇宙大部分质量由难以直接观测的暗物质构成，暗能量则推动宇宙加速膨胀，但具体成分和性质不明。

宇宙是否唯一：目前不清楚我们所在的宇宙是独一无二的，还是存在多元宇宙。

是什么驱动宇宙膨胀：科学家发现宇宙在加速膨胀，但对于推动这种膨胀的能量来源（暗能量）的本质了解有限。

黑洞的本质是什么：黑洞具有强大引力，连光都无法逃脱，其内部的物理规律和结构仍是未解之谜。

正物质为何多于反物质：在宇宙诞生之初，理论上正物质和反物质应等量产生，但现实中正物质占主导，原因未知。

2. 生命科学相关意识的生物学基础是什么：不清楚意识究竟是大脑活动的结果，还是某种更深层次的存在。

为什么人类基因会如此之少：人类的基因数量相对较少，但却展现出高度的复杂性和智能，其具体机制有待研究。

遗传变异与人类健康的相关程度如何：尚未明确遗传变异在多大程度上影响人类健康及疾病的发生发展。

是什么控制着器官再生：一些生物具有强大的器官再生能力，而人类的再生能力有限，控制器官再生的机制尚不明确。

地球生命在何处产生、如何产生：地球上的生命如何从无机物中诞生的过程仍不明确。

3. 物理相关物理定律能否统一：广义相对论和量子力学分别在宏观和微观领域取得成功，但如何将二者统一是理论物理的一大难题。

量子不确定性和非局部性背后是否有更深刻的原理：量子力学中一些奇特现象背后可能存在更基本的物理规律等待发掘。

重力的本质是什么：虽然牛顿和爱因斯坦对重力有不同的解释，但重力的本质和产生机制还有待深入探究。

时间为何不同于其他维度：时间具有单向性等独特性质，与空间维度有明显区别，其原理尚未明确。

是否存在比夸克更小的基本粒子：目前夸克被认为是基本粒子，但不能排除存在更小构成单元的可能。

这份清单虽已发布近二十年，但其提出的问题仍是当今科学界致力攻克的核心方向，后续科学进展如引力波的发现等均与之紧密相关。