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納粹德國的原子彈研究小組「鈾俱樂部」—《為第三帝國服務》

PanSci_96
・2017/02/16 ・3416字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 578 ・九年級

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  • 【科科愛看書之本月選書】當科學家面對納粹統治,應該共謀還是抵抗?在《為第三帝國服務:希特勒與科學家的拉鋸戰》中以三位諾貝爾獎得主:彼得.德拜、馬克斯.普朗克和華納.海森堡為主角,敘述他們在納粹統治時期如何面對科學、面對政治。德拜是個局外人,雖然在德國擁有傑出的職業生涯,卻堅持拒絕入籍德國。面對國家社會主義者的干擾和要求,普朗克的反應是苦惱且支吾。海森堡尋求官方的認同,卻又拒絕承認自己的妥協所帶來的後果。

針對戰爭開始前物理學家在德國工作的道德性所提出的關鍵歷史問題是,他們的實務和體制要如何適應納粹政權的種族主義政策和獨裁的行政管理。但是,一旦戰爭開始,焦點便有所不同:更狹義的看待,就更緊密和科學本身結合,而造成的影響遠遠超出德國。對於研究這一時期的歷史學家來說,有個關鍵問題是,這些科學家是否準備好並有能力為希特勒製造核彈。這個問題所引發的爭議看起來不會平息,而在那場風暴的中心,是德拜在萊比錫大學的前同事及最終取代他在柏林職位的海森堡。

哈恩和斯特拉斯曼於 1938 年底發現鈾分裂,立刻帶來爆炸性的意義。與此同時,在漢堡大學的哈特克和格羅斯告訴戰爭帝國國防部,如何將這個發現運用到能源和武器裝備上。法蘭克在哥廷根大學的繼任者喬治.朱斯(Georg Joos)聽說實驗物理學家威廉.漢勒(Wilhelm Hanle)遞交了一份關於如何設計核反應器──也就是鈾機──的論文。朱斯和漢勒致函向帝國教育部的達姆解釋這項提案,而達姆把這封信轉給了帝國研究委員會的以薩。1939 年 4 月 29 日,達姆和以薩召開了專家會議──鈾俱樂部──來討論此事,成員包括朱斯和漢勒、博特和蓋革。德拜受到邀請,但沒有出席。鈾分裂的探索性研究開始於哥廷根大學,但是在深入發展之前,物理學家們就於 8 月時被徵召入伍。

鈾分裂。圖/Public Domain, wikimedia commons.

哈特克和格羅斯的書信送達陸軍軍械局武器研究的負責人艾里希.舒曼(Erich Schumann)的手上。他懷疑這個大膽的想法沒有發展的可能,但還是尋求柏林的物理和技術學院的炸彈專家暨物理學家迪布納的意見。迪布納的助手艾里希.巴格(Erich Bagge)才剛剛在萊比錫大學的海森堡指導下獲得核子物理學博士學位,於是迪布納和他討論這件事。他們於 9 月 16 日在柏林匯聚第二組專家,討論將核分裂用於軍事的可能性。就在同一天,特爾朔通知德拜,威廉皇帝物理研究所將要交由陸軍軍械局管理,進行軍事研究。

第二個鈾俱樂部的成員包括博特、蓋格、哈特克及哈恩。成立十天後的第二次會議,巴格建議也邀請他的前教授海森堡加入,而海森堡很快就主導了俱樂部。海森堡首先帶頭寫了一份報告給陸軍軍械局,討論藉由控制鈾機中的分裂來釋放能量的可行性。他解釋說,這種設備可以提供熱源,為坦克和潛艇提供能量。海森堡寫於 1939 年 12 月的備忘錄也指出,如果鈾-235 中的鈾能夠充分濃化,那麼連鎖反應可能會成為失控的過程,同時釋放所有的能量:易裂材料將會成為「比現有炸藥強大超過十倍」 的炸藥。

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德國物理學家,由左而右為海森堡(Werner Heisenberg)、勞厄(Max von Laue)、哈恩(Otto Hahn),其中海森堡和哈恩為鈾俱樂部成員。圖/Mirror

