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请想象你未来的一日生活：清晨，手机足足叫了半小时才把你闹醒。但你并不担心手机没电，因为它连充电口都没有。要迟到了，你想到老板的咆哮，咬咬牙，叫了一辆“滴滴飞车”，投入一枚“能量硬币”。飞车以十倍音速冲上亚轨道，半小时就从成都飞抵上海。公司大楼用电磁场悬浮在空中。它没有接入电网，因为用飞车运输电池的效率比电网更高。“叮咚”，你打卡成功，老板没抓你迟到。于是，你愉快地开始摸鱼。手机里新闻报道着索马里发生的“伽马射线暴闪”，疑因海盗在巷战中使用了核步枪。据此，AI助理建议你购入点云科技的股票，该公司研制的“光伞”可以为你构建无限续航的贴身防御系统，用伽马能级的激光蒸发雨滴，也可以拦截十米内的子弹。有了它，你再也不用担心恐怖分子和蚊子了。但你最终还是买了纳米医疗概念股，因为会被杀手盯上的大人物只是少数，而辐射病已经代替龋齿，成为这个时代的常见病……
这是一个不可思议的未来图景，但并非不可能实现。它们有一个共同的“基础”——超高密度储能材料。
人类文明的每一次进步，几乎都源自材料和能源的突破。从木柴、煤炭、石油到核能，每一代能源革新都会催生一轮工业革命。而下一轮的“工业革命”，就很可能来自一种被称为“核同质异能素”的超高密度储能材料。
说起引发工业革命的新能源，我们常常会想到“可控核聚变”。这种人造太阳可以释放氢核内部的能量，让人类获得几乎无限的清洁能源。但事实上，当一个无限供能的聚变电站建立后，输电和储能就成了制约产业发展的“卡脖子”问题。
电动汽车是一个很好的例子。早在1881年，法国工程师古斯塔夫·特鲁夫就发明了首辆使用可充电铅酸电池的电动汽车，比卡尔·本茨发明的燃油车还早九年。但受限于铅酸电池的能量密度低（约30～40Wh/kg）、重量大，续航里程短（通常不足100千米），很快被市场淘汰。直到1980年代锂离子电池出现，电动车才重新回到工程师们的视野。
电动车商业化的能量临界点大约是200Wh/kg（续航里程约400千米）。2000年初期，电池能量密度约为100～150Wh/kg，此时电动汽车的尝试（如通用EV1）大部分胎死腹中。大约2015年前后，三元锂电池（NCM/NCA）突破了临界点，“新能源汽车”（如特斯拉Model S）才成为时代的新宠儿。目前，宁德时代、清陶能源等公司已规划第三代全固态电池（能量密度超500Wh/kg），预计2026—2027年量产，试图彻底解决电动汽车的安全问题和里程焦虑。
由此，一项储能技术的突破，改变了数十亿人的出行方式，带动了数千亿规模的市场，塑造了一个时代的交通图景。
交通是工业的血管，能源是工业的心脏。从蒸汽机车开始，每场工业革命都在能源领域率先突破，以交通奏响号角，再蔓延到军事、农业和第三产业。从这个意义上看，新能源可谓是引爆工业革命的雷管。
然而，无论是铅酸电池还是三元锂电池，它们归根到底都是化学能源。经过几十年的研究，它们的储能密度已经渐渐接近理论极限。但人类的野心是永无止境的：我们想从家里坐上飞车直入太空；我们想在国庆假期内往返火星旅游；我们还想要永远不会没电的手机、永远不用加油的汽车，从空气里直接合成粮食，把淡化的海水浇遍撒哈拉……
如果把化学电池换成核电池，这一切可能发生吗？
不妨看一下各种储能物质的“能量天梯 [1] ”。
很显然，哪怕最普通的核电池，也比最强的固态锂电池“高到不知哪里去了”。而且，核电池是很成熟的技术，在1976年发射的“旅行者”号探测器上就有钚238同位素电池，但它可不能直接装到你的车里——它具有放射性且危险、昂贵。用它做电池等于在身体和车贷两方面的慢性自杀。至于用核裂变、核聚变反应堆当电池，那就更困难了——没人想把一台“托卡马克”装置塞进车里！
