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对于核科学教育和科普工作的期待

已有 2464 次阅读 2021-8-29 11:41 |系统分类:科普集锦


社会公众偶然地谈到原子核时,第一时间能想到的往往是核辐射、核武器等相对负面的印象,这表明公众对于核科学技术之误解、对于原子核在认知上之缺失;当然这也表明核科学教学与科普工作的重要性、(一定程度上的)紧迫性。

 

实际上,原子核科技距离我们的生活和生产实践是非常密切的。关于核科技的应用展开讨论不是本文的主题,感兴趣的读者可翻阅拙文《美哉! 原子核系列科普短文:民生大用之原子核》: blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3404169&do=blog&id=1289686

这里仅列举一些数据。目前核技术产业在工程、生物、医药等领域每年都有数以万亿美元的产值(注意:这是除去核能产业以及相关武器工业后的GDP), 例如当前美国全年的GDP 大约为20万亿美元, 其中核技术的贡献约占GDP 的4-5 %; 欧洲日本这方面稍弱, 大约占GDP 总额的3 %. 我国这方面相对落后, 大约为0.4%, 但是发展比较快,成长空间非常大。核科学有如此神奇的技术(这里强调一下:很多核科学技术都非常非常神奇!!!),只不过不为大众所知罢了;而看看核科学技术这个巨量的产值,我们能说它离我们很远吗? 核科学催生了很多新的领域,例如核医学、放射医学、核地学、核农学、核天文学、核水文学等. 核能的产业当然是很大的(美国为了化石能源到处打仗), 不过总额大约为上述核技术应用的四分之一到五分之一;现在核电在许多发达国家已占比很大,我国这方面处于快速发展中。

 

因此具有原子核基础知识的人才在社会上其实是非常“吃香”的、需求极大,只不过社会公众并没有反应过来,还不太知道。不过,这些年国内许多大学新办核科学技术学院,也正是在这个社会发展中追赶这个大潮流。这个应该引起那些高考报志愿的学生和家长们注意,毕竟未来职业和社会需求是密切相关的。既然核科技这么神奇,那么为什么公众不知道呢? 为什么公众对于原子核的知识如此缺失呢?

 

我对于这个现实情况一直不理解,一直觉得一个好东西大家评价一般也会很好;其实不然。最近我在家养病,因而有时间翻阅著名的《传习录》一书中王阳明老夫子的某些看法,才对这个现实有所感悟:公众认为是好的事物,其实不一定真的很好;而公众认为负面的,不一定就不好。公众的认知容易受到各种评价(体系)、宣传和社会环境等影响。例如对于孔子的评价,我引用一段《传习录》中的原文:

[ 昔者孔子之在当时,有议其为谄者,有讥其为佞者,有毁其未贤,诋其为不知礼,而侮之以为东家丘者,有嫉而沮之者,有恶而欲杀之者,晨门、荷蒉之徒,皆当时之贤士,且曰“是知其不可而为之者欤?”“鄙哉硁硁乎!莫己知也,斯已而已矣。”虽子路在升堂之列,尚不能无疑于其所见,不悦于其所欲往,而且以之为迂,则当时之不信夫子者,岂特十之二三而已乎?]

大家都知道孔子是万世师表,是东方的大圣人,但是那时候的社会人士也没有认为他很好。其实王阳明本人在世时也是不怎么得志、不怎么受待见的,那时他的心学在中国部分地区有所传播,但是在庙堂之高,并没有受到多少重视,对于他本人还有许多的流言。对于如此明确的事实、这样的大圣人,在当时公众的整体印象尚且如此,那么公众对于一个(不熟悉的)科技领域有一个相对客观的印象又是多么困难呢!

