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《科學畫報》

開博時間:2016-07-01 14:43:00

由中國科學社于1933年8月創刊,距今已有80年的歷史。《科學畫報》在80年的辦刊歷程中,形成了通俗生動、圖文并茂地介紹最新科技知識,形式多樣地普及科學技術的特點,對提高廣大群眾的科學水平,啟發青年愛好科學、投身科學事業起了很大的作用,當今的不少著名學者、教授、科學家,青少年時代都曾受到它的熏陶和啟發。

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新冠肺炎疫情的物理學詮釋——從鏈式核反應說起

2020-10-23 10:04:00

  新型冠狀病毒肺炎(簡稱“新冠肺炎”)給人類健康造成了嚴重威脅,還將導致社會、經濟領域的次生災害。盡管媒體全方位報道疫情,但很多人對疫情并沒有全面、客觀、清晰的認識,甚至還存在很多誤區和偏激的行為。本文利用物理學的模型、邏輯分析方法,對新冠肺炎疫情的發生、發展、防護、演化和結局予以解讀,希望能在一定程度上減少人們對疫情的誤讀,解除無謂的恐慌,并提高人們科學防范的意識和能力,減輕新冠肺炎疫情給人類健康和社會經濟造成的危害。

  傳染病如同鏈式核反應

  傳染病泛指在人與人、人與動物、動物與動物之間傳播的疾病。其傳播能力通常由基本增生速率R0決定。R0被定義為平均每個感染者能夠傳染的人數。當R0<1時,疾病可能傳染給他人,但染病人數不會增加;當R0=1時,疾病可能會在小范圍內傳播,但仍處于可控狀態;只有當R0>1時,疾病才會呈增殖狀態,由此導致瘟疫暴發。R0越大,疾病暴發得越快,傳播范圍越大,疫情越嚴重。

  流行病學者估計這次新冠肺炎疫情的初始R0為2~5(疫情結束才能確定最終值),屬于危害性很大的惡性傳染病。很多人可能難以想象傳染病的增殖過程,我們可以用核裂變的鏈式反應來類比。用1個中子轟擊重原子核會誘發裂變反應,重原子核裂變后將放出2~3個中子,這些中子繼續誘發周邊的重原子核裂變,進而觸發鏈式反應。其實,傳染病的傳播和核裂變都是鏈式反應過程。

  流行病學中使用的R0等同于鏈式核反應的臨界因子K。當K<1時,只有少量重原子核裂變,鏈式反應無法持續,核燃料無法持續燃燒,處于安全狀態;當K=1時,反應堆處于持續穩定運行狀態,可用來發電;當K>1時,發生的是級聯增殖反應,會導致核爆炸,這就是原子彈爆炸的原理。

  當前新冠肺炎的快速蔓延就是因為新冠病毒的初始R0>2,如果不及時將其控制在1以下,疾病就會快速、大面積傳播,無法控制,直至在全球惡性暴發,等同于引爆了“生物原子彈”。而且,這一“生物原子彈”比真正的原子彈威力要大得多。

  那么,如何抗擊新冠肺炎疫情呢?其核心就是通過人為干預減小傳播因子R0。這就等同于讓正在運行的反應堆停止運行。當反應堆運行時,可以通過改變燃料的濃度、燃料棒的空間分布、慢化劑和冷卻劑的組分以及調節控制棒來改變K值,實現對反應堆的控制。人們通過插入控制棒、加入中子吸收劑等手段吸收中子,使K值減小至0,阻斷鏈式反應過程。

  阻止疾病傳播,同樣也要打斷或減少傳播鏈,使R0<1。當前我們無法改變病毒本身的性質,但可以通過改變人與人之間的時間和空間距離來減小R0,使局部的R0<1。這如同一組核燃料棒,靠近了會發生爆炸(K>1),離遠了不會燃燒(K<1),不遠不近就穩定燃燒(K=1)。

  所以,防疫的最原始手段就是實行人群的物理隔離:增加人與人之間的空間距離,形成空間隔離;減少人與人的接觸機會,形成時間隔離。當病毒的載體(感染者)與正常人沒有機會接觸,病毒傳播的可能性就減小了,總體的R0隨之減小,直至小于1,疫情就會逐漸終結。

