藏在袖子里的核武器：關于“核同質異能素”的科學與想象

請想象你未來的一日生活：清晨，手機足足叫了半小時才把你鬧醒。但你并不擔心手機沒電，因為它連充電口都沒有。要遲到了，你想到老板的咆哮，咬咬牙，叫了一輛“滴滴飛車”，投入一枚“能量硬幣”。飛車以十倍音速沖上亞軌道，半小時就從成都飛抵上海。公司大樓用電磁場懸浮在空中。它沒有接入電網，因為用飛車運輸電池的效率比電網更高。“叮咚”，你打卡成功，老板沒抓你遲到。于是，你愉快地開始摸魚。手機里新聞報道著索馬里發生的“伽馬射線暴閃”，疑因海盜在巷戰中使用了核步槍。據此，AI助理建議你購入點云科技的股票，該公司研制的“光傘”可以為你構建無限續航的貼身防御系統，用伽馬能級的激光蒸發雨滴，也可以攔截十米內的子彈。有了它，你再也不用擔心恐怖分子和蚊子了。但你最終還是買了納米醫療概念股，因為會被殺手盯上的大人物只是少數，而輻射病已經代替齲齒，成為這個時代的常見病……

這是一個不可思議的未來圖景，但并非不可能實現。它們有一個共同的“基礎”——超高密度儲能材料。

人類文明的每一次進步，幾乎都源自材料和能源的突破。從木柴、煤炭、石油到核能，每一代能源革新都會催生一輪工業革命。而下一輪的“工業革命”，就很可能來自一種被稱為“核同質異能素”的超高密度儲能材料。

新能源：工業革命的雷管

說起引發工業革命的新能源，我們常常會想到“可控核聚變”。這種人造太陽可以釋放氫核內部的能量，讓人類獲得幾乎無限的清潔能源。但事實上，當一個無限供能的聚變電站建立后，輸電和儲能就成了制約產業發展的“卡脖子”問題。

電動汽車是一個很好的例子。早在1881年，法國工程師古斯塔夫·特魯夫就發明了首輛使用可充電鉛酸電池的電動汽車，比卡爾·本茨發明的燃油車還早九年。但受限于鉛酸電池的能量密度低（約30～40Wh/kg）、重量大，續航里程短（通常不足100千米），很快被市場淘汰。直到1980年代鋰離子電池出現，電動車才重新回到工程師們的視野。

電動車商業化的能量臨界點大約是200Wh/kg（續航里程約400千米）。2000年初期，電池能量密度約為100～150Wh/kg，此時電動汽車的嘗試（如通用EV1）大部分胎死腹中。大約2015年前后，三元鋰電池（NCM/NCA）突破了臨界點，“新能源汽車”（如特斯拉Model S）才成為時代的新寵兒。目前，寧德時代、清陶能源等公司已規劃第三代全固態電池（能量密度超500Wh/kg），預計2026—2027年量產，試圖徹底解決電動汽車的安全問題和里程焦慮。

由此，一項儲能技術的突破，改變了數十億人的出行方式，帶動了數千億規模的市場，塑造了一個時代的交通圖景。

交通是工業的血管，能源是工業的心臟。從蒸汽機車開始，每場工業革命都在能源領域率先突破，以交通奏響號角，再蔓延到軍事、農業和第三產業。從這個意義上看，新能源可謂是引爆工業革命的雷管。

然而，無論是鉛酸電池還是三元鋰電池，它們歸根到底都是化學能源。經過幾十年的研究，它們的儲能密度已經漸漸接近理論極限。但人類的野心是永無止境的：我們想從家里坐上飛車直入太空；我們想在國慶假期內往返火星旅游；我們還想要永遠不會沒電的手機、永遠不用加油的汽車，從空氣里直接合成糧食，把淡化的海水澆遍撒哈拉……

