阿来专栏
能量的故事
能量的故事
1999 第11期   - 世纪回眸

阿来专栏


    能，是我们处的的这个宇宙的一个方面。另一个方面是物质。物质是实体，推动物质运转的是能，物质与能相互作用，造就了宇宙的现状。这个二元论的概念是一个十分复杂的知识系统，这个概念的形成构成了科学史上许多引人入胜的伟大故事。

    人类文明的初期，物体运动就使人们产生种种想像。古外套膜人看到重物落地，认为在物体内部有一种“寻找自己位置的愿望”。亚里士多德认为是“房屋的动力”使行星不停运转。

    今天的观念则认为，宇宙的演化与均衡，和它从大爆炸以来就一刻未停的膨胀，都是做功的能导演的魔法。自然界和我们的身体都在一刻不停地做功，耗用无穷无尽的巨大能量。

    今天，人类对能源开发和社会文化发展间的重要意义已经有了非常深刻的认识。阿西莫夫向来把科幻小说看成未来的历史，所以，在他的名著“基地系列”中，就更多地参考了罗马帝国兴衰的模式。因为时代的变迁，帝国的建立需要仰伏大量的能源，就像古罗马帝国的扩张需要更多的战马与骑士。这个帝国的创立者是一位叫哈里·夏尔登的科学家，他手下的许多科学家都能制造出核桃般大小的核反应堆，他们在超时空旅行和作战时，随身都携带着威力无比的能量，因而显得发强大。

    历史中权力政治的模式不会有太多变化，科技发展给人类生活提供的可能性却会千变万化。

    在人类历史上，最早对能源和利用是水能。在现代汽车工业中，许多最重要的构件，比如齿轮、杠杆，都是作为重要的组成部分在古代水车上开始应用的。水车利用水流本身的力量，把水送到高处的地方进行灌溉，再后来，水被用来失去石磨。古外套膜诗人甚至写诗歌颂彼时刚刚出现的水磨：

    现在河口的仙女，

    跳到了水车轮上，

    轮子带动了转轴，

    转轴又叫磨子歌唱!后来，水磨又被用来研磨火药。这又是一种新能源了。

    公元644年，波斯制造风车的匠人阿布·鲁鲁亚行刺哈里发。这是最早见于书面的有关风车的记载。在今天，在一些缺水或者像荷兰那样低海拔且临海的地方，风车仍是一种特别的文化景观。

    在机械能的最初运用中，人类对能的一部分在做功时会变成热耗散掉这一特性缺少认识，所以，很多人都投身到永动机的研究当中。后来，人们才认识到，能量不可能被消灭，只能从一种形式转变为另一种形式。每一次转变都有部分能量变成无用的热散失到宇宙中。人类直到上一世纪才认识到这一规律，这才明白苦干世纪以来对永动机的研究完全是白费精力。

    更间接更复杂利用能源的方式首推蒸汽机的发现。第一台蒸汽机出现于1712年的英国，一个名叫纽科门的人将这台烧煤做功的机器安装在科尼格尔煤矿坑口抽取井下的积水，这台机器吭吭哧哧地一直工作了三十多年。在科学史上，有很多张冠李戴的发明故事。一个流传甚广的故事说，是瓦特从一把煮沸的茶壶得到启发发明了蒸汽机，但事实并非如此。瓦特对蒸汽机的贡献是提高了蒸汽机做功的效率。

    1801年，意大利人伏打被拿破仑召到巴黎，演示最先出现的连续电源——电池。伏打制造出了最早的稳定的人工电流。看不见的电流作为一种新能源与水流非常相似，电子总是从数量多的地方向数量少的地方流动。电流就是努力把电子的不平衡拉平的电子运动，不平衡度的大小就叫电压。电子流动的压力单位用伏特来表示电子流动的数量。在一定直径的导线 的横截面上，每秒钟通过6.242×10~(18)个电子就是1安培电流。伏特和安培是电流的两个测量单位。天空中闪电的每一次闪烁，电压可达到1亿伏，电流则达到16万安培。

    电在上一世纪就进入了人类的日常生活。人们熟知富兰克林捕捉闪电里电流的故事，也熟知爱迪生等早期电器发明家的故事。但20世纪有关能源故事的最新版本的主人公是爱因斯坦、玻尔、奥本海姆这样一些物理学家。