 戴口罩

  群體免疫與核燃料組分

  群體免疫是指通過使一部分人體內產生抗體,增強群體抵御病毒感染的能力。體內有抗體的人不會被傳染,總體的R0就減小了;有抗體的人達到一定比例,將會實現R0<1,病毒就無法大范圍傳播了,疫情也會自動終止。這如同改變核燃料的濃度。

  只有當裂變物質(如鈾235)的濃度達到一定值,才能夠維持鏈式反應。經過一段時間的燃燒,原有的鈾235濃度降低了,鏈式反應就會中斷。這就是因為一部分鈾235燃燒后成為其他核素,新產生的核素具有了“抗體”,不能發生反應了,所以反應因子K< 1了。

  在人群中產生群體免疫的途徑有兩個:一是給一定比例的人注射疫苗,形成帶抗體的人群;二是讓一定數量的人通過感染病毒產生抗體,形成減緩疫情擴散的群體。在現階段沒有疫苗的情況下,伴隨疫情的發展,因被感染而產生抗體的人數會增加,R0會緩慢下降。隨著疫苗的出現和運用,有抗體的人數占比達到一定程度,將會形成群體免疫,使新冠肺炎疫情結束。

  防護感染如同屏蔽放射源

  當人們不得不相遇時,最簡單的方法就是采取隔離措施。為了減小一個放射源對周圍的輻射影響,我們通常將其裝在鉛罐里屏蔽起來。病毒和放射源一樣,如果能夠知道病毒源在哪里,我們就可以采取空間隔離或穿防護服、戴口罩等措施實現對病毒的隔離,阻斷其傳播渠道。

  然而,病毒是看不見、摸不著的,感染后還有潛伏期,因此,在尚不清楚感染源的情況下,只能人人戴口罩。這樣既防止自身可能將病毒傳染他人,又防止他人將病毒傳給自己。特別是病毒感染者、醫護人員、公共服務人員和高危群體,一定要加強自身防護。這就如同屏蔽放射源一樣,最簡單的方法是把放射源屏蔽起來,同時,進入放射性場所從事放射性工作的人,都應該穿鉛衣、戴防護眼鏡和手套。

防護

  新冠肺炎疫情的終結與核廢物的處理

  不同于嚴重急性呼吸綜合征(SARS)病毒,新冠病毒的傳染性很強,一些科學家預言我們可能無法消滅它們,只能與其長期共存。與之類似的是:核反應堆停止運行之后,依舊會有一部分核素能夠自發裂變和衰變,緩慢釋放能量,但只要維持冷卻水運行,即可保證其安全、穩定、可控;不過,其放射性無法徹底消除,所以我們要將其放置在地下,永久監管起來。

  新冠病毒作為一種自然存在的病毒,可能是斬不盡、殺不絕的。我們只能通過人為干預使其R0無限地接近于0。當疫苗研發出來后,R0<1很快就可實現。當特效藥研發出來后,新冠肺炎患者將會得到有效救治,人類將能夠利用醫療資源與新冠病毒長期共存,將新冠肺炎發病率控制在有限范圍,使死亡率大大降低。最終其可能如同流感一樣,每年總有病情發生,患者一般都能得到有效治療,但也有很少一部分人會因病死亡。

  不可輕言勝利

  新冠肺炎疫情是全人類共同面對的一場災難。中國政府發揮自身的優勢,通過強有力的社會組織管理,實現了全國范圍的嚴控和隔離,快速地將R0降到1以下,使得疫情在短短2個月內得到了有效的控制。中國采取的方法是基本的、有效的,也是難以復制的。其他國家基于自身體制、文化、習俗和社會發展的需要,采取了他們認為行之有效的防疫方案,也是值得尊重和借鑒的。

  當我們無法縱覽全局、預測未來的時候,切不可輕言勝利,更不可漠視科學。在新冠肺炎疫情面前,人類作為一個命運共同體應該團結起來,一方面利用時間隔離、空間隔離等物理手段,減緩、阻止疫情的發展,另一方面調動一切力量救治感染者。

  最終,根本的解決方案還得靠科學家研制出疫苗和特效藥。疫苗就相當于反應堆中的控制棒,特效藥就相當于反應堆中的中子吸附劑。希望在不久的將來,我們能夠將新冠肺炎疫情控制在流感等傳染病的水平,讓世界回歸安寧,讓人類更加健康。

  文/王鐵山

本文來自《科學畫報》

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