如果把化學電池換成核電池，這一切可能發生嗎？

不妨看一下各種儲能物質的“能量天梯[1]”（如右表）。

很顯然，哪怕最普通的核電池，也比最強的固態鋰電池“高到不知哪里去了”。而且，核電池是很成熟的技術，在1976年發射的“旅行者”號探測器上就有钚238同位素電池，但它可不能直接裝到你的車里——它具有放射性且危險、昂貴。用它做電池等于在身體和車貸兩方面的慢性自殺。至于用核裂變、核聚變反應堆當電池，那就更困難了——沒人想把一臺“托卡馬克”裝置塞進車里！

核反應太危險，化學電池又不夠看。于是，工程師們把目光投向介于“化學反應”和“核反應”之間的過渡區域，找到了一種潛力驚人的超級儲能材料——核同質異能素。它的能量密度可達鋰電池的50萬倍。

激發態：原子核的多米諾骨牌

核同質異能素是什么？它為什么有如此驚人的能量密度，卻不需要核聚變的苛刻條件？這要從它的原理談起。

顧名思義，核同質異能素是有相同質子和中子數，卻有不同能量的核素。它是原子核的“激發態”。

“激發態”在我們的生活中很常見。譬如，火焰的光芒便來自核外電子的“激發”和“退激發”。燃燒發生時，電子從激發態軌道躍遷到基態軌道①，軌道間的能量差轉化為光子，這便是火光。幾乎所有發生能量變化的化學反應，都涉及了電子的激發和退激發。

其實，原子核也可以被激發，形成“核同質異能素”。它釋放的能量可達化學燃燒的1萬倍以上。但想可控地利用它，還需要解決兩個難題。

第一個問題是“壽命”。自1921年奧托·哈恩和莉澤·邁特納發現核異能素以來，核物理學家已經發現了近2500種原子核激發態[2]。但常見的高能激發態壽命都在皮秒（10～12秒）到毫秒量級；部分激發態壽命很長，但能量很低，能量密度甚至不如普通的化學電池。僅有少量核同質異能素的壽命、能量都滿足核電池的要求。例如，鉿178m2半衰期長達31年，衰變時釋放2.5MeV的高能伽馬射線。《三體》中人類艦隊裝備的伽馬射線激光炮，炮膛很可能是由這種材料填充的。

第二個問題是“同步”，即讓“大量”原子核同時釋放能量。1938年，人們就知道鈾核裂變會釋放能量，但反應僅局限在少量的原子核。直到1942年費米等人利用中子誘發了鏈式反應，“一整塊”鈾才有了制成原子彈的可能性。核同質異能素也是類似的：個別原子核的激發相對容易，但大量原子核（1023個以上）的激發是隨機和不可控的。這就像一個一邊注水、一邊隨機地漏水的水池。很顯然，沒人想要一塊這樣的電池！

固體激光器提供了一種解決問題的思路：1960年，美國科學家梅曼成功讓“一整塊”紅寶石里的原子在一瞬間“同步”地釋放能量。這利用了核外電子的“亞穩定激發態”。

什么是“亞穩定激發態”呢？不妨把原子核視為一個“三角形骨牌”（圖 2）。“基態”的骨牌平放在地面上，能量最低，也最穩定，任何擾動都無法改變它的姿態；“激發態”的骨牌尖端朝下豎起，能量最高，但也最不穩定，任何擾動都會讓它倒下。對于核同質異能素而言，這個“擾動”和“倒下”的時間大多在皮秒到毫秒量級（圖 3），因為過快而完全不可利用。

但某些原子核可能具有“亞穩定激發態”——它可以被視為一塊尖端朝上豎起的三角形骨牌（圖 2）。它的能量比不穩定的激發態低，但穩定性更好，小擾動無法撼動，必須足夠大的擾動才能把它放倒。因此，當外來能量注入時，原子核將陸續充能到“亞穩定激發態”，不會馬上退激發。于是，這樣的“亞穩定激發態”原子核越來越多，直到其數量遠遠超過基態原子核，達到所謂的“布居數反轉”狀態，“一整塊”核同質異能素便完成了充能（圖 4）。