    在本世纪初，爱因斯坦已经建立一种理论，提出质-能恒定律：物质等价于能量，并推出了他著名的公式：

    E=MC~2其中，E是能量，M是质量，C是光速。这个理论刚发表时，在科学界引起了广泛的急论。直到1932年，科学家们发现了一种后来命名为正电子的基本粒子，才印证了爱因斯坦质能相当的观点。根据爱因斯坦的这一质能转换公式，任何一磅(454克)生的物质，其静能完全转化为动能时将相当于：

    110亿度电；

    150亿马力小时；

    可供一只电熨斗用100万年；

    使一辆汽车绕地球行驶18万圈。

    但是，人们始终没有找到放出物质中这种理论上的蕴藏能量的方法。直到1945年，在科学史上，因一个单项剂量而集中科学家最多的群体，终于从原子中释放出了令人目瞪口呆的能量。

    1942年，物理学家费米实现了首次原子核链式反应，他的同事用几个英文单词打出了一个密码电话。他们说：“这个意大利航海家已经登上了新世界。”这真是一项伟大的发现。1905年，爱因斯坦作出了少量物质可以产生巨大能量的预言，现在费米和他周围的科学家们，找到了打开物质的心脏原子核的办法。如果说一颗原子有房间那么大，那么，原子核不过像其中的一粒沙子。但是，这一小点物质依靠一种巨大的力量才结合在一起，这种力量是如此巨大，所以，原子核一旦被激发产生裂变，蕴蓄其中的能量就会爆发出来。

    物理学家们发现铀的原子核分裂时产生新的中子，他们马上想到了用这些新的中子去轰击其它的原子核，而产生出链式反应。1945年，人类历史上第一个原子装置在美国新墨西哥州的沙漠中试验成功。与这个故事相关的两个名字是广岛与长崎：好战的日本人降下了天罚一般的夺目闪光。

    原子弹是不加控制的核反应。

    可控制的核反应提供的则是源源不绝的电力。

    和战争时期产生的许多创造发明一样，核反应的巨大能量在炸弹爆炸中才可能得到完全的利用，冲击波、放射性和热。而在核能不被当成威力无比的炸弹时，人类却只能利用其核裂变时的副产品。在可控的核反应堆中，人类唯一目的就是索取热，因为它可以将水变为蒸汽，驱动涡轮机产生源源不绝的动力。

    最初的核反应堆果然被美国人安装到了第一艘核动力潜艇“舡鱼号”上。美国总统杜鲁门当时就预言：这将是供给工厂、农村及家庭用电的核发电厂的先驱。这个核反应堆要比商业上所用的核发电厂中的反应堆小100倍，但却使船只不再需要中途靠岸添加燃料，因而“舡鱼号”完成了人类首次在北冰洋冰下的巡航。“舡鱼号”的首次航行就远胜过凡尔纳笔下的同名潜艇，一口气航行了10万公里。“舡鱼号”上的反应堆一直稳定地工作，直到1979年退役。

    1957年，世界上第一座核电厂在美国宾夕法尼亚的希平波特建成。这种反应堆的工作原理是，堆芯中不稳定的铀，在中子的轰击下开始分裂，产生新的中子和热量。这些新的中子又轰击和分裂处于链式反应中的其它铀原子。对核反应的控制是通过控制棒在堆芯中进出伸缩来实现的。控制棒用硼、镉和铪等材料制成。这些材料能吸收中子，使轰击铀原子的中子数量得到调节，从而使核裂变受到控制。

    核反应堆的稳定与高效，促使了核电技术的飞速发展。到本世纪80年代中其，核电厂所提供的电力已经占了全世界发电量的五分之一。与此同时，人类鉴于核能的巨大破坏性，也为核能的安全利用提供了有力的技术保障。

    但任何事情都有例外，前苏联切尔诺贝利核电站的核泄漏事故就曾使举世震惊。并在某种程度上触发了科幻作家的灵感。

    在1998年风靡全球的大片《哥斯拉》中，怪兽哥斯拉登陆美洲时，曾使所有人束手无策。还是在切尔诺贝利研究核试验和岛上的蜥蜴联系在一起时，人们才知道哥拉原来是核试验引起的基因突变的蜥蜴。

