原子时代：远不止爆炸和电力

科学家们见证了第一次核裂变链式反应。（图片来源：John Cadel/芝加哥历史博物馆）七十五年前，世界正式进入原子时代。从那时起，它就再也不会一样了。1942年10月，作为曼哈顿计划的一部分，恩里科·费米召集了一支由顶尖物理学家组成的团队，执行一项紧急、绝密的政府任务：进行第一次人工、自持的核链式反应，以证明制造原子武器是可行的——而且要在德国人之前完成。数月来，费米团队在芝加哥大学斯塔格体育场西看台下方的一个壁球场里辛勤工作。他们研磨了45,000块石墨砖，并将氧化铀粉制成22,000个垒球大小的球体。他们将这些石墨砖堆叠起来——在肩宽体壮的足球运动员和工人的帮助下——形成一个57层的堆，将氧化铀球放在中间，然后用木头将整个东西包裹起来。他们希望它能这样工作：由铀衰变产生的自由中子会被其他铀原子吸收，并启动一个自持的裂变反应。总而言之，芝加哥堆-1（CP-1）包含400吨石墨、6吨铀金属和45吨氧化铀。费米后来将反应堆描述为“一堆粗糙的黑砖和木材”。

斯塔格体育场反应堆的插图。（图片来源：Argonne国家实验室的Melvin A. Miller）但它奏效了。1942年12月2日，49名科学家聚集在壁球场的阳台上，看着费米启动了这个大型反应堆的测试。物理学家塞缪尔·艾利森拿着一桶氰化物，他计划将其倒在堆上，以阻止失控的反应（如果发生）。下午3:25，盖革计数器的噼啪声表明堆已“临界”。实验成功了——它只产生了足以点亮一个灯泡的能量。物理学家们打开了一瓶基安蒂葡萄酒，并向国防研究委员会主席詹姆斯·科南特发送了一份编码信息：“意大利导航员已抵达新大陆。” “我们很早就知道我们即将释放一个巨大的力量；尽管如此，当我们意识到我们真的做到了时，我们仍然无法摆脱一种诡异的感觉，”CP-1物理学家尤金·维格纳在1963年《纽约时报杂志》上写道。“我的感觉，就像我推测，任何做过一些他知道将产生无法预见的长远影响的事情的人都会有这种感觉。”曼哈顿计划为一种新的、强大而可怕的武器打开了大门，它改变了几代人的国际谈判格局。广岛和长崎永远不会被遗忘。核能发电会让人想起切尔诺贝利和福岛的噩梦。但原子时代并非全是厄运和阴影；人类已经从原子能中受益匪浅，在CP-1突破的周年纪念日，我们挖出了一些在原子时代我们可能鲜为人知的受益方式。

变异作物

无处不在的卡文迪什香蕉可以通过辐射来拯救。（图片来源：Shutterstock）如果说CRISPR基因编辑技术就像狙击步枪，那么使用辐射就像扣动霰弹枪的扳机。科学家们用辐射轰击一批种子和植物插枝，以扰乱它们的遗传密码，产生随机突变。然后对这些种子进行培育，并筛选出最有价值的突变。这就像一场赌博，但这是一个快速、简单且廉价的过程。而且，与CRISPR或其他技术不同的是，它没有人工的基因改造。相反，辐射给植物施加压力，迫使它们利用自身的遗传物质进行适应。它广泛应用于发展中国家，已产生了3200多种有用的突变体，出现在世界各地的超市里。今天，我们有变异的小麦、大米、梨、豌豆、薄荷、葡萄柚等。例如，据世界核协会称，在孟加拉国，通过诱变育种生产的水稻品种在过去几十年里产量增加了两倍。辐射还可以拯救无处不在的卡文迪什香蕉。“有一种香蕉枯萎病，部分原因是我们在使用单一品种。但有一种真菌会攻击它们，一些组织正在利用辐射来改造香蕉以增强抗性，”芝加哥大学的物理学家埃里克·艾萨克斯说。这种被称为巴拿马热带4号（TR4）的真菌已传播到亚洲、非洲和中东。TR4通过根部侵入植物，侵占木质部导管，阻碍水和养分的流动，使植物缓慢死亡。更糟糕的是，真菌会在土壤中长期存在。因此，世界各地的研究人员正在用辐射轰击香蕉作物，看看他们是否能找到一种对真菌具有抗性且不影响产量的可行的品系。到目前为止，结果是鼓舞人心的，但仍有工作要做。

节约用水

生活在世界干旱地区的人们依赖深埋在地下的含水层中的水，其中一个最重要的问题是：“这个含水层补充的速度有多快？”现在，科学家们可以用原子能来回答这个问题。阿贡国家实验室开发了一种相对较新的技术，称为原子陷阱痕量分析（ATTP），该技术使用激光分析水中的痕量同位素，以测定地下水的年代。通过比较水中的例如氪放射性同位素的衰变状态与稳定的氪同位素，科学家可以确定水样的年龄。这对于管理地下含水层来说是重要的信息。“一旦我们能够确定这些水渗入含水层是多久以前的事，就更容易决定如何管理它，”艾萨克斯说。如果含水层的水已经有20,000年的历史，那么它可能需要很长时间才能补充，而不是像含有500年历史的水的含水层。这有望改变各国管理这一重要资源的方式。今天，世界各地的科学家正在利用这项技术帮助各国管理含水层，测定古冰层的年代，甚至帮助确定水最初到达地球的时间。

害虫防治

昆虫对农作物是祸害，尽管杀虫剂广泛使用，它们每年仍会摧毁全球10%的农作物——尤其是在发展中国家。但六十多年来，人类一直在用辐射与烦人的虫子作斗争。

不育昆虫技术（SIT）与培育变异植物非常相似。在受控环境中饲养大量昆虫，然后用高剂量的伽马射线或X射线对雄性进行绝育。这些不育昆虫被释放回野外，在那里它们仍然具有性竞争力，但无法产生后代。SIT最早在美国开发，现在已遍布六大洲。它已成功控制了蚊子、飞蛾、采采蝇、肠 the 虫等害虫的数量。除了拯救农作物，SIT还能通过减少携带疾病的昆虫数量来挽救生命。最近，SIT技术被用于对抗寨卡病毒在巴西的传播。