第十二章《一本书读完科学发现的历史》（5）

第四篇现代科学发现20世纪初，物理学的革命开辟了科学认识的新领域，自然科学进入了一个崭新的发展阶段——现代科学。依靠自然科学的许多新成就，一大批新兴技术不断涌现，汇成了新技术革命的洪流。在此基础上，现代科学形成了一个各门类、各学科互相联系、彼此渗透的知识体系。

核能的发现及应用

1945年8月6日和9日，美国将两颗原子弹先后投向了日本的广岛和长崎。美国的这一举动在一定程度上加速了抗日战争的结束，但也带给整个人类深深的震撼，让所有的人类都看到了原子弹这种武器的巨大威力。那么核能有怎样的应用历史呢？如何利用核能为人类造福而不是带来伤害呢？

核能的应用历史

核能的发现和利用有着漫长的历史。1914年，英国物理学家卢瑟福通过实验，确定氢原子核是一个正电荷单元，称为质子。之后的1932年，英国物理学家查得威克发现了中子。1938年，德国科学家奥托哈恩用中子轰击铀原子核，发现了核裂变现象。在1945年之前，人类在能源利用领域只涉及到物理变化和化学变化。二战时，原子弹诞生了。人类开始将核能应用于军事战场。之后，人类开始将核能应用于能源、工业、航天等领域。美国、俄罗斯、法国、英国、以色列、日本、中国等国相继展开对核能应用前景的研究。核能将是我们可以依赖的能源，它能够可靠地提供电力，保护环境，并促进经济的发展。

▲广岛原子弹的爆炸

核能的优点与缺点

核能有很多其他能源不具备的优点，它提供了一种代替燃烧大量煤炭、石油等化石燃料的方法，使发电对环境产生更小的影响，不会产生二氧化碳。核能的发电成本中，燃料费用所占的比例较低，而且核能发电的成本较其他发电方法的成本更稳定，不易受到国际经济形势的影响。核能可有效地减少石油的消耗，美国一年依靠核电可以减少将近100000000桶原油的进口量。科技的进步促使发展更先进的核电厂，这样可达到投资少、建设快、运行良好的目的。

但同时核能又存在一些缺点。例如，核能发电厂的热效率较低，因而比一般的化石燃料电厂向环境排放更多的废热，故核能电厂的热污染比较严重，而且核反应堆会产生高低阶放射性废料，特别是使用过的核燃料，如果在事故中释放到外界环境中，会对生态及民众的生活和健康造成很大的伤害。因为核电厂的反应器内存在大量的放射性物质，虽然它们所占的体积不大，但因具有放射性，所以必须慎重处理，而且需要面对极大的政治困扰，这也导致兴建核电厂较易引发政治纷争。

核能的利用

核武器的利用会给世界和平带来很大的影响。人们通常所说的核武器是指利用能自行维持原子核裂变或聚变链式反应，瞬间释放的能量产生爆炸作用，并具有大规模杀伤和破坏效应的武器，即指利用原子核的裂变或聚变所产生的巨大能量和破坏力制造的具有巨大杀伤力的武器。由于核武器投射工具准确性的提高，自20世纪60年代以来，核武器尺寸大幅度减小，核战斗部的重量变小，但仍保持一定的威力，也就是比威力（威力与重量的比值）有了显著的提高。

到目前为止，核武器的实战应用，虽仍限于它问世时的两颗原子弹，但由于核武器自身40年来的发展，以及与它有关的多种投射或运载工具的发展与应用，特别是通过上千次核试验所积累的知识，人们对其特有的杀伤破坏作用已有较深的认识，并探讨了实战应用的很多可能方式。很多国家都签署了限制核武器使用的条约，共同维护世界的和平。