核反应太危险，化学电池又不够看。于是，工程师们把目光投向介于“化学反应”和“核反应”之间的过渡区域，找到了一种潜力惊人的超级储能材料——核同质异能素。它的能量密度可达锂电池的50万倍。
核同质异能素是什么？它为什么有如此惊人的能量密度，却不需要核聚变的苛刻条件？这要从它的原理谈起。
顾名思义，核同质异能素是有相同质子和中子数，却有不同能量的核素。它是原子核的“激发态”。
“激发态”在我们的生活中很常见。譬如，火焰的光芒便来自核外电子的“激发”和“退激发”。燃烧发生时，电子从激发态轨道跃迁到基态轨道
，轨道间的能量差转化为光子，这便是火光。几乎所有发生能量变化的化学反应，都涉及了电子的激发和退激发。
其实，原子核也可以被激发，形成“核同质异能素”。它释放的能量可达化学燃烧的1万倍以上。但想可控地利用它，还需要解决两个难题。
图1 核外电子和原子核的激发态和跃迁（示意图）
第一个问题是“寿命”。自1921年奥托·哈恩和莉泽·迈特纳发现核异能素以来，核物理学家已经发现了近2500种原子核激发态 [2] 。但常见的高能激发态寿命都在皮秒（10～12秒）到毫秒量级；部分激发态寿命很长，但能量很低，能量密度甚至不如普通的化学电池。仅有少量核同质异能素的寿命、能量都满足核电池的要求。例如，铪178m2半衰期长达31年，衰变时释放2.5MeV的高能伽马射线。《三体》中人类舰队装备的伽马射线激光炮，炮膛很可能是由这种材料填充的。
第二个问题是“同步”，即让“大量”原子核同时释放能量。1938年，人们就知道铀核裂变会释放能量，但反应仅局限在少量的原子核。直到1942年费米等人利用中子诱发了链式反应，“一整块”铀才有了制成原子弹的可能性。核同质异能素也是类似的：个别原子核的激发相对容易，但大量原子核（1023个以上）的激发是随机和不可控的。这就像一个一边注水、一边随机地漏水的水池。很显然，没人想要一块这样的电池！
固体激光器提供了一种解决问题的思路：1960年，美国科学家梅曼成功让“一整块”红宝石里的原子在一瞬间“同步”地释放能量。这利用了核外电子的“亚稳定激发态”。
什么是“亚稳定激发态”呢？不妨把原子核视为一个“三角形骨牌”（图2）。“基态”的骨牌平放在地面上，能量最低，也最稳定，任何扰动都无法改变它的姿态；“激发态”的骨牌尖端朝下竖起，能量最高，但也最不稳定，任何扰动都会让它倒下。对于核同质异能素而言，这个“扰动”和“倒下”的时间大多在皮秒到毫秒量级（图3），因为过快而完全不可利用。
图2 不同激发态的稳定性（示意图）
图3 从基态向不稳定激发态的跃迁（示意图）
但某些原子核可能具有“亚稳定激发态”——它可以被视为一块尖端朝上竖起的三角形骨牌（图2）。它的能量比不稳定的激发态低，但稳定性更好，小扰动无法撼动，必须足够大的扰动才能把它放倒。因此，当外来能量注入时，原子核将陆续充能到“亚稳定激发态”，不会马上退激发。于是，这样的“亚稳定激发态”原子核越来越多，直到其数量远远超过基态原子核，达到所谓的“布居数反转”状态，“一整块”核同质异能素便完成了充能（图 4）。
图4 从基态向亚稳定激发态的跃迁（示意图）
接下来，就是能量的受控释放了。一些实验表明，使用0.2 MeV的低能X射线轰击铪-178m2有一定概率诱导其退激至基态，释放2.447 MeV的伽马射线，输出能量是输入的100倍 [3] 。据研究者推测，这可能是某种“链式反应”的体现——大量原子核被激发到亚稳态后，形成了“多米诺骨牌”效应（图4）。只要一块被推倒，能量便会“雪崩”式地释放。
如果这个推测成立，那么，一个“美好”的新世界，或一个恐怖的大变局，可能将在短短几十年内轰然降临。
在科幻小说《来自新世界》中，作者贵志佑介设想了一个由“超能力者”组成的未来世界。在那个世界中，每个人类都掌握着名为“咒力”的超能力，可以意念移物、引爆空气、凭空制造器物，甚至改变生物的DNA等。当然，这听起来并不科学，但作者的目标也并不在此。从文学的视角看，“咒力”其实是人类想象力的象征，是人类改造世界能力的“夸张化”体现。夸张之处在于：它具有极高能量，几乎可以改变一切，却无法被防御，让人类难以对抗来自其他个体的恶意。
