Physics for Future Presidents The Science Behind the Headlines 給未來總統的 物理課 麥克阿瑟基金會「天才獎」得主‧柏克萊加大物理名師
理查．繆勒（Richard A. Muller） [著] 蔡承志 [譯]
給未來總統的 物理課
目次
緒論
006
第一篇：恐怖行動 第一章 911
013
第二章 核子恐怖攻擊
025
第三章 下一輪恐怖攻擊
037
第四章 生物恐怖行動
044
恐怖行動：總統提要報告
051
第二篇：能源 第五章 能源重大奇聞
057
第六章 太陽能
069
第七章 石油的終結
078
能源：總統提要報告
083
第三篇：核子裝置
第五篇：全球暖化
第八章 放射性和死亡
087
第十九章 氣候歷史簡述
236
第九章 放射性衰變
102
第二十章 溫室效應
246
第十章 核子武器
114
第二十一章 一項非常可能的起因
257
第十一章 核瘋症
136
第二十二章 有證為憑
262
第十二章 核能動力
144
第二十三章 不是辦法的辦法
284
第十三章 核廢料
160
第二十四章 低垂的果實
297
第十四章 受控核融合
168
第二十五章 新科技
311
核子裝置：總統提要報告
176
全球暖化：總統提要報告──責無旁貸
326
第四篇：太空 第十五章 太空和衛星
182
第十六章 重力的用途
197
第十七章 人類上太空
209
第十八章 以不可見光來偵監
215
太空：總統提要報告
231
給未來總統的物理課
緒論
緒論
何明智投下選票？ 另一件事也一樣重要，要了解現代生活的物理學，就得破除那
你害怕物理學嗎？你覺得全球暖化、間諜衛星、洲際彈道飛 彈、反彈道飛彈、核裂變和核融合神祕難解嗎？你覺得核子裝置，
些你信以為真，卻非事實的道理。人們常引用據說是出自馬克吐溫 的一句話：
包括用在核彈和用來發電的，基本上全都相同嗎？有人說，我們 的化石燃料即將用光，還有人說不會，這會讓你感到無所適從嗎？ 有關全球暖化的問題吵嚷不斷，還有些權威科學家說，沒有必要再
大多數人的問題不在於他們無知，而是他們所知的，有大部分 都不是那麼一回事。
爭辯下去了，這會讓你感到茫無頭緒嗎？物理學和高科技會讓你茫 然、困惑，糊里糊塗嗎？ 如果以上問題都讓你感到很困惑的話，那麼你還沒擁有當世界 領袖的資格。世界領袖必須了解這些議題。當你獲報，有個恐怖分
言所述。其實這句話是出自19世紀幽默作家約書．比林斯（Josh Billings）。
子在曼哈頓城中區藏了一枚髒彈，你不能等到這個時候才打電話給
你該懂的物理學，卻不懂？幸好你找到了解決之道，或者起
科學顧問，了解情況究竟有多糟糕。這時你也不該做出最壞打算，
碼已經踏出第一步。本書篇幅涵括先進的物理學，也就是世界領袖
逕自決定把政府投入其他計畫的所有資源全都抽出來，集中應付這
該懂得的東西。我略過數學，因為你沒有時間（或說可能沒有興
項突發事件。你必須擁有充分知識，能夠權衡輕重，迅速採取明智
趣）來讀通數學。我直接進入重要議題。當你了解物理學裡的根本
措施。
原理，往後你就永遠不必再害怕高科技。當你需要做細部運算的時
或許你讀過物理學，喜歡這門學問，說不定還主修物理，然而
6
諷刺的是，這句話根本不是馬克吐溫說的，還真應了這句格
候，請個物理學家代勞就行了。
就算你拿到了學位，如今你依然有可能不清楚，鈾彈和鈽彈的差別
假使你恨物理學，那也不是你的錯；你大概被壞老師教過。有
在哪裡，或者臭氧耗損和全球暖化有什麼重大差異。還有，當你的
些物理學家把他們的物理學知識，用一團數學迷霧包住，來嚇退圈
朋友問起間諜衛星的事情，你也只能把你在報紙上讀過的內容轉述
外人。在他們自己的圈子裡，則是小心翼翼把物理學和數學分開，
一遍──因為你修課時從來沒有人教過這些細節。
並告誡研究生：「用物理思考，別用數學。」不過在碰到有點棘
如今的重要決策，許多都帶有高科技成分，甚至可說多半都
手、不好解釋的問題時，物理老師還有一招可以取巧脫身：「來，
有。如果你不了解太陽能，或者不懂該如何把煤炭轉換成汽油，那
我給你看一個方程式，你永遠想不通的方程式，這樣你就不會怪我
麼你該如何領導你的國家，邁向使用潔淨能源的未來？如果你只嫻
教得差。」
熟政治議題，卻不懂科技，那麼你該如何下達決策，裁定有關研究
我先提出一項警告，本書篇幅不夠，沒辦法全面檢視所有項
資助、限武協定、來自北韓或伊朗的威脅、間諜刺探和偵監等重要
目。這表示，包括恐怖行動和反恐怖行動，還有能源、衛星和全球
事項？就算你不打算當個世界領袖，如果不懂這類議題，你又該如
暖化，我都刪減了許多相關內容。這點我不打算辯解。未來的總統 7
給未來總統的物理課
緒論
除了物理學之外，還有其他事物必須了解。許多人都希望他們的總
最後我觸及歷來最熱門的課題，全球暖化。這項主題橫跨物理
統專精科技，不過我比較務實。我努力精簡本書的篇幅，只放進最
學眾多領域，必須獨占一篇。再者，關於這個議題的不實傳言和實
基本的事實和觀點，也就是那些最不可欠缺的概念，能夠幫總統下
情同樣普遍。說不定你還得捨棄某些自己為寶貴事實的謠言。不過
達更高明的決策。我大可以長篇大論寫本更厚的書，不過未來的總
你要是當了總統就得這樣做，才能做出更明智的決定。
統會有時間研讀嗎？
這全都是徹頭徹尾的物理學。如果某段內容讓你困惑難解，請
我從恐怖行動入手，因為這是當務之急，況且從這裡還可以直
