王大虎

王大虎:令人震惊的科学异想

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聚变发电厂能成为现实吗?

 

很多科学家怀疑可再生能源能否满足未来人类的需求。如果到2050年,世界人口两倍于现在,再加上发展中国家生活水平的提高,能源消耗肯定会成倍增长。

目前,科学家正在努力以完全不同的方式制造“太阳能”,即模拟太阳内部的核聚变反应。组成太阳的物质大多是些普通的气体,其中氢约占71%,氦约占27%,其他元素占2%。太阳核心的温度极高,达1 500万摄氏度,压力也极大,使得由氢聚变为氦的热核反应(4个氢原子核合成为1个氦原子核)得以发生,从而释放出极大的能量——太阳内部每秒有6亿吨氢融合成氦。

自从20世纪50年代以来,科学家就在努力模拟太阳内部的运动过程。大量资金投入到实验中,但却从未获得过成功。要使氢原子核发生聚变,温度需要达到上亿摄氏度,可是在这个温度下,有什么东西能容纳下氢的同时自己又不会熔化呢?

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托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器,它的名字Tokamak来源于环形(Toroidal)、真空室(Kamera)、磁(Magnit)、线圈(Kotushka),最初是由位于前苏联首都莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。托卡马克的中央是一个环形的真空室,外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋形磁场,将其中的等离子体加热到很高的温度,以达到核聚变的目的。相比其他方式的受控核聚变,托卡马克拥有不少优势。但常规托卡马克装置体积庞大、效率低,突破难度大。

建立聚变发电厂需要大量资金,即使资金雄厚的发达国家也无法单独实现。美国、日本和欧洲的科学家曾经花了10年的时间研制一个聚变装置,但最终美国退出了该项目,因为国会不批准必要的资金申请。从中可以看出,该研究领域的未来还十分模糊。然而,聚变反应堆毕竟是人类的一个希望,和依赖于风力和天气的可再生能源相比,聚变发电厂能按照人类的需求来产生能量。

聚变发电厂所需的原料大量存在,即常见的海水。1升海水中所含的核聚变原料,通过核聚变反应可产生相当于300升汽油燃烧所放出的能量。地球上有足够的海水,可以支持聚变发电厂运行几百万年。而且聚变发电厂不排放任何温室气体,所应用的技术也相对安全。在聚变发电厂中,绝对不会出现类似切尔诺贝利那样的严重事故。

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如果科学家计划中的超级托卡马克取得成功,第一批聚变发电厂将在四五十年后投入运营。到那时,离科学家开始研究这种能源已经过去了100年。在研究进展到那一步之前,人类肯定还会面临激烈的讨论和争辩,因为聚变发电厂也有它的弊端。那就是当氢聚变成氦时,会产生辐射。因此,发电厂必须有厚厚的围墙包围,而且在聚变区域只能由机器人来工作。另外,即使聚变发电厂停工后,周围地区仍会长时间遭受辐射。

如果必须在聚变能源和其他能源之间进行选择,肯定会引发激烈的争论。一个依赖于托卡马克的社会,和由风车、太阳能发电厂供应能源的社会,是完全不一样的。前者,一个国家的能源需求可以由几家属于国家或者大公司的发电厂来满足;但如果选择了后者,将需要建立数以百万计的小型发电厂,分别属于私人或者小型团体。

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什么会导致全球X荒?