 

确实,核科学确实与核武器以及核辐射有联系,例如切尔诺贝利核事故(给人的印象很深)、1945年日本挨二个原子弹后的惨状(在某种意义上加快日本投降的进程)、当前日本对于福岛核电站事故不负责任的处理(为国际所诟病)等,因此公众谈核色变似乎也不是没有一点儿理由。 与此类似的是,化学和生物学也导致了很坏的事情,例如19世纪后期诺贝尔发明了硝化甘油炸药,由此出现了大规模杀伤性的现代武器;二十世纪还出现了化学武器和生物武器;现在美军有数以百计[可疑的]生化实验室。然而,公众对于化学、生物二个学科以及相关产业却没有太多那种负面乃至排斥的心理。由此可见,社会公众对于学科和相关产业的认识和印象并不完全是理性的。客观的宣传和科学普及对于改变这个核科学技术在公众中的印象很有必要。

 

日复一日地形成核科学技术这种负面社会心理的一个重要原因是原子核科学方面的教育相对缺失。在中学化学书里就有原子内电子分布规律的内容,有原子的壳模型图象,以及利用原子结构理解化学性质,这样形成了原子结构知识链一个比较完整的闭环。在高等教育中,一般理工科的学生在大学物理中都有很大精力讲授原子结构、原子光谱,某些专业甚至有很专门的课程讲授原子结构。与此对照的是,中学教育中也有原子核方面的“知识点”,但是一般只是几个非常小的“点”而已。在高等教育中,非物理学专业、非核科学与技术专业的学生很少涉及原子核结构的理论知识;在物理教学中原子核的内容放在《原子物理》很后边,在编排上近乎是介绍性的、看起来是不重要的、描述性的。有些高校把《原子核物理》[包括理论和实验]作为选修课,有些地方安排一门选修课程《粒子物理与核物理》;作为选修课程,往往也只是简述性的,学生的重视程度不够;因为是选修课,许多教师其实也不投入、甚至对于原子核有些地方一知半解就开讲,这样学生怎能学得透彻呢?学得不透彻,学生就不会有太多太大的兴趣。实际情况是,许多[非核物理专业]物理专业的研究生几乎完全不知道原子核科学方面的相关概念,核结构理论知识几乎是空白。 对于物理专业的博士研究生尚且如此,社会怎么可能对于核科学技术有正确的、客观的认识呢?

 

我们在网上搜索一下原子核的图片,往往是两种颜色的密集堆积的乒乓球。非常可惜的是,这个图象是一种非常不靠谱的误导;某一位专家在什么地方简单地做了比方,大家就这么接受下来了,然后就在网络上传播。其实这个图象比起原子结构的图象准确性差得远了:原子结构最简单的经典图象是行星模型,电子在核周围绕着核心转动;稍微艺术一点儿[其实也更准确一点儿]的是把电子“虚化”为模糊一些的波包。量子力学描述原子内的电子运动是“电子云”,说得文雅一些是波函数。原子核的乒乓球模型其实与实际相差太远,不知道为什么没有与时俱进地重新做这个漫画。 原子内的电子围绕原子核转圈似乎很快,其实氢原子中电子的速度不到光速的百分之一,重原子中内层电子速度快一些,相差大约1个量级。原子核的体积很小,因此量子力学中不确定关系 ( Delta x dot Delta p_x = hbar) 导致核子有一个很大的动量,这个动量对应一个很大的速度;原子核内的质子或中子运动的速度大约为光速的 0.3 倍,比原子内的电子速度快了很多倍。因此原子核最简单的经典模型应该是很多核子围绕原子核质量中心在快速运动,绝对不是老老实实不运动的一堆双色乒乓球。单凭这一点,我们公众就应该责备那些“科普图片”制作者们以及长期采用这些图片的科普工作者们。需要进一步说明的是,原子核也不是密集堆积的。核子之间相互作用是在中程和长程部分是吸引的,短程是排斥的,这个排斥有一个大致范围:当核子之间距离小于 0.4 fm (fm 是长度单位,等于10的负15次方米)时,核子之间相互作用是排斥的,称为排斥芯。实际上原子核内的核子之间距离是很大的,平均距离为 2.4 fm, 如果把排斥芯作为乒乓球的直径,那么仅仅从体积这个意义上而言,核子之于原子核就像是街头上那种很稀的珍珠奶茶饮料差不多,其中的珍珠是核子,奶是介子场。“珍珠”体积占奶茶整体的比例等于 (0.4/2.4)^3 = 1/216 !!! 当然核子自身也有体积,质子的电荷半径大约为0.8 fm, 如果把核子看作半径为 0.8 fm 的球,那么这些核子“球”体积占整个原子核体积的比例等于 (0.8/1.2)^3,约等于0.3,即原子核内大约70% 是比较空的。因此原子核整体上是比较稀疏的,不是密集堆积的。原子核内核子之间平均距离最终取决于两个因素,一个是核子之间相互吸引势,一个是不确定关系的制约(不确定关系导致核子之间距离不能太小)。