別停頓太久。把它當成一種陌生語言來學：潛心浸淫，縱情悠游，
接導入能源主題。畢竟，炸彈不過就是朝一處小地方快速傳送巨大
最重要的是，享受箇中樂趣。有些題材不只出現在一個章節裡，這
能量的做法，是吧？當你懂了物理學，世貿雙塔遭襲事件在你眼中
是由於世界葛蔓糾結；核子裝置和恐怖行動、能源、太空以及全球
就會清楚得多。即使是生物武器也會變得簡單得多，只要你懂得相
暖化全都有連結。如果本書沒有談到你最愛的課題，我很遺憾，不
關的物理學。
過這裡的篇幅只夠納入攸關眼前利益的課題。（好比不明飛行物體
我探討的第二個主題是能源，這是在所有世界領袖關切的課
主題就必須留待續編。）我盡量設法避開政治、企業和外交議題。
題中，最核心的一項。能源得以創造經濟，也足以摧毀經濟；國家
經濟確實不時溜了進來，不過那不是重點。這是你身為世界領袖必
為了能源交戰；揮霍能源會徹底毀掉生態。能源從哪裡來，如何
須懂得的物理學。其餘的就看你了。
使用，還有我們該如何避免浪費？關於能源，還有許多你料想不 到的，從可能成真的氫能經濟，乃至於煤炭、石油和太陽能的未來 ──決定也侷限著未來科技。事實證明，我們鍾情化石燃料，確實 有物理學上的根據。 和能源密切有關的是核子裝置：放射能、炸彈、反應爐，還有 廢棄物的危害──這就是本書第三篇的主題。總統必須保護民眾， 不過這是否就代表他得採用或拒絕核子裝置？這裡沒有簡單的答 案，總統必須依照枝微末節，而且是物理學的枝微末節才能做出決 策。 我們的未來明顯取決於太空，真的是這樣嗎？阿波羅11號登陸 月球之後已經過了39年，我們還不曾回到月球。這是怎麼回事？我 們為什麼躊躇不前？是經濟處境、人們的意志，還是物理學？太空 有什麼價值？進入軌道是什麼意思？哪些是實際上的限制？本書第 四篇專談太空、衛星，還有了解重力的潛力和限制。 8
9
[第一篇 ]
恐怖行動 在911時世貿雙塔的倒塌，並非來自飛機的衝撞， 而是波音747龐大的油箱引起的高溫燃燒所造成 的。 我們總是聽說，有高中生利用網路「設計」出核 彈。但事實上，要讓這枚「核彈」引爆幾乎是不可 能的。 若有一位自殺飛行員駕著一架噴灑農藥的小飛機闖 進超級盃，所造成的死亡人數，可能還會超過世貿 中心罹難人數，而且還會被全程轉播。 郵寄炭疽病毒真能造成大規模傷亡嗎？其實，只有 把芽孢吸入肺中的少數人才會有致死風險，炭疽根 本不具傳染性。
[第一篇]
恐怖行動
[第一章]
911 2001年9月11日那次恐怖攻擊的本質，事前完全料想不到。蓋 達組織使用的武器，能釋出1800噸黃色炸藥（三硝基甲苯）等值能 量，大幅超出2006年10月9日北韓核武試爆釋出的能量。 你認為恐怖分子下一次會採用哪種手法發動攻擊？核
造成災害的並不是飛機衝撞。飛機重131噸，每小時移動600英
爆？髒彈嗎？或是同時炸毀十幾架商用飛機？還是用比較傳
哩。我們可以套公式算出運動所含能量，即動能。這裡套用的物理
統的手法──好比駕機衝撞摩天大樓？
公式為E＝1/2mv2，必須選用正確單位【1】（最難的部分通常就在這
假使你是總統，那麼未雨綢繆來防範這種恐怖行動，就 是你極為重要的執掌之一。當然了，你身邊有謀士輔佐，你
裡）；套公式算出所得能量，只相當於一噸黃色炸藥，占恐怖分子 實際使用能量的1/1800。摧毀兩棟建築的不是動能。實際上，世貿
有國家安全顧問、中情局、能源部，還有你的內閣，加上幾
雙塔遭飛機衝撞之時，幾乎都沒有絲毫晃動。再看一次影片（假使
百位報社主筆。不過最後還是你的責任。若是你決策不當，
你還受得了），不過這次注意建築頂部，看飛機撞擊點上方。請注
歷史永遠不會原諒你，而你也會自責一輩子。這種責任讓人
意，建築上半部幾乎沒有絲毫移動。衝撞本身的影響微不足道。
生畏。你確定自己想坐上這個位置嗎？ 當個總統可不容易。不過懂一點物理學會有幫助。每次 恐怖攻擊並非都是可行的，風險和反制難度也並非均等。我
真正帶來毀滅的能量源頭單純得出奇：各機搭載的、用來推進 飛越美國的60噸噴射機燃油。這起攻擊事件背後的驚人物理事實其 實是：一噸噴射機燃油（也就是汽油）在空氣中燃燒，會釋出與15
們都知道911的歷史，讓我們再來檢視當時的情況，不過這次
噸黃色炸藥等值的能量。所以60噸汽油會釋出900噸黃色炸藥等值能
改採物理學視角，幫助釐清事發經過，也讓我們循跡探知未
量。那兩架飛機釋出的能量，總計相當於1800噸黃色炸藥。
來的真正危險。
汽油所含的能量比黃色炸藥多？是的，而且多得多。事實上， 就連巧克力餅乾所含的能量都超過黃色炸藥。假使你想毀掉一輛 車，用一管黃色炸藥就能辦到，不過要是把等重的巧克力餅乾拿 給（好比）手中握著大鎚的青少年吃，這樣帶來的破壞遠大得多。 每克巧克力餅乾（約2顆巧克力豆那麼重）約能產生5單位食物熱量
註1. 有些計算我就擺在註的部分。這部分你可以跳過，因為做這種計算並不是未來總統的關鍵任務。最困 難（也最煩悶）的部分是使用正確單位。底下的結果我都取四捨五入，因為我們只需要知道約略數值 就行了。就動能方程式E＝1/2 mv2而言，能量（E）的單位必須使用焦耳，質量（m）則使用公斤，速 度（v）則為每秒公尺。就本例而言，飛機的質量等於131公噸，先換算成131000公斤。速度每小時 600英里換算成每秒270公尺。於是動能就為1/2 mv2＝4.7 × 109焦耳＝1 × 106單位食物熱量＝1 × 106 克黃色炸藥當量＝1噸黃色炸藥當量。
