《科学画报》
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新冠肺炎疫情的物理学诠释——从链式核反应说起
2020-10-23 10:04:00新型冠状病毒肺炎(简称“新冠肺炎”)给人类健康造成了严重威胁，还将导致社会、经济领域的次生灾害。尽管媒体全方位报道疫情，但很多人对疫情并没有全面、客观、清晰的认识，甚至还存在很多误区和偏激的行为。本文利用物理学的模型、逻辑分析方法，对新冠肺炎疫情的发生、发展、防护、演化和结局予以解读，希望能在一定程度上减少人们对疫情的误读，解除无谓的恐慌，并提高人们科学防范的意识和能力，减轻新冠肺炎疫情给人类健康和社会经济造成的危害。
传染病如同链式核反应
传染病泛指在人与人、人与动物、动物与动物之间传播的疾病。其传播能力通常由基本增生速率R0决定。R0被定义为平均每个感染者能够传染的人数。当R0<1时，疾病可能传染给他人，但染病人数不会增加;当R0=1时，疾病可能会在小范围内传播，但仍处于可控状态;只有当R0>1时，疾病才会呈增殖状态，由此导致瘟疫暴发。R0越大，疾病暴发得越快，传播范围越大，疫情越严重。
流行病学者估计这次新冠肺炎疫情的初始R0为2~5(疫情结束才能确定最终值)，属于危害性很大的恶性传染病。很多人可能难以想象传染病的增殖过程，我们可以用核裂变的链式反应来类比。用1个中子轰击重原子核会诱发裂变反应，重原子核裂变后将放出2~3个中子，这些中子继续诱发周边的重原子核裂变，进而触发链式反应。其实，传染病的传播和核裂变都是链式反应过程。
流行病学中使用的R0等同于链式核反应的临界因子K。当K<1时，只有少量重原子核裂变，链式反应无法持续，核燃料无法持续燃烧，处于安全状态;当K=1时，反应堆处于持续稳定运行状态，可用来发电;当K>1时，发生的是级联增殖反应，会导致核爆炸，这就是原子弹爆炸的原理。
当前新冠肺炎的快速蔓延就是因为新冠病毒的初始R0>2，如果不及时将其控制在1以下，疾病就会快速、大面积传播，无法控制，直至在全球恶性暴发，等同于引爆了“生物原子弹”。而且，这一“生物原子弹”比真正的原子弹威力要大得多。
那么，如何抗击新冠肺炎疫情呢?其核心就是通过人为干预减小传播因子R0。这就等同于让正在运行的反应堆停止运行。当反应堆运行时，可以通过改变燃料的浓度、燃料棒的空间分布、慢化剂和冷却剂的组分以及调节控制棒来改变K值，实现对反应堆的控制。人们通过插入控制棒、加入中子吸收剂等手段吸收中子，使K值减小至0，阻断链式反应过程。
阻止疾病传播，同样也要打断或减少传播链，使R0<1。当前我们无法改变病毒本身的性质，但可以通过改变人与人之间的时间和空间距离来减小R0，使局部的R0<1。这如同一组核燃料棒，靠近了会发生爆炸(K>1)，离远了不会燃烧(K<1)，不远不近就稳定燃烧(K=1)。
所以，防疫的最原始手段就是实行人群的物理隔离：增加人与人之间的空间距离，形成空间隔离;减少人与人的接触机会，形成时间隔离。当病毒的载体(感染者)与正常人没有机会接触，病毒传播的可能性就减小了，总体的R0随之减小，直至小于1，疫情就会逐渐终结。
群体免疫与核燃料组分
群体免疫是指通过使一部分人体内产生抗体，增强群体抵御病毒感染的能力。体内有抗体的人不会被传染，总体的R0就减小了;有抗体的人达到一定比例，将会实现R0<1，病毒就无法大范围传播了，疫情也会自动终止。这如同改变核燃料的浓度。