沒有承諾

鈾的濃化能夠實現嗎?哈特克等人開始研究分離鈾的同位素的方法。這是極其困難的挑戰,因為它們的原子重量僅有非常微小的差別。然而,許多一開始的鈾研究都聚焦於製造反應器,而非武器,使用重水作為緩和劑,去減緩分裂中子,讓它們能夠被鈾原子核捕獲,以維持衰變過程。(也曾考慮使用石墨作為緩和劑,但是很快就已放棄,詳見本書第322頁。)

直到戰爭即將結束之前,德國才擁有唯一一座能夠分離重水與普通水的設施:一個在德國占領挪威之後取得的水力發電廠,由一間位於柏林的礦業和化學公司奧爾(Auer)接管。然而,在柏林的第一個反應器原型用石蠟為緩和劑,就像費米在他的早期實驗中用來減緩中子所使用的一樣。這項研究在威廉皇帝生物學和病毒研究所所在地一間木結構建築中進行,就在位於達勒姆的物理研究所隔壁。為了威懾好奇的窺探者,這棟建築被稱為病毒房。

德國很適合進行鈾的研究,因為它占領了捷克斯洛伐克,能夠取得世界上最大產區希姆斯塔爾的鈾礦。但是要使用鈾機中的重金屬,就必須先處理過,也就是透過標準的冶金技術提取並轉化為金屬板。然而在戰爭期間,德國的金屬鑄造有更多當務之急。

隨著德拜離開,以及迪布納被舒曼任命為威廉皇帝物理研究所的所長,研究所的科學家也開始測試反應器的設計。他們最初認為,最好的幾何學會是一系列由重水分離的同心殼層──一種核子洋蔥。費米對超鈾元素所做的研究激發了物理學家的思考,認為由主要、非分裂的同位素鈾-238 造成的中子吸收會產生第 93 個元素,也會像鈾-235 一樣分裂。1940 年 7 月,外側克向武器局建議,可以用這個元素製造炸彈,而這個元素就是今天所謂的錼。前一個月,加州大學柏克萊分校的研究人員發現,錼因為 β 發射到另一個超鈾元素,也就是第 94 個元素,而快速衰變,這個元素被柏克萊分校的研究人員命名為鈽。這種物質也可以作為反應器燃料或炸藥。

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在這裡使用鈽而非鈾-235 的優點是,它在化學上不同於鈾,所以從鈾-238 分離出來應該比分離兩個同位素容易得多。外側克一直到戰爭結束後才知道美國的發現,但即使在 1941 年,他也知道第 93 個元素會衰變到第 94 個元素,而且能夠運用在炸彈中,而且他針對那樣的效應起草了一份專利申請。

這種可能說服了海森堡,原子彈或許不是那麼遙不可及的願景。他了解到,人造的超鈾元素也可能藉由在粒子加速器用質子或 α 粒子轟擊鈾而製成。在戰爭大部分的時間裡,德國並沒有這樣的設備在運作,但是波耳在哥本哈根的研究所裡有一台,另一台則由巴黎的約里奧─居禮運作。當法國遭到入侵,博特和另一位鈾俱樂部的成員暨同事沃爾夫岡.根特(Wolfgang Genter)檢查這項設備,並徵召受到扣留的約里奧─居禮來協助讓該設備運作,並於 1941 年底開始運作。

粒子加速器被用來把氘核光束──包含一個質子和一個中子的重氫原子核──射擊到鈾和釷上。反應後的產物接著被送給柏林的哈恩分析。同時,哈恩的威廉皇帝化學研究所於 1942 年開始建造自己的加速器,也就是由陸軍軍械局資助的密涅瓦計畫(Minerva project)。這項計畫從未完成,但是當 1944 年,研究所因為炸彈襲擊而被迫搬遷時,設備就被帶到南符騰堡州的泰爾芬根。博特開始在海德堡建造加速器,並於 1944 年夏天開始運作。雖然他們的努力並未生產出數量驚人的分裂材料,卻讓世人知道,德國物理學家了解鈽彈的原理,儘管還在初步階段,卻朝著目標而努力。