13
給未來總統的物理課
，這個數值隨便翻本食譜都會有，至於黃色炸藥，每克就只能產
【2】
固汽油彈，主要成分就是汽油。美國在阿富汗使用「燃料空氣」炸
生0.65單位食物熱量──占1/9。
藥（"fuel-air" explosive，即油氣彈）殺死塔利班戰士，折損敵軍士
這項事實讓大多數人都大感意外，不過動動腦筋你就會覺得合
氣。這些炸彈令人生畏的道理和911攻擊成功相同：汽油的極高的能
理。選用三硝基甲苯（即黃色炸藥）的原因不在於它含有很高的能
量密度。利用降落傘吊掛7噸汽油混合空氣引爆，能釋出超過相當
量，而是因為它可以非常快速地釋出能量，它和汽油或巧克力餅乾
於100噸黃色炸藥的能量。所以作戰時別投黃色炸彈；你這是在浪費
不同，不必和空氣結合便能釋出能量。黃色炸藥分子所含的原子可
飛機的乘載能力，改搭載投擲汽油，這樣做每噸汽油的爆炸效果是
以比擬為壓縮扣好的彈簧；打開扣子，能量就噴發出來。打破黃色
黃色炸彈的15倍。
炸藥的一顆分子，能量就會破壞鄰近彈簧的扣子。接著黃色炸藥就
911恐怖分子並不是以高強動力，而是噴射機燃油的巨大能量
觸發一串化學連鎖反應。只需百萬分之一秒，彈簧內含的能量便全
來摧毀世貿中心。燃油釋出的能量會產生高溫──也就是分子在大
部轉換成動能。這些分子高速運動，也表示溫度會很高。
樓鋼構中迅速運動。當分子來回運動的同時，也會把鄰近分子推
測定能量有多種做法。核武條約使用的標準單位是「黃色炸藥
開，因此熱的物體會膨脹。不過鋼材分子之間的距離拉大，也會削
當量噸數」。軍備管制單位定義1噸黃色炸藥等於百萬大卡食物熱
弱分子間的吸引力，其結果就是熱鋼材變得比低溫時脆弱。鋼構強
量（我沒有開玩笑），不過真正的黃色炸藥，產生的熱量其實只有
度逐漸減弱，終於導致建築崩垮。
百萬大卡的2/3。物理學家愛用的單位不是食物熱量，而是焦耳；1 單位食物熱量約含4200焦耳。
Atta）在波士頓登上美國航空11號班機，他帶上飛機的違禁物只有 他的意圖──沒有槍、沒有炸藥，也沒有長刀。儘管民航登機安檢
動，對多良性用途來說也是這樣，好比高品質電腦電池所釋出的能
的弱點隨處都是，不過私帶武器被逮到的機會依然太高，阿塔和他
量只有等重汽油的1%。這個基本物理導出的低比值，也是大多數人
的恐怖分子同夥都不願冒險，而且他們也沒有必要冒險。
會談到電池。眼前，讓我們更深入鑽研911攻擊的物理學。
這項行動的特點是風險很低。不必動用炸藥，不必偷運非法 武器上機，連基本的組織架構都用不上。沒什麼計畫曝光的危險，
汽油（包括石油和噴射機燃油等其他形式）所含鉅額能量，
因為只有擔任飛行員的恐怖分子才有必要知道任務細節。阿塔的計
早讓這種物質成為理想的武器原料。這種用途的歷史，或許可以追
畫仰仗一項民航方針（在911當天依然有效，往後就完全廢止的方
溯至拜占庭帝國時期的希臘人，說不定這也就是「希臘火」（請查
針），即支持飛行員配合劫機犯的指示去做，別爭執、別威嚇；他
《維基百科》）的祕密所在。1930年代在西班牙使用的「燃燒彈」
們要什麼都照辦。以往這種做法救了許多人命（和飛機）。
（Molotov cocktail，又名莫洛托夫雞尾酒），主要成分就是汽油（它
阿塔和他的恐怖分子同夥搭上早班飛機，把延遲起飛的風險降
的俄羅斯名稱是後來才起的）。在一次和二次世界大戰中使用的火
到最低，也方便同時攻擊紐約和華盛頓。更重要的，他們搭的是穿
燄噴射器，噴出的實際上就是燃燒的汽油。越戰期間留下惡名的凝
越美國大陸的航班，才能確保機上滿載燃料。
註2. 一單位食物熱量等於一大卡或等值焦耳數。－譯註
恐怖行動
911恐怖分子利用了這種事實。當穆罕默德．阿塔（Mohamed
對多種原料而言，所含的能量是個決定性的要素，不單恐怖行
依然不開電動汽車的原因。本書第二篇側重討論能量，到時我們還
14
[第一篇]
15
給未來總統的物理課
阿塔心中有數，9月11日是能夠輕鬆劫機的最後一天。過了這 天，空中便衣航警的作用就微乎其微，因為再也沒有飛行員會願意
[第一篇]
恐怖行動
書裡都藏了磁條─若是有人想偷書帶離書店，店裡的探測器就能 感應到。
把飛機控制權交給恐怖分子。就算劫機犯殺死飛行員，乘客和機組
金屬探測器感應的不是刀或槍，而是導體和磁體。由於人體
人員也會群情激憤，奮勇還擊。世貿中心恐怖攻擊發生的1小時15分
略具傳導性（多半來自溶解在血液中的鹽），金屬探測器不能造得
鐘後，在聯合航空93號班機上就發生了這種情況，機上乘客群起圍
太靈敏，結果這層限制也給武器走私開了個漏洞。也能以陶瓷製造
攻駕駛艙。
（通常採用氧化鋯，也就是製造假鑽石的原料）足以致命的刀，這 類刀具能安然通過探測器，感應不出來。如今就連槍枝都能用陶瓷
乘客安檢措施
製成，不過這種槍多半有根金屬槍管，機器感應得到，會觸動金屬 探測器，或在X光機上暴露蹤跡。
911攻擊事件靠的是恐怖分子對機場保安的基本認識。他們的
然而，911恐怖分子卻不需要偷帶高科技武器，連私藏低科技
知識並不深入，也稱不上高明；凡是具有科技能力，並讀過劫機先
裝備都沒有必要。他們鑽了當時安全規章的漏洞，就是乘客可以
例的民眾差不多都很熟悉。請回顧911之前的安檢程序。你登上飛機
帶刀上機，只要刀刃不到10公分就沒關係。這條規定很武斷；既然
之時，隨身行李都得通過一台X光機。這種裝置能分析物件外形，