▲核电站

和平地利用核能将给人类带来很多的便利。最显著的例子就是核能发电。核能发电的能量来自核反应堆中可裂变材料（核燃料）进行裂变反应时所释放的裂变能。裂变反应指铀-233、钚-239、铀-235等重元素在中子的作用下分裂为两个碎片，同时放出中子和大量能量的过程。核发电的过程是核能→水和水蒸气的内能→发电机转子的机械能→电能。实现链式反应是核能发电的前提。链式裂变反应是指在裂变反应中，可裂变物的原子核吸收一个中子后发生裂变，并放出两三个中子。若这些中子除去消耗，至少有一个中子能引起另一个原子核裂变，使裂变持续地进行，因而能促使核发电的持续进行。中国大陆的核电起步较晚，20世纪80年代才动工兴建第一座核电站。中国自行设计建造的30万千瓦（电）的秦山核电站在1991年底投入运行。大亚湾核电站也于1994年全部并网发电，给人们的生活带来更多的便利。

▲中国原子弹试验成功

进入21世纪，我国的核电发展速度变快，根据国家能源结构调整规划设想，到2020年，我国核电装机容量要达到4000万千瓦，即占电力总装机容量的4%。为达到这个目标，在今后的几年内，我国的核电装机容量至少要比现在增加300%以上，即需要新增2700万千瓦，平均每年要建成2台百万千瓦级的核电机组。这一目标的实现会使我国迎头赶上世界核电的先进水平，并实现核电技术的跨越式发展。

那么，核能开发的原料从哪里获得呢？

目前，人们开发核能的途径有两条：一是轻元素的聚变，如氘、氚、锂等；二是重元素的裂变，如铀的裂变。重元素的裂变技术，已得到实际性的应用；而轻元素的聚变技术，也正在积极地研制之中。在陆地上，这些元素的储藏量并不丰富，且分布极不均匀，但在海洋中都有相当巨大的储藏量，所以从20世纪60年代起，日本、联邦德国、英国等先后着手研究从海水中提取铀，并且逐渐形成了从海水中提取铀的多种方法。相信海洋所拥有的丰富资源会逐渐地被人类更多地利用。

拯救糖尿病患者的班廷

站在19世纪门槛的人们以为，20世纪将会驾驶着吉祥如意的幸运之车来到人间，给处于苦难之中的芸芸众生带来新的希望。20世纪确实带来了史无前例的变化，可是对于那些糖尿病患者来说，直到20世纪20年代，依然处于无可奈何的状态。当时，医生治疗糖尿病的最先进方法，就是控制饮食，成千上万的糖尿病患者，为了活命而不得不靠比死亡还残酷的慢性饥饿来苟延残喘，患病前是一位彪形大汉，临死时则骨瘦如柴。班廷就是在这样的背景下，依靠他的不懈努力，从而战胜糖尿病的。

立志从医

19世纪20年代刚刚开始，一位勇敢的加拿大青年医生站了出来，展开了与糖尿病的英勇搏斗。在同伴们的支持下，他成功了，胜利了。这位勇敢的加拿大青年医生就是弗里德里克·班廷。

班廷1891年11月14日出生于加拿大的阿利斯顿。班廷的母亲生他时留下了病根，从此缠绵床第，眼看着母亲的病痛，班廷幼小的心灵留下了深深的创伤。他每天放学回家，绕道去药房为母亲取药。在家里，他总是伏在母亲的床前做功课，时而为母亲读报纸、讲新闻，时而陪母亲聊天，十分孝顺，他常对母亲说：“我长大了一定要做一个出色的医生，把妈妈的病治好！”班廷18岁时以优异的成绩考入了多伦多医学院，他决心实现儿时的诺言，他在医学院里的成绩总是名列前茅。人们议论说，班廷将来一定会成为一位名医，班廷正在朝着这个目标努力。可惜，班廷的母亲没等到他成为名医，在他读大学的第二年，就病重去世了。

班廷在日记里倾诉着他对母亲的眷恋，以及丧母之痛对他学业的激励，在日记中这样写道：“我一看到放置案头的母亲遗像，特别是她那忍着病痛的微笑，心里好像一亮，医学上好些难记的名词，一下子就牢记在心了。”

