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科学家发明和发现的故事-在车库造核反应堆的天才少年

  科学家要从繁复的现象中洞悉真理,要运用科学的定律创造出有利于人类的物件,以及运用自然规律为人类服务,这其中是耗费了怎样的心力是怎样坚定的一只才能做到的呢?小编为大家准备了相关的资料,接下来就让小编带大家一睹为快!

  在车库造核反应堆的天才少年

  10岁时,他制造了一个炸弹;14岁时,他建造了核聚变反应堆,成为世界上完成核聚变壮举最年轻的人;2013年2月28日,19岁的泰勒·威尔森登上了科技、娱乐、设计大会(简称TED大会)的演讲台,向坐在台下的那些世界顶级科学家、企业家们介绍他设计的小型核裂变反应堆。这个反应堆造价低廉,以废旧核武器的放射性物质为原料,可以持续供能30年,能产生50兆瓦至100兆瓦电力,足够为10万个家庭提供清洁能源。最棒的是,因为存放在地下,且放射物浓度极低,这个简易反应堆对人身健康影响甚微,也不会被恐怖分子滥用。

  听到这番演讲,相信没人会把这位天才少年仅仅看作一个智商超高的书呆子。威尔森是抱着改变世界理想的、全球最年轻的核专家。

  生日礼物是一辆吊车

  威尔森1994年出生在阿肯色州特克萨卡纳,父亲肯尼斯曾是足球运动员,后来在一家公司工作,母亲蒂凡尼是名瑜伽老师。5岁生日时,威尔森告诉父母,他想要一个吊车作为生日礼物。而当大人拉着他去玩具店时,他跺着脚嚷道:“不,我要真的!”也许很多父母会一笑而过,肯尼斯却找了个在建筑公司工作的朋友帮忙。于是,在威尔森生日那天,一辆6吨重的吊车停在了他家门口。威尔森兴冲冲爬上去,坐在驾驶员的腿上,学习操纵这个庞然大物,乐得合不拢嘴。

  10岁时,威尔森不知从哪弄来一张元素周期表,不到一周,他不仅记住了所有元素,还把它们的质量和熔点也记得清清楚楚。一天,威尔森穿着实验室外套,一手攥着医用手术刀,煞有介事地告诉家人,他要从每个人的手指头上弄点血,在车库做“基因比对实验”,结果每个人都乖乖伸出手指任他摆弄。还有一次,威尔森把家人召集到后院,只见他拿出一个药瓶——瓶里装着糖和硝酸钾,点燃了瓶底的导火线,随后就是天崩地裂般的爆炸声。邻居们惊慌失措地跑出来,竟发现一团小小的黑色烟雾从威尔森家后院中升起。

  一次小小的爆炸远不能满足威尔森,他又开始迷上了核反应堆。为了庆祝他11岁生日,奶奶带他去书店买书。威尔森挑中了一本讲述制造核反应堆的书。他完全被这本书迷住了,看了又看,还常常大声朗读其中一些章节。“制造核反应堆的事情,我肯定也能做到!”

  等到威尔森12岁时,学校已经没法教给他任何东西了。他每天只能无所事事地坐在教室。于是,父母答应让他收集一些常见的放射性物质,为学校的科技比赛做准备。为此,父亲肯尼斯借了一个用于测量放射性物质的盖格计数器,一到周末就带着威尔森到各个古董店搜货。威尔森发现了带有放射性物质的闹钟、灯罩、瓷器;他还拽着父母跑到新墨西哥州的沙漠找铀矿石,然后一箱箱地带回自家车库研究。

  这个对放射性物质感兴趣的孩子,让父母有了一丝担忧。还好,一位专业人士告诉他们,这些放射物浓度极低,不会危害到威尔森的健康。

  每当有人看不下去,告诫肯尼斯要管管威尔森时,这位父亲总会感叹:“在威尔森眼里,根本就没有‘不能’这个词。”

  用几百美元造出核武器检测仪

  正当威尔森忙着研究放射性物质时,他的外婆患上了癌症,常常要做放射性治疗。威尔森发现,用于诊断和治疗癌症的同位素价格高昂,许多病人因此得不到治疗。“如果能找到一种更便宜的方式获得这些同位素,或许可以挽救更多患者。”一天,当他看着太阳时,突然灵光一闪,“太阳放光发热靠的就是核聚变反应。如果我能制造核聚变,不就能得到高能中子来获取同位素了吗?”