可以允許10公分的刀刃，那麼25公分的刀刃為什麼不行？這條規定
看出裡面藏的東西，不過X光影像的解析度並沒有好到可以辨識經
向來遷就民眾，好比童子軍，他們總認為帶把摺疊刀上機是理所當
過巧妙偽裝的物件。要藏一把刀不難，只要用和刀相同的原料，將
然。事實上，在911之前，多數實驗物理學家搭機時總是隨身帶把刀
刀鞘製成無害的形狀，接著收刀入鞘就行了。恐怖分子大概不想用
（像我也是），通常是把瑞士刀，上面裝了幾片刀刃、兩柄螺絲起
這種偽裝，因為他們隨身攜帶的合法小型武器就夠用了。帶一柄大
子和一件螺旋拔塞器。養成這種習慣的是因為那種刀子有多功能用
刀被逮住，會驚動保全，知道有人想劫機。而他們當時的目標包括
途（特別是用來拔塞開酒）。
好幾架飛機，所以重點在於別做出任何可疑動作，先把飛機劫持到 手再說。
疊刀鋒利，幾乎比得上刮鬍刀片。拿紙箱裁刀當武器還更順手，用
金屬探測器的作用是探測金屬製成的刀、槍。其作用原理是金
來戳刺時不會像摺疊刀一樣意外摺回來。（彈簧刀和「重力」刀等
屬會導電，而其他材料多半不會。乘客依指示走過一道入口，實際
刀具使用的鎖刃設計在美國已經立法禁用，原因就在這裡。）紙箱
上（從物理學觀點看來）那只是個大型線圈。電流通過電線，把線
裁刀的刀刃能縮進刀柄，除非推出來使用，否則看起來並沒有殺傷
圈變成一個大型電磁體。任何金屬一穿過電磁，這個電磁體都會引
力。紙箱裁刀的模樣根本不像武器，反而像是藝術科學生會帶的工
導電流流入，把金屬本身變成一塊磁體，接著線圈就能感測到裡面
具。選用這種刀具相當明智，而且在911之前，攜帶這種物件搭機也
有塊磁體。若是你攜帶了一塊永久磁體，即使是以陶瓷製成的（因
完全合法。
此也不是個良導體），這時「金屬」探測器也能發現它。因此許多 16
不過恐怖分子決定攜帶紙箱裁刀上機，這種短刃刀通常比摺
如果機場安檢人員認為某樣東西很可疑（好比X光作業員看到 17
給未來總統的物理課
[第一篇]
你的隨身行李箱裡有不常見的物品），他們也許會動手搜身──不
Castro）都迅速逮捕劫機犯，把他們關進古巴的監獄。卡斯楚不是
過他們可能只會要你接受嗅探裝置的檢測。操作員會拿一根棉花棒
美國的朋友，但若是每個劫機犯都以古巴為目的地，對公關有害無
擦拭你的行李或你的衣物，接著把棉花棒擺進一個盒子，裡面有一
益。卡斯楚總是立刻把飛機歸還美國。
套能識別常見炸藥的系統。假使你先前造了一枚炸彈，這種裝置或
911恐怖分子大可以走進駕駛艙門（在那天之前，艙門通常都
許就會檢測出炸藥的揮發氣體。嗅探儀不必偵測到炸彈本身，而且
沒上鎖）就這樣接管飛機。他們如果表示身上帶了武器，飛行員就
炸彈要是包裝妥當，或許也測不出來。不過炸彈的氣味會染上你的
會相信他們的話。他們沒有理由冒險偷帶槍枝上機，槍枝對他們來
衣物、毛髮、指甲和其他隨身物品，要想完全去除是非常困難的。
說可能是多餘的。
恐怖行動
多數人聞起來並不像炸彈，不過在經常處理炸藥的恐怖分子身上， 就有這種氣味。
駕機飛航
恐怖分子了解這一切後，擬出了一項攻擊計畫，不用槍，也不 用會被探測到的武器。他們大概是直接讓紙箱裁刀通過X光機，也
飛行員訓練多半著眼在如何駕機降落、如何起飛、如何確保一
說不定他們把裁刀遞給安檢人員，接著通過金屬探測器之後，安檢
切正常，還有出差錯時該如何處理。駕機平飛相當簡單。講飛航事
人員再把刀子交還。並非機場安檢人員失職才釀成911事件，真正失
故的電影很多，只要看過這種片子，你就知道這不是件難事。我有
職的是安全政策。問題在於我們對恐怖攻擊的本質缺少先見之明。
幾次和路易斯．阿爾瓦雷茨（Luis Alvarez）一道開小型機飛行，他
美國人沒料到，心思縝密得足以劫機的人，竟然願意自殺。
是我的物理學恩師，也是位業餘飛行員。飛機一起飛，他就讓我掌 控。我有好幾百英里的飛行經歷，除了身邊坐了一位飛行員之外，
接管飛機
完全沒有其他安全防護措施，而且那位飛行員接連好幾個小時都不 需要指導我。駕駛商用飛機或許比較難，不過那群劫機犯上過飛行
航機起飛之後，恐怖分子動手控制飛機。這相當容易，他們 不必用武器也辦得到。前面提過，航空公司在2001年採行的政策是
18
學校。讓飛機保持比較平直的航線（甚至對準機場一條跑道）並不 困難，難在降落，如果你還想活下去的話。
配合劫機犯的要求。為何航空公司竟然沒料到會出現自殺攻擊？
導航同樣也相對簡單，特別是你的目標放在世貿雙塔那種大型
當時肯定出現過描述類似情境的警告和小說，不過只因為小說裡的
建築時。就算你架駛的的是小飛機，還是得學會使用導航設備，所
情節就讓航空公司動員準備，根本是不可能的。發出預警很容易，
以好幾位恐怖分子都受過相關訓練。他們用的也可能是一款簡單的
要實踐就難了。安全人員對以往經歷過的攻擊類型早有準備，能應
全球定位系統。2001年時，這種系統花不到200美元就能買到；如
付他們認為較可能發生的狀況。2001年時，美國多數人都相當滿意
今又更便宜了。全球定位系統能告訴你目前你在哪裡、你移動的速
以往劫機事件的處理方式，好幾次劫機犯都要求飛機飛往古巴，
度、你朝哪個方向前進，還有你距離目標多遠（好比世貿中心，你
結果也都如願。就那幾次事件來說，每當飛機降落，卡斯楚（Fidel
可以事先輸入目標）。我有一次搭飛機時，在乘客座位使用一款全 19
給未來總統的物理課
[第一篇]
球定位系統，拿著它靠近窗邊，結果很準確。要發揮這種功能，至