 

核子在原子核内都是大波包,核子的状态用量子力学的波函数描述。原子核结构理论就是从量子力学出发在低能情况下求解多体薛定谔方程。不过因为对于核力的理解不够、多体理论方面困难,原子核理论只能是模型理论。不过,现有核物理“初级”教材往往还是因循几十年前的样子,各种模型、数据的碎片化,使核理论相对而言显得太庞杂、太难理解、难以捉摸。这与传统的原子物理不一样,原子物理在内容方面编排上自然舒适得多,而且与时俱进。

 

因此对于核理论整体上进行梳理,凝炼出容易理解的线条,以便于教学、自学;同时应该有一个完整的“习题集”,就象吉米多维奇习题集之于微积分,就象国内曾谨言、钱伯初的习题集之于量子力学,这些对于核物理教学推广、深入是必需的。“入门”教材也要配套一些推导详尽的著作;如果描述过于“简洁”, 一些地方仅说“经过简单推导”或者“经过冗长的计算得到”,那么自学就很吃力。一个学科一定要有大量的、完善的习题解答[基本题型和提高题型]支撑起来,教学上才能真正走向成熟和正轨,才能有更多的学生愿意走进来。

 

上面说了教学方面,科普工作当然也需要努力。现在国家提要求了,某些大项目结题时要有科普文章或内容来交差,算一个硬指标。相对于某些“市面上最流行的学科”而言,核科学技术方面的科普工作可能要差一些,这是长期形成的;中国这样,国外也差不多如此。现在外面炒作得多的、神叨叨的物理概念,其实公众并没有很好地理解;但是,那些概念经常见诸报端、经常见诸公众讲坛,就给公众一个好印象。对照起来,说句不登大雅之堂的话,核科学技术现在就象“臭豆腐”,闻起来臭、吃起来很香----真实情况是,比起那些被吹得震天响的领域,核科学领域才是真正的朝阳领域,如果调研一下核技术对于医学、生物学、环境科学、材料科学等的极大推动以及相关的巨大产业规模,每个人都容易坚信这一点。

 

而核科学技术之所以在公众中没有造成那么大的影响,原因可能在于那些科普的传播方式。现在原子核科学技术方面的科普报告对象似乎以物理专业的学生或者核物理专业的研究生为多,面对全社会公众的科普报告机会不多,在大众传媒上这方面科普工作相对而言就更少,因而也许有事倍功半之嫌。更糟糕的是,在传统核物理方面,系统地、有组织地、花费较大心血地从事科普的专家其实是寥寥无几的。一方面公众不了解、一方面那些专家又懒得去解说,公众对于核科学怎么会有很深的、相对客观的印象呢? 所幸,我们中国在传统启蒙教育方面的巨大努力是科普工作一个非常好的学习榜样:为了普及最基础部分的教育,我们有三字经、千字文、弟子规等朗朗上口、非常精炼。假如核科学技术的科普能做到这个学习榜样的十分之一甚至百分之一,那么整个形势就完全改观了。

 

总而言之,作为一名讲授原子核理论十多年的教师,作为一名原子核物理的资深工作者和一名原子核科学技术科普爱好者,我逐步感受到核科学技术方面的内容在基础教育中被强调得很不够。需要指出的是,原子核是整个自然界物质结构的一个基本层次,有自身特有的运动规律,也是生机勃勃的科学前沿,更是现代高技术领域中极其重要的制高点之一。在基础教育中适当调整、增加核科学技术的内容是很有必要的,细化这方面的教材(深入浅出的内容和配套习题解答) 任重道远。公众对于核知识的缺失表明核科学方面的科普需要大幅加强,并有一定的紧迫性,这方面科普需要组织化、系统化,我们应该在大众传媒上多做这方面的工作。当然,这些仅是一个期待,一个合理而美好的愿望而已。

 

 




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