班廷毕业那年，第一次世界大战已经在欧洲进行了8个多月，前方急需医生，他应征人伍。作为一名优秀的外科医生，他在欧洲战场上挽救了许多官兵的生命。

▲班廷

关闭诊所搞研究

战争终于结束了，班廷回到美洲，在加拿大安大略郊区开了一家诊所，挂牌看病。和平时期外科手术极少，班廷开业28天，才来了第一位病人。开业一个月后，账本上总共才赚了4美元。为了糊口，他在安大略州医学院找到了一个实验示范教员的临时工作。

班廷是一个做事认真的人，每次备课都十分用心，力图把医学实验示范搞得既有趣、又深刻。1920年10月底的一个夜晚，偶然的一次奇思妙想，改变了他的人生道路。那天晚上，他必须为胰脏的功能准备示范实验。

胰脏在消化食物方面具有重要的作用，教科书上称它是一座了不起的多功能的小“发酵工厂”，有一种神秘的分泌液经由胰管流入小肠，它能够帮助人体消化糖、分解脂肪和蛋白质供人体吸收和使用。人如果没有胰脏，就会得糖尿病而死掉。

班廷为准备学生的示范实验，研读了教科书中的内容。他还看到，1899年，德国医生冯·梅林和闵考斯基，把狗的胰脏全部切除，然后缝合伤口，数日后那只狗难以置信地消瘦下去，无精打采、四肢无力，只剩下抬头喝口水的力气，不久终于倒下……狗死于“糖尿病”。

为了扩大实验课的背景知识，班廷又阅读了德国病理学家兰格亨斯的论文。兰格亨斯发现在胰脏中存在着一些细小的细胞团，在显微镜下观察它们就像海洋中漂浮的小岛，因而被称为“兰格亨斯氏岛”，即“胰岛”。班廷准备通过示范实验告诉学生的正是这些胰岛细胞，它们的正常活动保障人体不得糖尿病。实验证明，即使把狗的胰管扎住，不让一滴消化液流出，狗也不会得糖尿病，只要有胰岛的健康存在……这确实是奇妙的生理现象！

备课能准备到这种程度，已经相当不错了，显然，示范实验课肯定会成功。两天后，晚上睡觉之前，班廷随手拿起当天刚收到的医学杂志，心不在焉地翻着，“咦，这上面有一篇关于胰脏和糖尿病的报告，太巧了。”班廷想到备课内容，突然脑中闪出了一个念头，“能不能为治愈糖尿病做点贡献呢？”此时此刻的班廷已经达到了物我两忘的境界。他忘记自己是一名正在惨淡经营的外科医生，收入低微，不得不临时讲课维持生计。

糖尿病

糖尿病是一组以高血糖为特征的代谢性疾病。高血糖则是由于胰岛素分泌缺陷或其生物作用受损，或两者兼有引起。糖尿病时长期存在的高血糖，导致各种组织，特别是眼、肾、心脏、血管、神经的慢性损害、功能障碍。

糖尿病是典型的内科疾病，而班廷则是一位外科医生，关于糖尿病是如何置人死地的问题，许多生理学家和生化专家，早已写过大量的论著。可是，整个欧洲和美国有几百万糖尿病患者，每年都有成千上万的病人死去，这一事实激励着班廷去攻克这座顽固的堡垒。想到得了糖尿病的人总是口渴要喝水，喝了还渴，总是肚子饿，吃了还饿，以及这些人的身体在可怕的糖的河流中消瘦、死去，班廷的心不觉抽搐了一下。作为医生不能解除病人的痛苦，那还算什么医生！

班廷躺在床上，脑子里嗡嗡作响，思维处于高度兴奋状态，就在清醒与睡眠的交叉点上，他似乎悟出了一些道理：“能不能将胰岛及其体液提取出来，看看它们能不能使已经全部切除了胰脏且患糖尿病即将死亡的狗活下去呢？”思想的火花虽然像闪电一样稍纵即逝，但记录下来的思想火花经过实践就会变成巨大的变革力量，班廷决定尝试一下。