是以猛烈壓縮來點燃燃油）、火花或單純的引擎高熱。撞車經常引
少要用上三顆衛星才行。全球定位系統測定那三顆衛星距離多遠，
起燃燒，尤其當車上油箱撞破時更容易起火。不過車禍不會引起爆
接著就算出地表符合這些距離的唯一位置。
炸，儘管近來動作電影都這樣演，但其實不是這麼回事。
當然了，恐怖分子也可能仰仗最古老的導航方法：地標。美國
當時燃料沒有時間和空氣充分混合，所以那團火球實際上並
航空11號班機的劫機犯，說不定只是沿著哈德遜河飛行，最後就找
不是爆炸，起碼不是帶來巨大損害的那種爆炸。在真正的爆炸中，
到了紐約市。
高壓氣體會劇烈膨脹，力道強得可以粉碎混凝土。世貿中心那團
相較而言，如果你曾飛到華盛頓特區上空，說不定你已經注意
火球，氣體膨脹速度比聲速慢（次音速），大半都直接從支柱旁邊
到，要找出地標是多麼困難的事。就連華盛頓紀念碑都很難找到。
通過，次音速氣體就該如此。氣體只衝破了非承重牆，其餘多數結
紀念碑從空中看來非常渺小。連白宮都相當微小，很難找到。不過
構都完整無損。以科學術語描述，我們可以稱之為「爆燃」而非爆
五角大廈就不同了。那棟建築相當龐大又很特別，很容易瞄準。問
炸。因此當時在街上的人聽到的不是隆隆爆炸聲響，主要是響亮的
題是五角大廈造形低矮，不容易撞中。要撞擊世貿中心，你只要把
轟鳴。當時在大樓內部的一些人曾報告發生小型爆炸；這可能是燃
飛機前進方向對準，幾乎不論任何高度都可以撞上；相對而言，想
油在室內或電梯井中，或者在其他密閉空間引爆所致。
撞上五角大廈就必須調對高度才行。這很難辦到，而且美國航空77 號班機就是先撞上地面，接著才滑行撞進五角大樓側翼。
世貿中心的鋼柱都塗上了隔熱塗料，按照設計能承受普通烈火 下燃燒2到3個小時之久。然而在911燃燒的並不只有辦公家具和紙張
撞上世貿中心南塔那架飛機就是呈大坡度傾斜撞上去的；事發
文件，主要是飛機燃油。燃燒速度受限於氧氣的量，而非燃油的多
時在巴特里公園（Battery Park）拍下的影片，就能清楚看到。有些
寡。空氣越少，代表燃燒時間越久，這樣一來，熱量就有更多時間
人說，飛機傾斜的坡度證明了恐怖分子飛行員訓練精良。這太荒謬
來穿透鋼柱上的隔熱層。
了。這只能證明那位飛行員駕機瞄準技術很糟，到了最後一分鐘才 孤注一擲操縱飛機衝撞大樓。不幸的是，他成功了。
恐怖行動
鋼材遇高溫就會熔化。在相對較低的溫度，鋼材會軟化。溫度 再低一些，鋼材只是強度減低。這些變化都可以歸結到分子振動， 這使鐵原子彼此之間的距離增加，賦予鋼材強度的鍵結也鬆開來。
撞擊
噴射機燃油帶來了浩劫，燃燒溫度遠比建築設計師當初預想的高出 許多。他們完全沒有想像過，數以噸計的噴射機燃油起火，還在他
當飛機衝進世貿中心塔樓，摧毀了許多用來支撐建築上部的柱 子。窗戶和外牆破裂，飛機撞成碎片，多達60噸燃油，原本大半儲
當柱子溫度高到攝氏800多度時，強度也減弱到隨時要彎折的
存在機翼裡面，全都噴濺出來。不過仍有許多柱子殘存，足以繼續
程度。彎折不是緩緩崩塌。拿一根紙做的吸管，從兩端向中間擠
支撐上面的樓層。大樓的設計良好。
壓，只是一根紙吸管，抗衡力量卻出奇強大，接著很快就崩垮。這
許多東西都可以引燃燃油，包括撞擊產生的能量（柴油引擎就 20
們的摩天樓頂樓燃燒了超過一個小時。
是由於吸管對抗單純擠壓的強度非常高，不過當吸管（或柱子）一 21
給未來總統的物理課
[第一篇]
恐怖行動
稍微彎折，整體就很容易彎曲。紙張對抗彎折的力量微乎其微。 一旦塔樓有根柱子彎折，它就不能再支撐上方的重量。這時所 有重量都靠剩下的柱子來承擔，然而其餘柱子的強度也已經減弱。 第二根柱子（就在第一根附近）或許就在這時彎折，接著又一根； 結果就像一場雪崩。愈來愈多樓柱彎折，其餘的再也撐不住所有重 量，整個樓層不到1秒鐘就完全崩塌。大樓上半部，就像一柄大鎚 砸向底下樓層。再看一次崩塌的過程，如圖1.1。大樓上半部的傾斜 說明了一側的柱子比另一側的更早彎折。 這樣的崩塌會讓力量倍增，跟拿普通鎚子敲擊相同。讓我們估 算一下。當你揮舞鎚子，你是在一段距離（大約1英尺）之外對鎚 子施力，你揮動讓鎚子加速，最後當鎚子敲中釘子，釘子吸收了所 有能量，不過距離短得多，或許只有0.5英寸。那麼施加在釘子上的 力量，取決於這兩個數值的比值：12英寸相對於半英寸，因此釘子 所受的力是你揮舞鎚子時所施力量的24倍。【3】我前面說的力量倍增 效果，就是指這個。把釘子釘進硬木，也許只能敲進1/10英寸。在 這種情況下，力量倍增效果是120倍（12英寸相對於1/10英寸）。你 敲擊釘子釘進硬木所施的力，其實比你釘進軟木的力更強──不過
圖1.1 世貿中心南塔崩塌情形，攝於2001年9月11 日，遭蓋達恐怖分子劫機衝撞之後。
你施力的時間比較短。 當世貿中心上方樓層砸向下方樓層時，力量也同樣倍增了。上
機衝撞會把大樓撞倒，或有可能把大樓的上半部撞掉。他們更可能
方樓層壓在下一層的重量大幅倍增，說不定就像前面那個鎚子的例
只是覺得，摩天大樓光是起火就很可怕了。消防隊肯定沒有料到大
子，也達到24倍。底下的樓層不可能承受得住這種力量，因此柱子
樓會這樣崩塌（消防隊員專門研究失火的摩天大樓），否則他們也
也幾乎在片刻之間紛紛彎折，接著，這個樓層也連同上方樓層，一
不會把指揮總部設在那棟失火大樓的底層。根據1974年《火燒摩天
起在向下個樓層，並依此類推。建築崩垮是一次一層，速度卻幾乎