 

科学家曾预计,到20X大约需要新增加9 000万公顷耕地,才能为不断增长的人口提供足够的食物,这个面积相当于法国的国土面积。但问题是,地球上是否还有那么多肥沃的土地。砍伐森林不是个好办法,因为林地通常不适合种植粮食作物。好的耕作土层大多在平原地区,但早已用作修建房屋、街道、机场等,这表明农民必须和其他社会利益X体争夺土地。

另一方面,如果森林被砍伐,或者畜牧草场成为荒地,水土流失将会日益严重。流经南亚次大陆的恒河就是一个例子。在某些季节恒河呈现出黄棕色,这是尼泊尔山上的土层被河水冲刷所致。在尼泊尔,人们为了获取燃料不得不砍伐森林,可是没有了森林的保护作用,土壤被雨水冲入恒河,失去了肥沃耕地的农民变得更加潦倒。

过度放牧也会造成水土流失,使得原本肥沃的土地变得贫瘠。非洲某些地区早就出现了这类问题。非洲许多部落一直以畜牧业为生,随着人口的增长,畜X不断壮大,而草被吃光后,土地就沙化荒芜了。

许多地方的农民还面临着缺水的威胁。没有足够的淡水,农作物就无法正常生长。世界上许多曾经最为肥沃的农业用地,现在都由地下水来灌溉。大多数地下水都源自上一个冰河时代,但由于过度开采,地下水储备也已渐渐枯竭。沙特阿拉伯就是已经用尽了地下水储备的国家之一,将来其他地区也会出现这种情况。如果我们继续向江河、湖泊和海洋中倾倒X,情况一定更恶劣。在贫困国家,每年有几百万儿童死于水污染导致的疾病。

另外,气候变化对水源也会产生影响。没有人能确切知道,气候变暖会带来什么后果。有些地区因为气候变暖,植物拥有更长的生长期,人们可以种植更多的粮食。而有些地区,气候可能变得更加干燥,因此继续种植小麦或者水稻之类的重要粮食作物会更加困难。从这个角度考虑,科学家十分担心美国的中西部地区,将来在这里,由于严重干旱,粮食种植将面临极大威胁。如果失去这个“世界粮仓”,全世界都会深受其害。

随着农业技术的提高,在过去50年,大米、玉米等粮食价格不断降低。但是在21世纪,情况正在发生变化。因为如果耕地紧缺,粮食价格一定会上涨。对于富裕国家的人来说,面包的价格是1马克多点还是1马克少点,这并不太重要。但是对经济上并不宽裕的许多人来说,价格的变化则直接关系到他们的生活。如今,非洲、亚洲和南美洲都有人X抗议食品价格上涨。

也许在21世纪,人类将经历第一次X。如果X大范围爆发,各国相互之间也无法提供帮助。现在如果哪里食物不足,我们还可以用储备粮接济他们,但若粮食储备逐渐耗尽,就无能为力了。

因此,人类必须更好地利用现有的耕地,科学家也正在借助生物技术来实现更高的产出。

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将来人类的饮食结构要如何调整?

 

在发达国家,很多人饮食过量,体重超标。在20世纪90年代末期,这成为世界上最大的健康问题之一。体重超重意味着摄取的能量远比身体所需的能量多。体重超重也是由于很多人的工作都是坐着完成的,平时活动量不够所致,而很少运动的人需要的能量比从事体力工作的人少得多。很多身材苗条的人吃得虽然不少,但是通过运动消耗掉了过多的能量。想一想很奇怪,在发达国家,人们一方面要为减肥课程和去健身房支付一笔不菲的费用,另一方面还得为X大量食物支付费用。

关键不仅仅在于我们吃了多少,还在于我们吃的是什么。在西方国家,如美国和欧洲国家,人们吃的食物大多由肉和牛奶组成,这种饮食结构容易造成健康问题。研究证明,食用过X类和奶制品可能导致癌症和心X,同时,这也是对资源的一种浪费。现在,猪和牛的饲料常由粮食和人类的剩余食物组成,而粮食中的大部分能量却在进入动物体内后流失了,因为动物需要能量维系生命。要获得1千克牛肉,就必须提供7千克饲料。

发达国家中有越来越多的人崇尚素食主义,如在20世纪90年代末期,英国素食主义者的人数就明显增多。原因也可能在于,很多人对于现代农场的饲养方式感到厌恶,并且害怕诸如疯牛病之类的动物疾病。