接下來，就是能量的受控釋放了。一些實驗表明，使用0.2 MeV的低能X射線轟擊鉿-178m2有一定概率誘導其退激至基態，釋放2.447 MeV的伽馬射線，輸出能量是輸入的100倍[3]。據研究者推測，這可能是某種“鏈式反應”的體現——大量原子核被激發到亞穩態后，形成了“多米諾骨牌”效應（圖 4）。只要一塊被推倒，能量便會“雪崩”式地釋放。

如果這個推測成立，那么，一個“美好”的新世界，或一個恐怖的大變局，可能將在短短幾十年內轟然降臨。

新世界：超人社會與大航天時代

在科幻小說《來自新世界》中，作者貴志佑介設想了一個由“超能力者”組成的未來世界。在那個世界中，每個人類都掌握著名為“咒力”的超能力，可以意念移物、引爆空氣、憑空制造器物，甚至改變生物的DNA等。當然，這聽起來并不科學，但作者的目標也并不在此。從文學的視角看，“咒力”其實是人類想象力的象征，是人類改造世界能力的“夸張化”體現。夸張之處在于：它具有極高能量，幾乎可以改變一切，卻無法被防御，讓人類難以對抗來自其他個體的惡意。

據此設定，小說展開了嚴謹而精彩的情節，編織了一千年的反烏托邦未來史。這讓人忍不住想象：如果“咒力”的設定來到了現實中，世界將會變成怎樣的面貌？

核同質異能素，可能是現實里最接近“咒力”的存在。

它的好處無須多言：我們的手機將再也不需要充電口，一塊電池可以從出廠用到報廢；一架從掌心起飛的無人機可以續航3000小時以上，航程足以繞地球4圈；如果室溫超導沒有突破，用卡車運輸電池的輸電效率將超過特高壓電纜，國家電網將變成物流公司；在航空航天領域，渦輪和超燃沖壓發動機將讓位于類似“冥王星”導彈的核動力發動機（圖 5），超過5倍音速的洲際客機將替代遠洋貨輪，單級入軌空天飛機可以做到普通汽車大小，載重數十萬噸的超級火箭將走出圖紙，讓人類真正跳出地球的引力深井，踏上星辰大海的征途。

但在另一方面，它又讓一個令人不安的“超人社會”成為可能。

目前，個人能掌握的威力最大的武器是火藥槍支。子彈的動能由底火（通常是幾克TNT炸藥）的化學能轉化而來。而9mm口徑子彈若填充核同質異能素裝藥，其爆炸威力相當于500千克TNT，一槍就足以炸毀整棟大樓。

如此，每個人都成了“鋼鐵俠”，都像《來自新世界》中的新人類一般，掌握著對他人的毀滅大權；同時，因為這種彈藥體積極小、伽馬射線穿透性極強，獨狼式的襲擊將極難防御。每個“超人”又隨時可能被其他“超人”毀滅！無疑，這是相當糟糕的場景，如同霍布斯所說的“自然狀態”，即“所有人對所有人的戰爭”（甚至還是核戰爭！）。無論對于個人，還是對于社會，這樣的場景都是極其荒誕而驚悚的。

弗雷德里克·波爾的《火星超人》（Man Plus，1976）就描寫了成為“超人”后個體人性的異化：為了適應火星的極端環境，宇航員羅杰·托雷威被改造成半機械的“超人”，擁有太陽能皮膚、巨型翅膀、增強感官等。但隨之而來的是心理問題和“何以為人”的哲學困境。“人”是社會關系的集合體。當“超人”執掌了凌駕于他人之上的力量后，他賴以錨定自我的社會關系便會紛紛斷裂。這一如戰爭和海難造成的創傷后遺癥，最終毀滅的是人性本身。