樓》（The Towering Inferno）片中的情節，失火大樓沒有理由會整個
比得上自由落體。樓層逐一毀壞，彷彿被一台巨大打樁機砸爛，而
崩垮。高樓全面崩塌根本是料想不到的情況。若非第二座塔也隨著
且被摧毀的樓層疊加上去之後，這台打樁機的質量還隨之遞增。看
崩塌，說不定我們仍在爭論，這種情況出現的機率會有多高。
看崩塌影片你就能見到這個現象。 恐怖分子不大可能料到事情會是這樣。他們說不定以為，飛 22
註3. 這項計算我採用的物理學原理叫做能量守恆。就這個情況，依守恆原理，對鎚子的施力f乘以施力距 離D（鎚子揮過的長度）等於鎚子的能量。這股能量全部施予釘子，等於對釘子的施力F乘以釘子移 動的距離d。方程式寫成f × D＝F × d。這樣一來對釘子的施力就為F＝f × (D/d)。
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[第一篇]
恐怖行動
[第二章]
一位當初參與大樓設計的工程師，看到電視轉播的大火後，突
核子恐怖攻擊
然想到可能會發生這樣的崩塌。然而在那個兵荒馬亂的上午，他聯 絡不上消防隊員，沒辦法要他們撤離建築底層。 建築崩塌之時，還沒有燒完的噴射機燃油也都跟著灑落。這批
許多人都害怕蓋達組織下次攻擊會用上核武──要嘛就是一枚
燃油繼續燃燒，波及鄰近建築，結果第七號大樓（同樣因為柱子強
原子彈，不然就是顆「骯髒炸彈」（會散布輻射的傳統炸彈，簡稱
度減弱）也隨之崩塌。
髒彈）。原子彈有可能造得極小，小得連一個人都搬得動。這種炸
世貿中心崩塌不是爆炸造成的。禍首不是飛機衝撞，是大火。
彈能以小船或小飛機搭載，或者裝進船運貨櫃，走私入境美國。一 直有傳言說是蘇聯開發了一種小型「手提箱」炸彈，能偷偷運進美 國，用來發動奇襲。1960年代早期，美國確曾製出一件小型核武， 叫做大衛．克羅基特（Davy Crockett），重約50磅，卻能產生相當 於好幾百磅黃色炸藥的爆炸能量。只需一個士兵便能攜帶這件武 器，並以一挺無後座力砲發射。圖2.1顯示這件武器外觀和1962年試 爆結果（當時我們還沒有終止大氣核試）。 小小的大衛．克羅基特武器能發出相對較強的重擊，起因在於 核子連鎖反應能釋出巨大能量，通常可以達到等重黃色炸藥的2000 萬倍。最大型人為核爆發生在1961年10月30日，由蘇聯試驗引爆。 當時釋出的能量相當於5000萬噸黃色炸藥，達廣島原爆的3000倍。 這種裝置可以把紐約市夷為平地。對我們許多人來說，想到核武就 會引發對這種浩劫的恐懼。 不過核武不見得都那麼大。圖2.1B所示大衛．克羅基特爆炸的 情況看來很可怕，不過請注意，圖中沒有任何尺度標記。實際上， 250頓的大衛．克羅基特爆炸，已經足夠炸燬洋基體育場，不過也只 是這樣而已。大衛．克羅基特曾被部署在東西德邊境和南、北韓非 軍事區，目的是要擊退來犯敵人，同時也不致於把邊界變成一片無 人荒地。 大衛．克羅基特的設計人是特德．泰勒（Ted Taylor），他是核 武設計界的奇才。不過，要創造出這件武器，單憑天才仍嫌不足，
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[第一篇]
恐怖行動
總是「我不能說不會。」 草圖不等於設計。 按照某些專家的說法，一個很先進的恐怖分子集團，有可能 製出千噸等級的核武，不過他們必須拿得到特殊的核原料才行：10 磅或更多炸彈等級的鈾或鈽。這並不容易取得，我會在後面說明這 點。一群很先進的恐怖分子是什麼意思？這種集團中要包括一位曾 經任職某項核子武器計畫的（或許是心懷怨懟的）物理學家。集團 還需要幾位博士級工程師，必須有豐富經驗，熟悉各種原料在爆炸 圖2.1 最小的核子裝置：大 衛．克羅基特核子武器。 （A）美國官員檢視該裝 置。（B）大衛．克羅基特 在1962年7月試爆。
情境下的反應特性。他們還必須和機械師與技師聯手。我們不能排 除恐怖分子有能力組成這樣一支團隊，不過重點是，未來的總統必 須明白，我們在這裡談的並非阿塔之流的人物。 我知道核子武器的許多機密（本書一項都不會洩漏），還見過 設計核子武器的人所出示的細部設計。我本人的評估是，除了出自 頂尖團隊的核子武器之外，其他任何人設計的，結果都很可能雷大 雨小，爆炸威力不如預期。2006年10月9日，北韓試爆他們的第一枚 原子彈。儘管國家窮困，北韓依然籌措龐大資源，投入這項工作。
還需要深入了解核武物理學，加上細密的電腦分析，並參考大型試 爆計畫所得結果才行。深諳核子裝置設計的人，沒人相信，恐怖分 子集團能製造出這種武器。
這枚炸彈的能量不到1000噸，然而我認識的專家，基本上全都認 定，原先設計或許是要釋出2萬噸或更高能量，結果是那次試爆失 敗。 不論如何，我們還是來看看，假使北韓那枚武器非法運入
恐怖分子能做些什麼？每隔幾年，我們就會聽說有某個高中生 「設計」出一件核子武器。把那種設計拿到我們一處核子實驗室給 專家檢視，請教他這會不會爆炸。答案千篇一律，總是「我不能說 不會。」報紙報導通常都把那個答案當成會。 正確來講，假使一位高中生提出一件超音速飛機設計。草圖上 畫了一些箭頭，標出噴射引擎、後掠翼和一個駕駛艙。報紙拿這幅 圖給一位航空工程師看，請教他「這會不會飛？」答案千篇一律，