如果鈾-235 可以分離,也將能組成「力量難以想像的炸彈」。如果成功了德國就會擁有可怕的原子彈,世界將會變成如何?圖/By Charles Levy, Public Domain, wikimedia commons

隨著陸軍聯合閃擊戰在 1941 年無情的俄羅斯冬季愈陷愈深,陸軍軍械局更加急於知道「在可預見的未來」是否有任何可能看到結果。 物理學家用 144 頁的文件回答,就為了「整體的能源經濟以及特別的國防軍事」所做的鈾研究的「重大意義」而辯護。 他們正走在鋼索上。如果他們承諾超過他們所能做到的,將被追究責任;但如果他們能夠做到的太少,又會失去資金。這份報告證實,鈾機「可以在短期內看見成果」,而海森堡讓當局聞到先進武器的香氣,卻不指明距離有多遠:「一旦開始運作,」他寫道,「這個機器終將也能生產令人難以置信的強大炸彈。」 他補充說,如果鈾-235 可以分離(儘管在這個方向的努力並未造成多大進展),也將能組成「力量難以想像的炸彈」。

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在 1942 年 2 月,在帝國研究委員會的要求下,哈恩、哈特克和海森堡在代表許多高級官員的高層和精通技術的幕僚面前演講,包括希姆勒、戈林和軍備首領史佩爾。史佩爾也到威廉皇帝學會位於柏林的哈納克機構參加一系列的會議,而在那裡(與一些報導所說相反),他似乎對於核子實驗的潛力頗感興趣。史佩爾本人在他的回憶錄中聲稱,那些科學家要求的微薄資金讓他懷疑他們的信念和能力,然而戰時文件顯示,事實上,他密切關注了那個研究,要求定期通報進展。儘管如此,這項工作從未能夠取得像華納.馮.布勞恩(Wernher von Braun)的火箭計畫一樣的巨大資源,而陸軍軍械局最終完全放棄核子計畫。


 

本文摘自《為第三帝國服務:希特勒與科學家的拉鋸戰》,麥田出版。本書為泛科學 2017 年 2 月選書。

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圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒,那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬.霍金(Stephen Hawking) 英國理論物理學家

大約在八十年前,當第一台數位計算機出現時,一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧;但七十年後,還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」(Artificial Intelligent,簡稱 AI)的能力最近十年突然起飛,在許多(所有?)領域的測試中擊敗了人類,正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元(graphic process unit,簡稱 GPU)是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia(英偉達)股票從每股不到 $5,上升到今天(5 月 24 日)每股超過 $1000(註一)的全世界第三大公司,其創辦人(之一)兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳(Jenson Huang)也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人!可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎?到底是時勢造英雄,還是英雄造時勢?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

在回答這問題之前,筆者得先聲明筆者不是學電腦的,因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事,不是我們外行人需要了解的;但作為一位現在的知識分子或公民,了解基本原理則是必備的條件:例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析,即可判斷永動機是騙人的;又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上,它們不用往室外排廢熱氣,就可以提供屋內冷氣,讀者買嗎?

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」(central process unit,簡稱 CPU)。CPU 是電腦的「腦」,其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務,如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作;但為了簡單化,我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作(arithmetic and logic unit,簡稱 ALU),如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下,CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

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在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時,CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後,CPU 開始顯示心有餘而力不足:例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素(pixel),每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年,英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定/裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」(註二)定位為「世界上第一款 GPU」,「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU,GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作,快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢?因每一時刻只能做一件事,所以其步驟為:

  • 計算 7×5;
  • 計算 6/3;
  • 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢?很多工作便可以同時(平行)進行:

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  • 同時計算 7×5 及 6/3;
  • 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間,但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢?單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間(16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間),而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間(1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間)!

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了,如何將它擺正成右圖呢? 一句話:「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點(座標 x, y)組成的,所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了:每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

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即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算!如果每一運算需要 10-6 秒,那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉,便需要 6 秒,這豈是電動玩具畫面變化所能接受的?

圖形處理的例子

人類的許多發明都是基於需要的關係,因此電腦硬件設計家便開始思考:這些點轉換都是獨立的,為什麼我們不讓它們同時進行(平行運算,parallel processing)呢?於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 106 運算,那上圖的轉換只需 10-6 秒鐘!