南希·克雷斯的《西班牙乞丐》（Beggars in Spain，1991）則從社會的角度描寫了“超人”造成的普遍危機：通過基因編輯技術誕生的“無眠者”形成“基因貴族”階層，引發普通人的不滿和抗爭。如果某些富豪壟斷了核同質異能素，或是在核時代生存所必需的抗輻射藥，他們就成了手握暴力和生存權的“超人”階層，加劇社會階層分化；但反過來講，普通人也可以獲得反抗大公司、大人物的強大力量。一個包裹，或是一架只有蚊蠅大的自殺式無人機，都可能引發“黑天鵝”事件，瞬間顛覆社會階層的金字塔。

更進一步，當核同質異能素應用于軍事，它所顛覆的可能還有全球的戰略格局。

大變局：核威懾的終結

自廣島和長崎遭受原子彈轟炸以后，在長達80年的時間里，人類再也沒有爆發過“世界大戰”級別的全面戰爭。一個廣為流傳的觀點是：戰略核武器“互相確保摧毀”的策略，反而抑制了戰爭的爆發。洲際核導彈出現后，好戰的野心家再也不能穩坐于后方地堡催動著前線的士兵為他賣命。他本人就會成為第一波打擊對象，直接承受戰爭代價；此外，攔截導彈的技術難度遠遠比制造導彈高，盾永遠不如矛更可靠。這讓決策者們在發動戰爭前更謹慎，給人類帶來了近半個世紀的如履薄冰的和平。

但核同質異能素的軍事化應用，可能徹底終結人類的核威懾。

事實上，單就爆炸威力而言，核武器的破壞力并沒有許多人想象的大。哪怕將冷戰高峰期全世界所有的核彈①一起引爆，釋放的能量不超過400億噸TNT，甚至不如中等強度臺風的能量②（600億噸TNT）。從這個角度看，所謂的“核冬天”是不太可能實現的，它或許只是學者和科幻作家們通過文化力量推動核裁軍的成功嘗試[4]。核威懾更多體現在長期放射性沾染，以及對敵方元首的直接殺傷能力上，遠遠不足以毀滅人類。但是，這可不是什么好事！一旦人們發現核武的危害過分夸大，一旦某種“干凈無痕”的戰術核彈研發成功，核威懾的喪鐘便敲響了——常規戰爭與核戰爭之間不可逾越的高聳“壁壘”，將搭上一個可供攀登的階梯（圖 6）。而這個階梯，便是核同質異能素武器。

據公開資料，第四代核武器的確朝著“干凈”和“小當量”的方向發展，和常規武器的區別也越來越模糊[5]。而其中的代表“伽馬射線彈”，關鍵技術便是核同質異能素[6]。

據公開資料，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室于1997年預測，50年之后即可實現核同質異能素的能量受控釋放[7]；此外，2019年8月8日俄羅斯海軍測試區發生了一次火箭爆炸事故，事故發生時檢測到伽馬射線輻射短暫飆升①。據猜測，這可能與核同質異能素有關。

如果這些猜測并非危言聳聽，在有生之年，我們或許會看到匪夷所思的戰爭場景：射程幾百千米的戰術彈道導彈，將被壓縮到十幾厘米大小，集成幾十枚裝進單兵外骨骼裝甲的背包里；坦克和戰斗機的主武器將換為伽馬射線炮，激光將織成導彈無法穿透的攔截網；核手雷、核步槍將成為極端組織的最愛，核彈可以藏進袖管，納米無人機無孔不入，反恐和安保將難如登天。

此外，若核同質異能素僅做電源使用，也會讓坦克、軍艦和戰斗機邁入“全核推進”的時代，武器的航程和速度都會有質的提升——這意味著，原來僅能做戰術用途的武器將具有戰略潛力。當一架巴掌大的無人機能環球飛行的時候，能威脅敵方元首的，就遠遠不只洲際核導彈了。

當一切都能成為威懾的時候，也就意味著威懾的崩塌。1945年以來各核大國間危如累卵的戰略平衡，將被逐漸打破。“破窗效應”和“溫水煮青蛙”般逐漸升級的核武競賽，可能將人類拖入自毀的深淵。