美國，在大都市舊金山引爆，結果會如何。圖2.2顯示出到時爆炸 可能會到哪種規模。內圈是破壞半徑，外圈則表示因飛濺碎屑致 死的範圍。本圖數值採用美國科學家聯盟（Federation of American Scientists）的特種武器入門（Special Weapons Primer）線上資源來計 算。 看到圓圈這麼小，你覺得訝異嗎？如果是的話，那是因為你慣 於想像大型末日炸彈，就是核子彈頭和核彈搭載的那種。1000噸的
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[第一篇]
恐怖行動
約港中央，只會炸毀附近船隻，此外幾乎毫髮無傷。
大型核子裝置 大型核子裝置就不同了。我們的核子飛彈搭載的彈頭，每顆都 不比一個人大，卻能投擲10萬噸黃色炸藥當量。這種炸彈的爆炸範 圍超過半英里，熱輻射則能延伸2英里。B-52轟炸機搭載的M83炸 彈，爆炸半徑為2英里，熱效應則能延伸5英里。這種炸彈能把曼哈 頓下半截完全摧毀。 恐怖分子不大可能有本領製造出這種武器。而且我在後面也會 談到，要實現這種大規模的爆炸，唯一做法就是使用兩級式炸彈， 由一枚初級核彈引爆一枚次級氫彈。我認識的專家全都認為，這種 圖2.2 一枚1000噸核彈在舊金山爆炸的假想圖。內圈代表爆炸的範圍，外圈是飛濺 碎屑致死區域。
設計超出任何恐怖分子集團力所能及。這項使命必須仰賴龐大的科 學、工程計畫才能完成，說不定還超出許多國家的能力範圍。
爆炸半徑約450英尺，如果炸彈在紐約中央公園中引爆，連公園外面
核子武器真正令人擔心的是盜賣，萬一失竊，轉賣給恐怖分子
的建築並不會被炸毀。不過核能輻射會散布得比較遠，有可能擴散
集團就糟了。我們可以設想以下情節：有位負責儲存舊蘇聯的核子
到周圍建築，但也不會穿透第一排建築。事實上，多數死難可能是
武器的倉庫員工，在那個國家瓦解時，趁機把幾枚武器藏到別處。
由公園周邊的碎玻璃造成的。
他擁有幾枚這種東西，打算賣給出價最高的人。這時蓋達組織前來
我是不是好像把核武恐怖行動危害講得微不足道？其實不然。
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找他。
半徑450英尺的爆炸相當劇烈，規模可以和世貿中心遭受的破壞相提
所幸，就算蓋達組織拿到這種武器，他們也不一定能成功引爆
並論。請記得，在那起事件中，汽油釋出的能量約相當於1800噸黃
它。蘇聯和美國都有精巧的系統，能防範未獲授權人士引爆他們的
色炸藥，規模比北韓的核子爆炸大得多。但是，恐怖分子的小型核
武器。物理學家阿爾瓦雷茨曾經參與曼哈頓計畫（美國在二次大戰
子裝置，不會那麼可怕。身為總統必須體認到，其他類型的恐怖攻
時期的核武計畫），按他所述，蘇俄甚至替核武設計了自毀裝置，
擊，有些遠比核子武器更容易為恐怖分子掌握運用，造成的傷亡則
一有人擅自動用就會爆炸，不是核爆炸，而是以傳統爆炸來摧毀核
一樣可怕，甚至尤有過之。
彈設計。
恐怖攻擊的死傷和破壞程度取決於時地。如果元旦日有1000噸
武器遭竊依然是最大威脅。要對抗這種威脅，最主要的防範
炸彈在玫瑰碗體育場爆炸，就能殺死10萬人。相同爆炸若發生在紐
做法是確保我們（美國）派出許多臥底販子，偽裝要把真正的武器 29
給未來總統的物理課
[第一篇]
賣給恐怖分子，還要派出臥底買家，向有可能掌握武器的人出價購
射事件就知道了，當年巴西戈亞尼亞市（Goiânia）一群拾荒人找
買。俄羅斯肯定也有這類密探。在這個艱險的市場，我們必須讓真
到一台棄置的放射治療機，還把它拆了。那台機器內含1400居里
正的買賣雙方舉步維艱，湊不到一起。
銫-137。（居里是1克鐳所含放射能，1克相當於2粒巧克力豆的重
許多人都認為，恐怖分子改用髒彈會比較容易。比較容易或許 沒錯，不過也同樣容易失敗。
恐怖行動
量。）兩男一女加上一個孩子死於急性輻射中毒；另有250人受到污 染。41棟房子的居民被迫疏散，其中好幾棟沒辦法妥善清理，只好 拆除。
髒彈恐怖攻擊【1】
如果這種輻射不侷限於幾棟房子，還以爆炸散布到都市各處， 想想那會是什麼處境。死亡數字應該會更高吧？答案令人驚訝，其
放射性武器（髒彈的較花俏稱法）毋須引發核爆，核裂變武器 或核融合武器才有必要。其實髒彈是用普通爆炸來散布既有的放射
實不會。如果輻射以這種方式散布開來，疏散範圍會變得比較大， 卻大有可能沒有哪起死亡案例能歸咎於這起事件。
性物質。據稱海珊（Saddam Hussein）曾在1987年測試這種武器，
要想了解箇中詳情，首先我們得檢視一下髒彈的設計，也就
後來發現到效果實在很差，他才放棄。1995年，車臣叛逆分子把少
是帕地雅原本想製造的那種炸彈假設放射性物質總量和戈亞尼亞事
量放射性同位素銫-137連同炸藥埋在莫斯科市伊茲邁洛夫維奇公園
件相等：1400居里銫-137。輻射損害的測量單位稱為「人體倫琴當
（Ismailovsky Park）。接著他們告訴一家電視台，該到哪裡挖出來。
量」（Röntgen equivalent man）簡稱侖目（rem），如果你和這種銫
說不定他們早就發現這個真相：炸彈在爆炸前被人發現，新聞價值
源相距1碼，不到1小時你就會吸收450侖目。這個輻射量高於銫-137
可能還更高。這種武器帶來的心理衝擊，說不定比可能造成的有限
的「半數致死劑量」（符號為LD50），超額50%，意思是，你若是
危害還更厲害。
未接受治療，往後幾個月間，你因為那次暴露喪命的機率便超過五
何塞．帕地雅（José Padilla）一度是個街頭混混，接受了蓋達