GPU 的興起

GPU 可分成兩種:

  • 整合式圖形「卡」(integrated graphics)是內建於 CPU 中的 GPU,所以不是插卡,它與 CPU 共享系統記憶體,沒有單獨的記憶體組來儲存圖形/視訊,主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上;早期英特爾(Intel)因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤,在這方面的研發佔領先的地位,約佔 68% 的市場。
  • 獨立顯示卡(discrete graphics)有不與 CPU 共享的自己專用內存;由於與處理器晶片分離,它會消耗更多電量並產生大量熱量;然而,也正是因為有自己的記憶體來源和電源,它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年,英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後,科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化,在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效,因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理,不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化,也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬(註三)等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分,正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲,遠遠落在英偉達(80%)及超微半導體公司(Advance Micro Devices Inc.,19%,註四)之後,大約只有 1% 的市場。

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典型的CPU與GPU架構

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」,而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心(core)單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心,因此其核心功能不如 CPU 核心強大,但它們能同時高速執行大量相同的指令,在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心;GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書,不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等,也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺,它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是:嘴巴在講,腦筋思考已經不知往前跑了多少公里,常常為了追趕而越講越快,將不少學生拋到腦後!這不表示筆者聰明,因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技,因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣(matrix)的讀者應該知道,如果用矩陣和向量(vector)表達,上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的(註五)。而矩陣和向量計算正是機器學習(machine learning)演算法的基礎!也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在!因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石:它們的架構就是充分利用並行處理,來快速執行多個操作,進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」(deep learning)。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂:「下一次工業革命已經開始了:企業界和各國正與英偉達合作,將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升,幫助企業降低成本和提高能源效率,同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子:下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後,讀者是不是認為筆者該退休了?

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GPU(圖形處理單元)和 AI(人工智慧)之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力,特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步,使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率,使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐,而且使其更具成本效益,因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展,GPU 的角色可能會變得更加不可或缺,推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標,這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作,使我們能夠執行複雜的任務,例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外,研究表明,與非人類動物相比,人類大腦具有更多平行通路,這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上,一邊聽音樂一邊做飯,或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技,因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵:透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

(註一)當讀者看到此篇文章時,其股票已一股換十股,現在每一股約在 $100 左右。

(註二)組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」(GeForce 256)插卡吧?

(註三)筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時,就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士(fellow)」Enrico Clementi 的團隊:因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層,我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦(非 IBM 品牌!)與一大型電腦連接來做平行運算,進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

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(註四)補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商:英偉達及 ATI(Array Technology Inc.)。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立,2006 年被超微半導體公司收購,品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐(Lisa Tzwu-Fang Su)博士為執行長後,股票從每股 $4 左右,上升到今天每股超過 $160,其市值已經是英特爾的兩倍,完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色,正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題:超微半導體公司現任總裁(兼 AI 策略負責人)為出生於台北的彭明博(Victor Peng);與黃仁勳及蘇姿豐一樣,也是小時候就隨父母親移居到美國。

(註五)

延伸閱讀

  • 熱力學與能源利用」,《科學月刊》,1982 年 3 月號;收集於《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版),轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
  • 網路安全技術與比特幣」,《科學月刊》,2020 年 11 月號;轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。
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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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假如核彈來襲,你需要逃多遠才能活下來?
Heidi_96
・2022/03/15 ・3486字 ・閱讀時間約 7 分鐘

核彈與它們的產地

1945 年 8 月,美軍在日本廣島和長崎投下 2 顆原子彈,造成數十萬人死亡,終結了第二次世界大戰,卻也對當地民眾的健康造成嚴重的長期影響[1]。此後,再也沒有任何國家或地區在戰爭中動用核武器,但這不代表核武器就此消失。據估計,全球各國現今約有 12,705 枚核彈頭庫存,而美國和俄羅斯擁有其中的 89.7%[2]

美國和俄羅斯擁有全世界 89.7% 的核彈頭庫存。圖/Federation of American Scientists

假如核彈來襲……

那麼,假設核武器再次登上戰爭舞台,究竟會發生什麼事呢?本篇文章將以 AsapSCIENCE 製作的科普動畫《What If We Have A Nuclear War?》為基礎,帶你瞭解核彈引爆前後的情況。