据此设定，小说展开了严谨而精彩的情节，编织了一千年的反乌托邦未来史。这让人忍不住想象：如果“咒力”的设定来到了现实中，世界将会变成怎样的面貌？
核同质异能素，可能是现实里最接近“咒力”的存在。
它的好处无须多言：我们的手机将再也不需要充电口，一块电池可以从出厂用到报废；一架从掌心起飞的无人机可以续航3000小时以上，航程足以绕地球4圈；如果室温超导没有突破，用卡车运输电池的输电效率将超过特高压电缆，国家电网将变成物流公司；在航空航天领域，涡轮和超燃冲压发动机将让位于类似“冥王星”导弹的核动力发动机（图5），超过5倍音速的洲际客机将替代远洋货轮，单级入轨空天飞机可以做到普通汽车大小，载重数十万吨的超级火箭将走出图纸，让人类真正跳出地球的引力深井，踏上星辰大海的征途。
图5 “冥王星”导弹的核动力冲压发动机
但在另一方面，它又让一个令人不安的“超人社会”成为可能。
目前，个人能掌握的威力最大的武器是火药枪支。子弹的动能由底火（通常是几克TNT炸药）的化学能转化而来。而9mm口径子弹若填充核同质异能素装药，其爆炸威力相当于500千克TNT，一枪就足以炸毁整栋大楼。
如此，每个人都成了“钢铁侠”，都像《来自新世界》中的新人类一般，掌握着对他人的毁灭大权；同时，因为这种弹药体积极小、伽马射线穿透性极强，独狼式的袭击将极难防御。每个“超人”又随时可能被其他“超人”毁灭！无疑，这是相当糟糕的场景，如同霍布斯所说的“自然状态”，即“所有人对所有人的战争”（甚至还是核战争！）。无论对于个人，还是对于社会，这样的场景都是极其荒诞而惊悚的。
弗雷德里克·波尔的《火星超人》（Man Plus，1976）就描写了成为“超人”后个体人性的异化：为了适应火星的极端环境，宇航员罗杰·托雷威被改造成半机械的“超人”，拥有太阳能皮肤、巨型翅膀、增强感官等。但随之而来的是心理问题和“何以为人”的哲学困境。“人”是社会关系的集合体。当“超人”执掌了凌驾于他人之上的力量后，他赖以锚定自我的社会关系便会纷纷断裂。这一如战争和海难造成的创伤后遗症，最终毁灭的是人性本身。
南希·克雷斯的《西班牙乞丐》（Beggars in Spain，1991）则从社会的角度描写了“超人”造成的普遍危机：通过基因编辑技术诞生的“无眠者”形成“基因贵族”阶层，引发普通人的不满和抗争。如果某些富豪垄断了核同质异能素，或是在核时代生存所必需的抗辐射药，他们就成了手握暴力和生存权的“超人”阶层，加剧社会阶层分化；但反过来讲，普通人也可以获得反抗大公司、大人物的强大力量。一个包裹，或是一架只有蚊蝇大的自杀式无人机，都可能引发“黑天鹅”事件，瞬间颠覆社会阶层的金字塔。
更进一步，当核同质异能素应用于军事，它所颠覆的可能还有全球的战略格局。
自广岛和长崎遭受原子弹轰炸以后，在长达80年的时间里，人类再也没有爆发过“世界大战”级别的全面战争。一个广为流传的观点是：战略核武器“互相确保摧毁”的策略，反而抑制了战争的爆发。洲际核导弹出现后，好战的野心家再也不能稳坐于后方地堡催动着前线的士兵为他卖命。他本人就会成为第一波打击对象，直接承受战争代价；此外，拦截导弹的技术难度远远比制造导弹高，盾永远不如矛更可靠。这让决策者们在发动战争前更谨慎，给人类带来了近半个世纪的如履薄冰的和平。
但核同质异能素的军事化应用，可能彻底终结人类的核威慑。
事实上，单就爆炸威力而言，核武器的破坏力并没有许多人想象的大。哪怕将冷战高峰期全世界所有的核弹
一起引爆，释放的能量不超过400亿吨TNT，甚至不如中等强度台风的能量
（600亿吨TNT）。从这个角度看，所谓的“核冬天”是不太可能实现的，它或许只是学者和科幻作家们通过文化力量推动核裁军的成功尝试