    核反应戴盆望天在越来越大型化的同时，也在往小型化方向发展。这种小型化的核发电装置，在地球和遥远的外太空有着非常广大的应用前景。比如，放射性同位素衰变产生的热能，可供火星和月球上测量气象和导航的仪器用为动力。1969年，宇航员奥尔德林安放在月球上的月震仪就是利用了一个太阳能发电机和一个盥加热器。1977年，发射到外及空的宇宙探测器“探险者”号上，考虑到其将进入阳光微弱的窨，太阳能发电装置将失去作用，三台各重38公斤的核发电机被安置在了“探险者”号上。到时候，飞船上所有的动力都是盥238衰变产生热能转换而成，这动力足以支持该探测器在黑暗空间里飞行10年时间。

    核能的利用，为人类的能源利用开辟了一个广阔的前景，但是，世界上的能源消耗正以惊人的速度在增加。全世界都在渴望新的能源，许许多多的科学家都在致力于寻找新的能源。

    我们的祖先在利用能源的时候，最先想到的是风与水，现在的科学家又重新想到了它们。当代人对这些自然力的认识已经深入了许多，科技条件也成熟了许多，所以，对于这些自然力的运用自然就进到了一个更新的层面。

    比如考虑到水能的时候，人类已经把目光投向了波涛滚滚的大海。海洋波涛具有的能量是世界上所耗全部电能的几倍。早在本世纪60年代，法国就已经建成了潮汐发电站，还有一想法是利用海洋温暖的表层水与深层冷水的温差来驱动海洋发电装置。

    在从中世纪一步踏入现代的中国西藏，地热发电和太阳能利用已经到了决定百姓生活状态与质量的程度。

    在这里需要指出的是，人类对太阳能利用的想像是一幅最为壮丽的图画，而远非几只太阳能灶那么简单。20世纪下半叶，当地球上的化石燃料一方面给环境造成巨大污染，一方面存储量又在迅速枯竭时，人们再一次打量太阳，发现太阳光可能会是最容易获得的也是最清洁的能源。根据科学家粗略的测算，每年落到地球表面的太阳光所包含的能量，等于全人类现在耗用能量的万倍以上。最新的运用方式是各种航天器上的太阳能电池，这些光电池所用的光敏材料(如硅和镉)可以将阳光直接转换成电能。

    在地球表面利用太阳能，往往会受大气层中云雾的遮蔽。在大气层之外的地球轨道上，太阳发出的边续能量比在地球表面所能接受的高15倍。所以，有人预言，下一世纪中期，在大气层外搜集的太阳能，可以供应世界所需电能的一半。科学家和科幻作家想像中的太阳能卫星电站，用几十亿个光电池组成太阳电池阵列，有几英里长，大昨像一座城市。另一种办法是将太阳的热量聚集输送到高空卫星上的太阳炉，驱动涡轮发电机产生电能。

    有了这样的发电站后，还会遇到一个能量的空间传输问题，无论采用上述两种构想的哪一种，最大的技术问题都需要将太阳能用微波的方式传送给地面几英里宽的接收天线。然后，再把这些微波束转化成电能，供消费者使用。

    在科学家的头脑中，人类在获得真正的自由，除了挣脱思想与制度的束缚，在将来更为重要的是，挣脱能源的束缚。比如杰克·威廉森就幻想了一种建立在源源不竭而又极其廉价的反物质能源基础上的自由，他把这种自由命名为第五自由。

    杰克·威廉森在《CT辐射》中虚构了另一部著作，主要探讨太阳系行星的能源问题，书名叫《无尽的能量》。这本虚构的书中说，鉴于太空中反物质差不多是取之不尽，用之不竭的，而且，所有设备都将是自动运行的，整个能量供应能够真正做到免费。这样，就可以建立起来一种真正的能量自由即第五自由，“它能保护人类一直为之却屡遭失败的其它自由。”

    当第五自由来到的时候，杰克·威廉森动情地描写道：“反物质与物质强烈地反应着，詹金斯却看不到可怕的火光，听不到爆炸声。他成功了!反应场里巨大的能量正在转化成传导合金圈里静静流淌的电流。”书里的英雄人物尼克·詹金斯宣布：“各行星的人们，无尽的能量正从我们的实验室流向整个太阳系，你们都能用简的单极接收器从能量场中直接获得电能。”