光满足欧美和日本大约10亿肉食者的需求,就要很高的投入。巨大的饲养场里,奶牛、猪和鸡都无法X活动。20世纪80年代末期,开始出现一些组织为动物争取权利,他们认为应该采取符合物种自然生活状态的饲养方式。比如说,在“走地鸡”(在地面X生长的鸡,有一定的活动空间)、“柴鸡”(在被屠宰之前可以X活动的鸡)和“笼养的鸡”(只能在笼子里待着的鸡)之间做出选择变得越来越普遍。由于需要更多空间和饲料,所以X养殖的家禽家畜价格更高一些,不过人们都愿意支付这笔费用。

总的来说,过去几十年来,肉类价格有所下降,因为作为饲料的粮食变得更便宜。但是,如果粮食价格在21世纪上涨,肉类的价格也将随之上涨。也许发达国家的人要开始少吃肉,以便为发展中国家预留更多的粮食。

或者,也可以对食物征收“生态税”。现在很常见的是,以环保、天然的方式生产出的食物比工厂加工的食物价格更高。未来可能会发生一些变化,因为没有人能想象30年后富裕地区的人们人均每天食用多少肉和鱼!

 

 

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你能接受这些离奇的食物吗?

 

饲养小动物比饲养大动物更划算,要产出1千克鸡肉所需的饲料,远远少于产出1千克牛肉所需的饲料。主要原因在于鸡的生长速度更快,从小鸡到适合屠宰一般只有几周。

 

上图为两种产出效率高、营养丰富的“美味”。

亚洲和非洲都有类似的说法,即动物越小,能获取的肉就越多。这些地区的人也吃昆虫,因为昆虫含有大量的蛋白质,正是不常吃肉的人容易缺乏的。上千年来,蝗虫一直是人们喜爱的一道美味,甚至对《圣经》中提到的施洗约翰来说也不例外。蝗虫的幼虫大多可以食用,南非有一道名菜就叫脆炸幼虫。

如果我们能够克服自己的偏见,尝试着想象一下吃昆虫的好处,也许我们能从中获益。昆虫的捕捉和饲养都很容易,它们的食物是各种植物,而且它们繁殖迅速。我们当然没有必要在吃昆虫的时候保持它们的原貌,例如用干燥的昆虫磨成的粉末可以做成一种重要的补充食物。实际上,我们中的大多数人都在吃和昆虫有关的东西,只是没有意识到而已——在水果、蔬菜和粮食中便经常隐藏着小昆虫及它们的虫卵和幼虫。

讲述这些内容,是因为未来的食物在现在人看来可能会显得十分奇怪。一些科学家正在考虑用微生物来代替我们现在吃的食物。微生物具有的营养价值和大型有机物一样,比如一些酵母可用于烘烤面包,还有一些酵母在添加糖以后能产生酒精。现在,甚至有许多人直接吃酵母,因为酵母富含维生素B。酵母还可用作动物饲料,能产生一种“酵母团”,与X有类似的特征。这一点很重要,因为将来可能会利用酵母产生肉的替代物。

人类还可以从海洋中获取食物。海藻和浮游生物生长迅速,赤道全年都受到最强烈的阳光照射,那里的海藻养殖场能直接满足人类对植物性食物的需求。

自然界中最小的有机物是细菌。看到这个词,许多人首先想到的是疾病,但是有上千种细菌是对人体有益的。养殖细菌也是个不错的选择,它们只需要少量能量就能生存,而且生长周期短。很多细菌富含蛋白质和其他营养物质,这都是人类所需的。而且细菌是可以吃的,每天我们都会接触到几十亿个细菌,却并没有受到任何伤害。

20世纪,各个领域的科学家和工程师研制出许多先进的技术,让食物保质期更长,营养更丰富,并且烹饪方法更简单。21世纪,研究人员最重要的任务可能是,用现在觉得不可能的原料制成美味佳肴,至少要让一部分人能把它们和吃饭联系起来!

 

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