[4]
。核威慑更多体现在长期放射性沾染，以及对敌方元首的直接杀伤能力上，远远不足以毁灭人类。但是，这可不是什么好事！一旦人们发现核武的危害过分夸大，一旦某种“干净无痕”的战术核弹研发成功，核威慑的丧钟便敲响了——常规战争与核战争之间不可逾越的高耸“壁垒”，将搭上一个可供攀登的阶梯（图6）。而这个阶梯，便是核同质异能素武器。
据公开资料，第四代核武器的确朝着“干净”和“小当量”的方向发展，和常规武器的区别也越来越模糊 [5] 。而其中的代表“伽马射线弹”，关键技术便是核同质异能素 [6] 。
图6 核同质异能素武器可能降低核战争的门槛
据公开资料，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室于1997年预测，50年之后即可实现核同质异能素的能量受控释放
[7]
；此外，2019年8月8日俄罗斯海军测试区发生了一次火箭爆炸事故，事故发生时检测到伽马射线辐射短暂飙升
。据猜测，这可能与核同质异能素有关。
如果这些猜测并非危言耸听，在有生之年，我们或许会看到匪夷所思的战争场景：射程几百千米的战术弹道导弹，将被压缩到十几厘米大小，集成几十枚装进单兵外骨骼装甲的背包里；坦克和战斗机的主武器将换为伽马射线炮，激光将织成导弹无法穿透的拦截网；核手雷、核步枪将成为极端组织的最爱，核弹可以藏进袖管，纳米无人机无孔不入，反恐和安保将难如登天。
此外，若核同质异能素仅做电源使用，也会让坦克、军舰和战斗机迈入“全核推进”的时代，武器的航程和速度都会有质的提升——这意味着，原来仅能做战术用途的武器将具有战略潜力。当一架巴掌大的无人机能环球飞行的时候，能威胁敌方元首的，就远远不只洲际核导弹了。
当一切都能成为威慑的时候，也就意味着威慑的崩塌。1945年以来各核大国间危如累卵的战略平衡，将被逐渐打破。“破窗效应”和“温水煮青蛙”般逐渐升级的核武竞赛，可能将人类拖入自毁的深渊。
从科技发展的规律看，只要没有原理和伦理上的不可行性，一种能带来巨大产业利益，甚至引爆“工业革命”的新技术，往往会在很短时间内实现。瓦特蒸汽机是如此，法拉第发电机是如此，核同质异能素亦然。在有生之年，我们很可能会看到核聚变和核同质异能素引发一轮工业革命，彻底改变生活和世界的样貌。
当然，没有人能准确预测未来，科幻作家当然也不行。无论是新能源车、空天飞机和大航天时代的美好未来，还是“超人社会”或“核威慑终结”带来的可怕未来，或许都过于激进，最多算是卡尔·萨根等提出核冬天理论 [8] 那样的“盛世危言”。但有一点是肯定的：当某种危险技术轰然诞生、即将掀翻世界时，往往会有相应的“抑止力”出现，将人类社会这个超复杂动力系统拖到一个新的平衡点。这就像让古代人看到满街行驶着的汽车一般——在他看来，这种人人都可驾驭的高速行驶的钢铁巨兽，比刀剑和甲胄危险了何止百倍。他会因此认为20世纪是个人人私藏甲胄、随时可以起兵的混乱社会。但如我们所见，在绝大部分时候，生活都井然有序，历史的车轮都在滚滚向前。
对待技术革命的危险与机遇，我们将抱着谨慎的乐观。
参考文献：
[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]北京大学 王一平、孟杰 编译自 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]高晓敏，董海山. 核同质异能素~（178）Hf~（2m）的开发研究进展[J]. 四川兵工学报，2006，（03）:13-16.
[8] Sagan，Carl E. and Richard P. Turco. “Nuclear Winter in the Post-Cold War Era.” Journal of Peace Research 30（1993）: 369 - 373.