成。
組織嚴密訓練，策劃想在美國引爆一枚髒彈。根據美國司法部一份
為了讓損害更嚴重，讓我們使用炸藥，把這1400居里傳布到更
2004年的口供，蓋達組織質疑帕地雅提出的髒彈製造計畫不可行。
廣大範圍，好比面積1平方英里的街坊。所得結果是每平方碼帶了
於是他們指示他另闢蹊徑，以天然氣炸毀兩棟公寓。他們顯然覺
0.5毫居里放射能，仔細計算就能得知，如果你待在這個區域裡，暴
得，這種行動比放射性武器更有機會成功散布死亡、造成破壞。從
露1小時後，你的暴露值就為0.005侖目，等於5毫侖目。這個數值相
物理學來考量，蓋達組織想的沒錯。這麼說也許會讓你感到害怕，
當微小，遠低於輻射疾病臨界值（100侖目），所以你完全不會生
比起許多政府首腦、報社，甚至許多科學家，蓋達組織似乎更了解
病。如果你長期待在那個區域，就算過了一個月，你的暴露值只會
核子裝置的限制。
達到4侖目，依然遠低於輻射疾病臨界值。除非有人被爆炸當場炸
我可不是在暗示，放射性物質是無害的。想想1987年那起輻
死，否則根本不會出現死屍。我猜蓋達組織就是這樣才指示帕地雅 放棄髒彈，改用天然氣爆炸。沒錯，低含量放射能是會致癌，不過
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註1. 本段內容大半出自我的2004年6月23日短文〈髒彈亂象〉（The Dirty Bomb Distraction，刊載在 Technology Review）。
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給未來總統的物理課
[第一篇]
那要花上好幾年。我猜蓋達組織可不是只想吹噓，他們的攻擊會讓
能致命的煙塵雲霧──不過它很快就會沉澱，並不會在空氣中逗留
多少人早發罹患癌症。他們必須讓擁護自己的群眾看到死屍照片。
太久。只要別吃有沉澱附著的食物，如果有動物吃了帶沉澱物質的
現在讓我們檢視癌症風險。就中等劑量的輻射而論，根據史上
禾草，就別殺來吃，也別擠乳來喝。
暴露事件種種後果推估，罹患癌症風險約為每侖目約增加0.04%。4
同樣的道理，就算用鈽製造的放射性炸彈也不是很危險。說不
侖目乘以0.04%，算出你的致癌風險約提高為0.16%。如果我們推估
定炭疽還更致命，而且取得和運輸也都容易得多。核廢料儲存設施
美國因「自然起因」罹癌的比率剛好等於20%，那麼你在那片髒彈
和核反應爐的放射性都強烈得多，若是這裡面的輻射能夠運輸、釋
地帶生活一整年，罹癌死亡的機率就會提高到20.16%。這很糟糕，
出和傳布到外界，就會造成很嚴重的危害。不過，所有髒彈都有相
不過會糟糕到讓你搬離你的住家嗎？（我假設在一年之後，輻射很
同的難題：未爆彈含有強烈的放射性，有可能殺死恐怖分子，還有
可能已經清理乾淨。）
爆炸之後，輻射就會稀釋，除非攻擊範圍非常狹小，否則就會降到
當然了，如果輻射濃度更高，情況就會變得更危險，不過受害
輻射疾病臨界值之下。
人數卻會減少。輻射在炸彈爆炸之前最強，因此恐怖分子的處境實
既然髒彈的損害威脅這般微不足道，為什麼還與其他大規模
在是非常危險。他們必須組裝炸彈，還得盡快送走，以免自己先喪
毀滅性武器統歸一類？理由是法規就是這樣訂的，如1997年施行
命。高能量伽瑪射線防護不易，因此炸彈組裝時，前面大概得擋上
的美國《國防授權法案》（National Defense Authorization Act）所列
好幾噸鉛。如果運輸時沒有用鉛屏障，就必須迅速送達，以免恐怖
條文，也見於其他法規，包括《加州刑事法典》（California Penal
分子自己受輻射污染病倒。這種情況並不容易做到。
Code）第11417部分。這樣定義髒彈並不對，有可能會誤導資源分
911攻擊時，恐怖分子利用了美國的政策和成見。他們知道自
恐怖行動
配，而且要是有人用上這種武器，還可能引發大眾的過度反應。
己不需要槍就能接管飛機，因為飛行員早就奉命配合劫機犯的指
放射性武器的最大危害是釀成不合宜的恐慌和引發過度反應。
示；那項政策基於當時沒有人想得到，竟然有劫機犯會把飛機當成
髒彈不是真正的大規模毀滅武器，而是種有可能導致大規模混亂的
武器。同樣的道理，如今恐怖分子使用放射性武器的理由，大概不
武器。
希望造成實際損害，而是期望武器能引發不對稱恐慌，接著導致經 濟瓦解。若有人發動輻射攻擊，你身為總統大概就有責任說服民
流氓核子裝置
眾，千萬別過度反應，因此你必須了解物理學。如果所有安撫的談 話全都由你的科學顧問來發表，民眾肯定不會滿意。
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從許多方面來看，真正的威脅不是來自恐怖分子製造的核子裝
其他類型輻射攻擊的效率，會不會超出我們假設的銫-137案
置，而是出自流氓國家的製品。許多人都反對使用這個含糊的名詞
例？俄羅斯有些廢棄的燈塔裡面，還找得到以放射性同位素衰變
（以色列算不算流氓國家？印度呢？），不過這個概念很有用，未
驅動的發電機，內含40萬居里鍶-90。不過鍶-90幾乎不射出伽瑪射
來的總統也肯定會聽到這個詞。這個詞彙通常用來指稱開發程度較
線；損害主要都是吸入或攝食造成的。若鍶-90釋出，會形成一團可
低，且違反《核不擴散條約》（Nuclear Non-proliferation Treaty）共 33