只有当裂变物质(如铀235)的浓度达到一定值，才能够维持链式反应。经过一段时间的燃烧，原有的铀235浓度降低了，链式反应就会中断。这就是因为一部分铀235燃烧后成为其他核素，新产生的核素具有了“抗体”，不能发生反应了，所以反应因子K< 1了。
在人群中产生群体免疫的途径有两个：一是给一定比例的人注射疫苗，形成带抗体的人群;二是让一定数量的人通过感染病毒产生抗体，形成减缓疫情扩散的群体。在现阶段没有疫苗的情况下，伴随疫情的发展，因被感染而产生抗体的人数会增加，R0会缓慢下降。随着疫苗的出现和运用，有抗体的人数占比达到一定程度，将会形成群体免疫，使新冠肺炎疫情结束。
防护感染如同屏蔽放射源
当人们不得不相遇时，最简单的方法就是采取隔离措施。为了减小一个放射源对周围的辐射影响，我们通常将其装在铅罐里屏蔽起来。病毒和放射源一样，如果能够知道病毒源在哪里，我们就可以采取空间隔离或穿防护服、戴口罩等措施实现对病毒的隔离，阻断其传播渠道。
然而，病毒是看不见、摸不着的，感染后还有潜伏期，因此，在尚不清楚感染源的情况下，只能人人戴口罩。这样既防止自身可能将病毒传染他人，又防止他人将病毒传给自己。特别是病毒感染者、医护人员、公共服务人员和高危群体，一定要加强自身防护。这就如同屏蔽放射源一样，最简单的方法是把放射源屏蔽起来，同时，进入放射性场所从事放射性工作的人，都应该穿铅衣、戴防护眼镜和手套。
新冠肺炎疫情的终结与核废物的处理
不同于严重急性呼吸综合征(SARS)病毒，新冠病毒的传染性很强，一些科学家预言我们可能无法消灭它们，只能与其长期共存。与之类似的是：核反应堆停止运行之后，依旧会有一部分核素能够自发裂变和衰变，缓慢释放能量，但只要维持冷却水运行，即可保证其安全、稳定、可控;不过，其放射性无法彻底消除，所以我们要将其放置在地下，永久监管起来。
新冠病毒作为一种自然存在的病毒，可能是斩不尽、杀不绝的。我们只能通过人为干预使其R0无限地接近于0。当疫苗研发出来后，R0<1很快就可实现。当特效药研发出来后，新冠肺炎患者将会得到有效救治，人类将能够利用医疗资源与新冠病毒长期共存，将新冠肺炎发病率控制在有限范围，使死亡率大大降低。最终其可能如同流感一样，每年总有病情发生，患者一般都能得到有效治疗，但也有很少一部分人会因病死亡。
不可轻言胜利
新冠肺炎疫情是全人类共同面对的一场灾难。中国政府发挥自身的优势，通过强有力的社会组织管理，实现了全国范围的严控和隔离，快速地将R0降到1以下，使得疫情在短短2个月内得到了有效的控制。中国采取的方法是基本的、有效的，也是难以复制的。其他国家基于自身体制、文化、习俗和社会发展的需要，采取了他们认为行之有效的防疫方案，也是值得尊重和借鉴的。
当我们无法纵览全局、预测未来的时候，切不可轻言胜利，更不可漠视科学。在新冠肺炎疫情面前，人类作为一个命运共同体应该团结起来，一方面利用时间隔离、空间隔离等物理手段，减缓、阻止疫情的发展，另一方面调动一切力量救治感染者。
最终，根本的解决方案还得靠科学家研制出疫苗和特效药。疫苗就相当于反应堆中的控制棒，特效药就相当于反应堆中的中子吸附剂。希望在不久的将来，我们能够将新冠肺炎疫情控制在流感等传染病的水平，让世界回归安宁，让人类更加健康。
文/王铁山
本文来自《科学画报》