但首先,必須澄清沒有一種明確的方法可以估計核彈爆炸所帶來的影響,因為這取決於眾多因素,包括天候、時間點、地理環境、核彈設計,以及引爆地點(空中、地表、地下)。等等,先別急著跳回上一頁!即使沒有這些確切的條件,我們還是可以瞭解大致上的情況。

一、閃盲

約有 35% 的核爆能量是以熱輻射的形式釋放。熱輻射是一種電磁輻射,不需要介質就能傳遞能量,因此在真空中的傳播速度等同光速(3×108m/s)。就算不是處在真空環境,傳播速度也相當接近光速,而且溫度越高,速度就越快。

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總而言之,在爆炸波抵達前幾秒,你就能感受到一陣極為強烈的光和熱。此時,如果你不巧在爆炸現場附近,這種程度的強光將造成閃盲(flash blindness),可以讓你在接下來的幾分鐘眼前一片漆黑,什麼都看不見。

所以,要距離爆炸多遠,才能避開這種暫時性失明呢?以一枚百萬噸級的核彈(廣島原子彈的 80 倍重,但是遠輕於多數現代核彈)為例:如果是在晴朗的白天,大概要躲到 21 公里以外;在晴朗的夜晚,甚至得躲到 85 公里以外,才能確保不受閃盲影響。

核爆發出的強光會造成暫時性失明。圖/《What If We Have A Nuclear War?

二、燒傷

上一段提到,熱輻射除了產生強光之外,還會產生極高溫的熱;也就是說,如果你真的不巧出現在核彈爆炸現場附近,除了閃盲以外,還有可能遭受不同程度的燒傷。

同樣以百萬噸級的核彈為例:待在爆炸中心方圓 11 公里內,將造成一級燒傷,只要再往前 1 公里,就會變成二級燒傷,而待在方圓 8 公里內的人,都將受三級燒傷所害。這種程度的燒傷能夠徹底破壞細胞,使皮膚呈現焦黑色。若沒有立刻施行急救,覆蓋全身超過 24% 面積的三級燒傷將導致死亡。

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待在核彈爆炸中心方圓 11 公里內,將遭受不同程度的燒傷。圖/《What If We Have A Nuclear War?

然而,正如文章開頭所說,沒有一種明確的方法可以估計核彈爆炸所帶來的影響,所以這個數字僅供參考,實際情況將取決於天氣和你當下所穿的衣服,比如白色的衣服可以反射少許熱能,黑色的衣服則會吸收更多熱能。可是,對於處在爆炸中心的人來說,不管穿什麼顏色的衣服都不會有任何差別。

根據科學家估計,廣島核爆中心的溫度約有 30 萬 ºC,比一般火化爐的溫度高出 300 倍,足以讓人體在一瞬間就蒸發殆盡。

三、爆炸風

除了燒傷之外,爆炸風(blast)也是不可輕忽的殺手。核爆釋放的能量會產生衝擊波,而衝擊波會驅散空氣,造成氣壓急遽變化,粉碎沿途經過的建築物。

再次以百萬噸級的核彈為例:爆炸中心方圓 12 公里內的爆炸風時速約為 255 公里,可以對建築物外牆造成 180 公噸的力量;方圓 2 公里內的爆炸風時速是 756 公里,對建築物施加的壓力則是 4 倍,約為 720 公噸。理論上,大部分的人都會被倒塌的建築物活埋或砸死。

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核爆產生的衝擊波會粉碎沿途經過的建築物。圖/《What If We Have A Nuclear War?