  可威尔森只是一个高中生,没有仪器,也没有实验室,怎么能做得到呢?威尔森试图在家里车库自造核反应堆。恰好此时,他的父母得知内华达州立大学雷诺分校可以为高中里的尖子生提供研究所需的仪器和实验室。于是,威尔森拜访了该校的一位物理系教授。听说他想要造核聚变反应堆时,这位教授嚷道:“你才13岁,就想捣鼓上千万伏高压和致命的X射线?”

  不过,威尔森最终还是得到了物理学家法诺夫的支持。威尔森每天下午都泡在法诺夫实验室里寻找材料和解决技术难题,还铆足了劲,自学了化学、工程学、等离子物理学等20多个领域的知识。慢慢地,他开始试着组装核反应堆了。14岁生日那天,一切准备就绪,他神情专注地往反应器里注入氘,然后通上几万伏的高压电。他成功了——威尔森成为了世界上第31个完成核聚变反应的个人,而且是年龄最小的。

  不过,这只是威尔森实现理想的第一步而已,“核聚变能用来做些什么?”一天,他看到一篇报道,每天数以万计的集装箱被运入美国,探测仪根本不可能一个个检测箱子里面是否藏有核武器;而且这些探测仪需要用到的氦-3元素非常昂贵。“何不利用核聚变产生的中子来探测核武器呢?”接下去的几个星期里,他构思出一套快速检测装置:如果集装箱中藏有核武器,核聚变产生的中子会迫使武器中的原子发生裂变,从而发出伽马射线或氮气,探测器就会采集到信号,并发出警报。他用几百美元造出的核武器检测仪比海关几十万美元的还要灵敏。

  2008年,威尔森带着这个核检测仪参加了英特尔国际科学与工程大奖赛——全球最高级别的中学生科学展。英特尔首席执行官保罗听说一个14岁的孩子造了核反应堆时,径直走向威尔森,与他交谈了20分钟,然后,保罗带着难以置信的表情离开,“我脑子里只有一个想法,我太庆幸这孩子是我们国家的了!”威尔森毫无悬念地摘得了大奖。之后两年里,他获得了9个奖项,奖金总额达到10万美元(约合62万元人民币)。2012年,威尔森应邀参加在白宫举行的科技展,为总统奥巴马介绍了他的检测仪,成为媒体竞相报道的对象。

  爱因斯坦和罗盘的故事

  爱因斯坦上学前的一天,他生病了,本来沉静的孩子更像一只温顺的小猫,静静地蜷伏在家里,一动也不动。父亲拿来一个小罗盘给儿子解闷。

  爱因斯坦的小手捧着罗盘,只见罗盘中间那根针在轻轻地抖动,指着北边。他把盘子转过去,那根针并不听他的话,照旧指向北边。爱因斯坦又把罗盘捧在胸前,扭转身子,再猛扭过去,可那根针又回来了,还是指向北边。不管他怎样转动身子,那根细细的红色磁针就是顽强地指着北边。

  小爱因斯坦忘掉了身上的病痛,只剩下一脸的惊讶和困惑:是什么东西使它总是指向北边呢?这根针的四周什么也没有,是什么力量推着它指向北边呢?爱因斯坦67岁时仍然为童年时的“罗盘经历”感慨万千。

  他在《自述》中说:当我还是一个四、五岁的小孩,在父亲给我看一个罗盘的时候,就经历过这种惊奇。这只指南针以如此确定的方式行动,根本不符合那些在无意识的概念世界中能找到位置的事物的本性的(同直接‘接触’有关的作用)。我现在还记得,至少相信我还记得,这种经验给我一个深刻而持久的印象。我想一定有什么东西深深地隐藏在事情后面。凡是人从小就看到的事情,不会引起这种反应;他对于物体下落,对于风和雨,对于月亮或者对于月亮会不会掉下来,对于生物和非生物之间的区别等都不感到惊奇。