班廷决定到多伦多大学医学院生理系找著名的麦克洛德教授，他是北美著名的胰脏生理和病理方面的专家，只要说服他就可以为自己进行实验创造有利的条件。为此，班廷不顾老师、著名的外科医生斯塔尔等亲朋好友的劝阻，关闭了诊所，也不再教书，破釜沉舟，专门搞研究去了。

历尽波折终获成功

1921年春天，班廷说服了大名鼎鼎的麦克洛德教授，其实这也是因为班廷提出要求进行实验的条件太容易满足了。

“那么，你到底要什么呢？”麦克洛德教授摊牌了。“我需要10条狗，1名助手，做8个星期实验。”班廷一口气提出了自己的全部要求，麦克洛德教授不多不少地满足了班廷的要求，为此他也闻名于后世。

1921年5月16日，班廷终于走进了多伦多医学院大楼里的一间狭窄、阴暗的屋子，他有了10条供实验的狗和1名实验助手，这位助手是年轻的不满21岁的医科学生查尔斯·贝斯特。

班廷未免太自信了。他要在八个星期内，解决医学上一个最复杂的难题。幸运的是麦克洛德教授派来的助手贝斯特，对生化十分熟悉，他对测定狗的体液和血液中确切的含糖量等问题，易如反掌。而班廷这方面的实验操作知识，可以说是一无所知。班廷是一位极其出色的外科医生，他进行的手术可以说是无可挑剔。两位初生牛犊不怕虎的年轻人，开始了对糖尿病的冲击……

他们从失败开始，他们从失败中吸取教训，他们最后还是以失败结束。

▲贝斯特

班廷计划的八个星期已经过去了，贝斯特的报酬也没有人支付了，可是两个年轻人从失败中看到了成功的希望。他俩乘麦克洛德去欧洲讲学的机会，不要报酬，又干了起来。他们从狗的胰脏中提取胰岛细胞物质，注射到已经被切除胰脏的狗的体内，这一步骤十分复杂，两个人在黑暗中摸索着前进。一条狗死掉了，又一条狗也死掉了……直到最后，他们终于用胰脏抽取物救活了一条切除胰脏的92号实验狗。

经过反复实验，班廷和贝斯特终于发现胰岛提取物具有维持糖尿病狗的生命的作用。可是，为了维持一条狗，却用了五条狗的胰脏，也就是说杀掉五条狗才能使一条狗维持生命，还有什么比这更荒唐、更残忍的事呢？到哪里去弄到更多的狗呢？终于他们想到了屠宰场。不久，他和贝斯特从屠宰场带回了9只牛的胰脏。经过处置、洗涤、消毒和提取，结果完全和他们的预想一致，给第一条患糖尿病的狗注射牛胰脏的提取物后，狗的高血糖直线下降了。

实验速度加快了，一切都变得更顺利了，班廷和贝斯特已从在狗身上做实验转到了人身上。谁来做第一次实验呢？尽管动物实验是没有危险的，但谁能保证用在人身上就一定没有危险呢？班廷和贝斯特不愧是医学事业的献身者，班廷决定先给自己打一针胰脏提取物，贝斯特坚持先给自己打一针。

“贝斯特，不要争了，如果我有什么意外的话，你可以继续把实验进行到底。”班廷说。“不，我也要分担这些风险。你的技术更熟练，应该受到保护的是你，而不是我。”贝斯特说。最后，两个人先后用自己的身体做了人体实验，证明这种能够救活狗的东西对人体也是无害的，他们要将这种胰脏提取物用在病人身上了。

乔是班廷在医学院时的同学，他突然得了严重的糖尿病，本来性格开朗的乔，得了这种病后变得郁郁寡欢。因为他也是医生，知道医学界至今对糖尿病束手无策。他一直采用饥饿疗法，乔的饮食量不及一个婴儿，勉强凑合地活着。1921年秋天，他遇到了老同学班廷。