四、核輻射

假如你幸運地逃過閃盲、燒傷和爆炸風,下一個要擔心的就是核輻射。我們每天都會接觸到不同形式的輻射,包括你正在使用的手機或電腦,但這類「非游離輻射」的能量很小,不足以改變 DNA 結構。就算是醫學影像檢查,比如 X 光或斷層掃描,也都是低劑量的安全輻射,對人體的影響微乎其微。

問題是,核輻射可不一樣!雖然確切的輻射劑量取決於你所在的地點是否有建築物保護,而建築材料又是什麼,但無論如何,若暴露輻射劑量超過 6000 毫西弗(mSv),死亡率就高達 90%;即使只有 4500 毫西弗,也有 50% 的死亡率,而活下來的那 50% 必須和後遺症共存,因為輻射破壞了他們體內的 DNA 鍵結,不僅需要時間修復,也可能會有更高的罹癌率和基因突變率。

五、輻射塵

另一個與輻射有關的影響是「輻射塵」(fallout)。試想一枚核彈在地表附近爆炸,地表會發生什麼事?最明顯的就是衝擊波會造成彈坑,然後彈坑裡的沉積物(塵埃、泥土、砂石等等)會汽化到空中,形成你我熟悉的蕈狀雲。

蕈狀雲充滿具有放射性的輻射塵,在冷卻回到地表的過程中,可以飄到數百公里遠的地方,也可以順著爆炸產生的上升氣流融入雲層,再形成「黑雨」落下。好消息是輻射塵的衰變非常快,只要 2 星期,就能降到初始輻射劑量的 1%。

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彈坑裡的沉積物汽化後形成蕈狀雲。圖/《What If We Have A Nuclear War?

不只是戰爭,也將伴隨氣候危機

那假如核彈不只有 1 枚,而是 100 枚呢?近期,有一項研究模擬印度和巴基斯坦開戰,引爆 100 枚和廣島原子彈尺寸相近的彈頭。結果顯示,重達 5 百萬噸的灰燼和輻射塵將進到大氣層,使全球氣溫下降,並且減少 9% 的年降雨量,連帶造成農作物欠收與饑荒。另一項研究顯示,若是真有這種投下 100 枚核彈的戰爭,全球約有 20 億人將因此陷入饑荒[3]

除此之外,核戰對地球的影響或許比我們想像的更深遠。2019 年發表的一項模擬研究發現,要是美國和俄羅斯動用所有核武資源開戰,輻射塵將在 2 週內覆蓋整個地球,使地球接收到的光照強度大幅下降,至少需要 3 年才能恢復到正常光照強度的 40%[4]。同年,還有另一項研究發現,在世界最深的馬里亞納海溝(Mariana Trench)裡,還有著來自冷戰時期核武試驗的輻射殘留物[5]

全球核武器發展與現況

1968 年至今,世界上多數國家都簽訂了《核武禁擴條約》(Treaty on the Non-Proliferation of Nuclear Weapons),其中包括美國和俄羅斯。這項條約禁止擁核國家轉讓或援助核武給非核國家,禁止非核國家製造核武,甚至推動核裁軍,全面停止核軍備競賽。

如果想瞭解全球核武器的發展與現況,可以進一步參考《原子科學家公報》(Bulletin of the Atomic Scientists)的 Nuclear Notebook

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全球核彈頭庫存總量於 1986 年達到高峰(64,099 枚),直到 2017 年為 9,220 枚。圖/Bulletin of the Atomic Scientists

註解

  1. Hiroshima and Nagasaki: The Long Term Health Effects
  2. Status of World Nuclear Forces
  3. Helfand. (2013). Nuclear Famine: Two Billion People at Risk—Global Impacts of Limited Nuclear War on Agriculture, Food Supplies, and Human Nutrition. International Physicians for the Prevention of Nuclear War.
  4. Coupe, J., Bardeen, C. G., Robock, A., & Toon, O. B. (2019). Nuclear winter responses to nuclear war between the United States and Russia in the Whole Atmosphere Community Climate Model Version 4 and the Goddard Institute for Space Studies ModelE. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 124, 8522– 8543.
  5. Wang, N., Shen, C., Sun, W., Ding, P., Zhu, S., Yi, W., et al. (2019). Penetration of bomb 14C into the deepest ocean trench. Geophysical Research Letters, 46, 5413– 5419.

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「為何不用神奇核彈摧毀颶風?」 美國大氣總署的不思議問題庫
Rock Sun
・2017/08/25 ・2793字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 507 ・六年級

要為美國人提供天氣資訊可不是件容易的事啊!