  小小的罗盘,里面那根按照一定规律行动的磁针,唤起了这位未来的科学巨匠的好奇心——探索事物原委的好奇心。而这种神圣的好奇心,正是萌生科学的幼苗。

  1953年3月14日,爱因斯坦在74岁生日宴会之前,举行了一个简短的记者招待会。会上,他收到一份书面的短信。信上第一个问题就是:“据说你在5岁时由于一只指南针,12岁时由于一本欧几里得几何学而受到决定性的影响。这些东西对你一生的工作果真有过影响吗?”

  爱因斯坦看了微微一笑,回答说:“我自己是这样想的。我相信这些外界的影响对我的发展确是有重大影响的。”爱因斯坦接下来的回答似乎更饶有趣味:“但是人很少洞察到他自己内心所发生的事情。当一只小狗第一次看到指南针时,它可能没有类似的影响,对许多小孩子也是如此。事实上决定一个人的特殊反应的究竟是什么呢?在这个问题上,人们可以设想各种或多或少能够说得通的理论,但是决不会找到真正的答案。”

  的确,一个儿童的一次偶然经历和日后伟大的科学发现之间,大概怎么推论,也难以找出让人心服的必然性联系。

  何思明:大山里走出的科学

  我国是一个山地大国,也是山地灾害最为严重的国家之一。提起滑坡,人们并不陌生,云南鲁甸地震灾害引发的大型滑坡堵塞河道形成牛栏江堰塞湖,威胁到两岸及下游数万村庄安全;开车行进在西部山区盘山道上的司机们,提起滚石更是会闻之色变。近年来,随着我国经济建设的高速发展,大规模基础设施建设又加剧了地质灾害的发生。随着全球气候变暖,极端天气常态化,地震活动渐趋强烈,人类工程活动加剧,我国地质灾害的活动性、发生频率与规模都将大幅上升,未来我国地质灾害减灾形势将异常严峻。

  如何减少和避免这些地质灾害带来的财产和人员的损失呢?带着这个疑问,本刊记者采访了中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室副主任何思明研究员。

  走出大山,研究大山

  何思明是四川蓬溪人,从小在山里长大,体会得更多的是“蜀道难,难于上青天”的险峻道路,也对地质灾害有着更深刻的感触。怀着改变我国落后交通的梦想,1987年,何思明考入成都科技大学工程力学专业。1997年毕业后,何思明如愿进入了中国第十九冶金建设公司建筑设计研究院,主要从事工业与民用建筑地基基础工作方面的勘察、设计、施工与检测工作。这也为他日后从事地质灾害的形成与防范方面的研究打下了实践基础。2004年何思明从西南交通大学获博士学位后进入中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所工作,主要从事山地灾害形成演化机理与防治关键技术研究。曾获2011年度中国科学院王宽诚西部学者突出贡献奖、2013年度四川省科技进步奖一等奖等多项奖励,现任中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室副主任,滑坡研究室主任,博士生导师。

  勇于创新,硕果累累

  在科研工作中,重视学科交叉,尤其重视理论方法、模型试验与数值仿真三种研究手段的有机结合,不仅重视基础理论研究也关注减灾关键技术的研发和成果的转化。近年来,在边坡稳定性的极限分析与极限平衡理论、边坡预应力锚固技术、开挖边坡超前诊断与超前支护、崩塌滚石灾害形成机理与防治、强震带边坡位移控制设计与柔性防护、山地灾害动力演化的物理模型与计算模拟等研究方面取得具有国际先进水平的科研成果。