結語

從科技發展的規律看，只要沒有原理和倫理上的不可行性，一種能帶來巨大產業利益，甚至引爆“工業革命”的新技術，往往會在很短時間內實現。瓦特蒸汽機是如此，法拉第發電機是如此，核同質異能素亦然。在有生之年，我們很可能會看到核聚變和核同質異能素引發一輪工業革命，徹底改變生活和世界的樣貌。

當然，沒有人能準確預測未來，科幻作家當然也不行。無論是新能源車、空天飛機和大航天時代的美好未來，還是“超人社會”或“核威懾終結”帶來的可怕未來，或許都過于激進，最多算是卡爾·薩根等提出核冬天理論[8]那樣的“盛世危言”。但有一點是肯定的：當某種危險技術轟然誕生、即將掀翻世界時，往往會有相應的“抑止力”出現，將人類社會這個超復雜動力系統拖到一個新的平衡點。這就像讓古代人看到滿街行駛著的汽車一般——在他看來，這種人人都可駕馭的高速行駛的鋼鐵巨獸，比刀劍和甲胄危險了何止百倍。他會因此認為20世紀是個人人私藏甲胄、隨時可以起兵的混亂社會。但如我們所見，在絕大部分時候，生活都井然有序，歷史的車輪都在滾滾向前。

對待技術革命的危險與機遇，我們將抱著謹慎的樂觀。

參考文獻：

[1] O. Semyonov. “Pros and cons of relativistic interstellar flight.” Acta Astronautica（2018）. Oleg G. Semyonov， State University of New York at Stony Brook.

[2]北京大學 王一平、孟 杰 編譯自 Philip Walker，Zsolt Podolyák. Physics World，2021，（4）：29.

[3] N.C. Zoita， F. Davanloo， C.B. Collins， J.M. Pouvesle， S. Emura， I.I. Popescu， V.I. Kirischuk， N.V. Strilchuk， T. Uruga and Y. Yoda. The use of selected monochromatic X-rays to induce a cascade of gamma transitions from the 31-year nuclear isomer to the 4 second isomeric state of Hf-178. J. Phys. IV France 127 （2005） 163-168.

[4] Starley L.Thompson and Stephen H. Schneider， 1986 “Nuclear Winter Reappraised，” Foreign Affairs Vol. 64， No.5.

[5] Gsponer A ， Hurni J P .The physical principles of thermonuclear explosives， inertial confinement fusion， and the quest for fourth generation nuclear weapons[J]. 1997.

[6] David Hambling. Gamma-ray weapons could trigger next arms race[J].New scientist， 2003（2408）：179.

[7]高曉敏，董海山. 核同質異能素～（178）Hf～（2m）的開發研究進展[J]. 四川兵工學報，2006，（03）：13-16.

[8] Sagan， Carl E. and Richard P. Turco. “Nuclear Winter in the Post-Cold War Era.”"Journal of Peace Researchnbsp;30 （1993）： 369 - 373.

① 該描述是經典力學框架下的，并不準確。更準確的描述是原子核外電子云概率分布的變化，涉及量子力學，比較復雜。

① 基于2023年SIPRI年鑒的估計數據，1986年全球部署核武器達到7萬枚，大多是十萬噸TNT級別的戰術核彈頭，及少量百萬噸TNT以上級別的戰略核彈頭。據此估算全球核武總當量在250萬～400萬噸。

② 考慮蘊含的潛熱和動能，中等強度（風速40m/s，半徑200千米，厚度15km，降水量10mm/h）每小時釋放約2億～5億噸TNT當量能量，按平均壽命5天（120小時）計算。

① 綠色和平組織俄羅斯能源項目經理拉希德·阿利莫夫8月9日對生意人廣播電臺說，在11時30分至12時30分之間，伽馬射線的輻射量增加到每小時2微西弗。輻射水平高于正常水平約有40分鐘，但隨后迅速恢復正常。