就跟許多政府機關一樣,美國國家海洋暨大氣總署(National Oceanic and Atmospheric Administration,以下簡稱 NOAA)設有民眾 Q&A,擁有全球數一數二的資料庫、關注人口的他們,也理所當然也經常收到許多各式各樣的問題和「建議」,而其中不乏讓人摸不著頭緒的怪問題。

NOAA 經常收到許多各式各樣的問題和「建議」,而其中不乏讓人摸不著頭緒的怪問題。

而其中,有個問題很常被問到,現在就讓我們來看看 NOAA 怎麼回答這個問題吧~(以下為譯文加上註解)

為什麼我們不利用核武來摧毀颶風?

……美國人真是奇葩的民族,怎麼會想到這種方法啊….….

每一次到了颱風季節,總有人建議我們使用核武來摧毀熱帶氣旋(註 1 ),但這方法除了完全沒有用之外,也完全忽略了之後輻射粉塵的影響,隨著大氣環流這些輻射汙染物將會為陸地上帶來災難性的環境問題。所以,不用說,這絕對不是一個好主意。但如果要更明正嚴肅一點解釋為什麼核武不是個摧毀颶風好方法,需要從爆炸的能量開始說起。

一個完整的熱帶氣旋系統能能以 5~20 x 1013 瓦特的功率釋放熱能,而其中只有不到 10% 的熱會轉換成風速。圖/National geographic

一個完整的熱帶氣旋系統能能以 5~20 x 1013 瓦特的功率釋放熱能,而其中只有不到 10% 的熱會轉換成風速。講白話一點,這個放熱效率差不多等於每 20 分鐘有一顆1000萬噸量級的核子彈爆炸(註 2 ),而根據 1993 年的世界年鑑紀載,1990一整年全人類的能源使用效率不過才 1013 瓦特(註 3)而已,只不到一個颶風的 20%。

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如果是討論「能」,全人類可以使用的能源(換句話說就是實際使用+浪費掉的能源)就比較有機會與颶風產生的能量匹敵,但是最天方夜譚的部分就是如何將這些能量集中在大洋上某處。即使是一半也是很困難,所以單純以能量打散颶風是一件不太可能的事情。

另外,不管是普通爆炸還是是核子爆炸,都會產生強大的震波,以超過音速的速度從中心擴散出去,但這些震波並不會像大家所想的那樣擠壓空氣、增加颱風的中心氣壓以抵銷它的「低」氣壓,因為氣壓反應的是上空的空氣重量(註 4)所以不會有影響。

圖/petapixel

正常一大氣壓下,海平面上每平方公尺約有 10 噸的空氣壓在上面,即使是最強的颶風這個數字也只會變成 9 噸。如果要將 5 級颶風減弱為 2 級颶風(註5),那麼你需要在颶風眼中每平方公尺增加 0.5 噸的空氣,如果颶風眼半徑將近 20 公里,我們需要增加至少 5 億噸的空氣,完全想不到有什麼實際的方法可以移動這麼一大團的空氣(註 6)。

如果我們退個好幾步,在較弱的熱帶氣旋變成颶風前著手也沒有比較容易,每年有大約 80 個這樣的氣旋系統在大西洋上頭產生,完全不知道哪個最後會變成颶風,而且就算熱帶性低氣壓都只有颶風 10% 的能量,這還是一個可觀的數字。

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所以如果我們真的建立了一組颶風警察來獵捕、解決颶風,那大家準備每年大停電吧!!

除了充滿爆點、相當美式硬漢作風的使用核彈之外,NOAA 也針對一些方法做出解釋,這些看似更有邏輯的方法,其實也不一定有用。

為何不試著在颶風中投入吸水物質 ?

先撇除這類物質對環境的影響,這不是不可能,但效果仍未定。舉測試中的 Dyn-O-Gel 為例子,電腦模型表示可以降低颶風威力,但效果不明顯,而且考慮到它是將雨滴凝結,加速墜落來釋放能量的話,對人類、建築和環境未必是件好事。

最重要的是,這要用到很~~~多物質。以上面的例子,每平方公里需要 10 頓的 Dyn-O-Gel 才會產生作用,如果我們取颶風眼和眼牆的範圍的話,這將近是 4,000 平方公里大,如果用美國的 C-5A 軍用運輸機載的話,需要個將近 400 台,而且每 1.5 小時得出一次任務,朝風雨最強大的地方飛去。

不用說,這絕對不行。圖/Weather Nation

為何不試著用降低海水溫度來破壞颶風呢?