  这些成果的取得,是何思明勇于创新的结果。对于创新,何思明有自己的理解。他说,创新是多层次的,一个是发现新的问题,二是提出创新的理论,三是新的研究手段,四是研发新的减灾技术。这些都属于创新。至于创新的重要作用,何思明给记者讲了自己参与过的一些实际工程。他说,以工程开挖边坡为例,工程进行过程中,由于不合理开挖经常诱发滑坡灾害发生,不但造成人员和财产损失,增加工期,还会大幅增加工程投资。那么,可不可以换个思路,在开挖之前,首先对斜坡开挖后的稳定性进行预判,如果斜坡在开挖过程中可能失稳破坏,就先进行超前支护后再开挖边坡,就可避免因为工程建设诱发地质灾害发生造成的损失。相关技术应用于西藏妥昌公路、中尼公路改扩建工程建设中,解决了长期困扰工程建设的高切坡灾害问题,降低了工程投资,取得了良好的经济效益和社会影响。崩塌滚石灾害是5·12汶川地震灾后恢复重建中次生灾害防治的难点问题,何思明创新性地研发了多种基于耗能减震原理的柔性滚石防护技术,解决了诸如都汶公路(213线)彻底关大桥桥墩滚石灾害防治、都汶高速公路桃关隧道出口滚石灾害防治以及芦山地震灾区S210线滚石灾害应急抢险崩塌滚石灾害防治等重大难题。研发的其它多项地质灾害减灾技术也在汶川地震灾后重建、西藏交通干线公路建设中发挥了重要作用,产生了显著的经济效益和社会影响。发表学术论文150余篇,其中SCIEI检索130篇,授权发明专利6项,出版学术专著4部,编制地方行业规范3部。

  立足减灾,回报大山

  何思明在地质灾害方面的研究与创新,丰富了我国地质灾害预防的理论与实践,避免了工程项目巨额的资金损失。这是他对国家的重大贡献,也是对哺育自己成长的大山的倾情回报。谈到自己的工作,何思明说,在我们国家,每年地质灾害造成的人员伤亡和财产损失是非常大的。究其原因在于对地质灾害自身的形成演化机理还认识不清,不知道地质灾害发生的位置、时间与动力过程,导致地质灾害预测预报与减灾防灾困难。因此,何思明确定了自己的研究三个基础方向:地质灾害的形成机理、动力演化过程与减灾理论,在此基础上发展潜在地质灾害的判识与预处置技术、地质灾害定量风险评估技术、地质灾害工程防治新理论与新技术,大幅提升我国地质灾害防治减灾能力。

  一花独放不是春,百花齐放春满园。事业有成的何思明,在辛苦的工作之余,还承担起了为国家培养地质灾害研究专业人才的重任。几年来,他已经指导博士研究生、硕士研究生15名,博士后2名。通过培养学生,何思明也组建了自己的研究团队。目前,他的团队由两部分组成,一是在职职工,二是学生。职工有6人,学生有4个博士,4个硕士。这个团队最突出的一个特点,就是它是由不同专业人才组成的,是学科涉及比较全面的一个团队。这是何思明根据研究与解决问题的需要特意组建的。团队里,每个人都有自己的独特的优势,形成一个整体的优势。相信随着时间的推移,何思明的努力定会在这个领域开枝散叶,结出更多的成果。

  谈到未来学科的发展,何思明说,地质灾害研究要走的路还很长,未来要做的工作还很多。他把研究的方向确定在以下三个方面:一是要注重学科交叉,加强学科之间的沟通与互补。随着科学技术水平的发展,科学研究越来越向交叉和边缘方向发展。在重视基础理论研究的同时,更加注重实用性,研究的种种局限也被极大地打破了。地质灾害研究发展到今天,地理学与地质学的内容已远远不能满足需要,必须与水文气象、土木工程、数学、力学等学科交叉才能更加全面认识灾害的形成机制,也才能提出更加科学的防范措施;二是研究方法的改进:要努力探索更先进的模型试验方法、高效数值试验技术以及野外探测技术;三是拓宽研究领域:开展海底滑坡泥石流灾害、冰雪崩灾害乃至外星地表灾害研究。在研究中,何思明有着非常明确的方向,那就是紧紧抓住国家需求,向实用化、技术化方向发展。使自己的科研成果应用到更多的工程项目中去,为国家做出更大的贡献。

  何思明,这个大山里走出来的科学家,正在以自己的辛勤的汗水和创新的智慧,回报着养育了他的大山。

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