降低海水溫度的方法很直觀,例如融化冰山或把深層海水打上來,但我們需要知道這需要涵蓋多大的範圍。不瞎說~~這超大的!颶風主要匯集能量的地方在眼牆四周,假如颶風眼直徑有 48公里的話(颱風平均為 45 公里),那這個範圍就有將近 4,550 平方公里,再假設颶風以每小時 16 公里的速度前進(這也大概是平均值)的話,這樣一天之內就會涵蓋將近 18,650 平方公里,而且這還沒考慮到颶風移動的不確定性,如果所有路線都要考慮到的話,需要操作水溫的海面範圍將近 38,000 平方公里(比整個台灣還大)。

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所以真的要這麼做的話,你得先找到很多冰山,用船把它們拖運過來,並且在時限內散佈在這麼大的海面上。而如果是用管線把深層水打上來的話,這管線覆蓋面積又要超出這個數字很多倍,當然這都還沒考慮到成本和對海洋生物的影響(別忘了產生颱風的地方多半是熱帶海洋喔~)。講了這麼多~大家颱風天還是乖乖待在家裡吧~設法適應、與這種自然現象為舞比和它們為敵輕鬆多了~

當然也可以適用好萊塢的想像力,圖為電影「氣象戰」。
(來源:fictiontofact.com)

註解

  1. 我們的颱風,在美洲地區,叫做「颶風」;在印度洋產生的叫「氣旋」,在分級上都略有不同。本文章因為絕大部分是由NOAA 原文翻譯過來的,所以儘管大家念起來可能會繞口或是不習慣,還是以原文的「颶風」為主。
  2. 1,000 萬噸量級的核子彈看似很多,但其實已經是過去式了。1952 年美國在大平洋埃內韋塔克環礁試爆的世界第一顆氫彈–「長春藤麥克」就是一顆 1,000 萬噸量級的核子彈,比轟炸長崎的「胖子」原子彈還強了 500 多倍。而俄國的「沙皇炸彈」量級又比「長春藤麥克」高了 5 倍。
  3. 雖然不太知道這篇文章最一開始是什麼時候寫成的,但如果是 2015 年的話,全人類的能源使用是 1990 年的 1.5 倍,大略換算一下還只是一個颶風的 30%。
  4. 氣壓泛指是氣體對某一點施加的流體靜力壓力,來源是大氣層中空氣的重力。換句話說,你就算把上空的空氣全部壓的緊緊的,這團空氣的重量只要沒有變化,你的氣壓還是一樣。
  5. 詳細的全世界颱風分級表可以從中央氣象局找到,但針對「5 級颶風變成 2 級颶風」,差不多就是最猛的強颱變成中颱的程度,風速大概會下降 40%。
  6. 5 億噸的空氣的體積差不多是 3.85 億立方公尺,如果我們可以擷取地面上空 500 公尺以內的空氣,那我們需要把一個面積770,000 平方公尺以上的空氣全部拿走。大概就是製造一個 3 個大安森林公園面積大,開口可以拉開到 500 公尺高的巨無霸塑膠袋,然後請幾台飛機或跑車以迅雷不及掩耳的速度把那裡面的空氣像抓蝴蝶那樣全部綁架,然後再運到颱風中間把塑膠袋打開。

參考資料:

Rock Sun
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前泛科學的實習編輯,曾經就讀環境工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但我現在會說沒有專長(笑)。也對太空科學和科普教育有很大的興趣,陰陽錯差下在泛科學越寫越多空想科學類的文章。多次在思考自己到底喜歡什麼,最後回到了原點:我喜歡科學,喜歡科學帶給人們的驚喜和歡樂。 "我們只想盡我們所能找出答案,勤奮、細心、且有條理,那就是科學精神。 不只有穿實驗室外袍的人能玩科學,只要是想用心了解這個世界的人,都能玩科學" - 流言終結者