阿西莫夫：热聚变、冷聚变和伪聚变

【译者之言：科学研究是一件严肃的事情，科学家对科学发现和科学成果的发布，更应该有严谨的态度，有敬畏之心。】

出于某些原因，我亲爱的妻子珍妮特，极其关心我的生活起居、健康状况。如果天空中出现了一朵云，我就得带上雨伞。如果小雨沾湿了街道，我就必须穿上橡胶套鞋。如果气温降到21℃以下，我就得继续戴着毛皮帽。至于对我饮食的密切监视，对我轻轻咳嗽进行盘问等等，我都懒得去提了。

你可能会认为，我对所有这些关心都应该非常感激。问问任何处境与我相似的丈夫们，“你感激吗？”，不知他们会如何作答。

我想我并不感激。

事实上，我经常抱怨这些事，而在感到委屈的时候，我还会去争辩。但我得到同情了吗？

一点都没得到同情。

对于我的抱怨，所有的朋友和熟人都会冷冰冰地看着我说：“那是因为她爱你。”

你不知道这有多恼人！

最近有一次，我乘坐一辆豪华轿车，去较远的地方做报告。司机是个外国人，他开车非常不错，也很聪明，但他对英语的掌握却很粗糙。在意识到他费很大劲在我身上练习英语时，我尽量仔细地回答，并清楚地发音，以便他学习。

有那么一刻，他望着微笑的阳光，享受拂面的微风，欣赏着路旁公园的景色，说道：“这真是灰（非）常美累（丽）的一天。”

听到这话，我的委屈感顿时高涨，我恢复了正常的说话方式，说道：“是啊，是啊！那为什么我妻子还要让我带上一把伞呢？”我举起那把倒霉的雨伞，使劲挥了挥。

于是，司机小心地选着字眼，说道：“但是你，你的妻子——她很赖（爱）你。”

我去！我又被打败了。阴谋是超越文化的！

信不信由你，这竟然把我带到了这篇随笔的主题。

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科学也是超越文化的，科学错误依然如此。我现在说的科学错误不是欺诈行为，而是有能力的科学家们所犯下的诚实的错误。我在另一本书中讨论了一个例子，是关于1903年法国物理学家琳 P·金朗德洛特（Rene P. Blondlot）发现的N-射线。

你也许忍不住会说，这不过是一种关于令人吃惊而又可疑的科学发现的过度兴奋，尤其是对于法国人。毕竟，高卢人总是给我们一种不稳重和充满热情的固定印象。

胡说！其实这样的事情到处都有发生。

1962年，苏联物理学家鲍里斯V·德里亚金（Boris V. Deryagin）报道了“聚水”的存在。这似乎是一种新形态的水，是在非常细的管子中发现的。环境的收缩似乎压缩了水分子，并迫使它们异常紧密地靠在一起。据报道，聚水的密度为普通水的1.4倍，并在500℃，而不是100℃时沸腾。

立即，世界各地的化学家们都开始重复德里亚金的工作，并确认了他的研究结果。也许聚水在人类细胞收缩的环境中也起着重要的作用。兴奋的情绪一触即发。

但随后化学实验室出来的报告说，如果盛水的容器中一些玻璃被溶解，就会出现聚水的性质。难道聚水真的是硅酸钙的溶液吗？唉！结果真是这样，“聚水”就像N-射线一样，彻底坍塌了。

你可能还会说，俄罗斯人也不够稳重。毕竟，我们都知道“疯狂的俄罗斯人”这一模式化的印象。

还有帕西瓦尔·罗威尔（Percival Lowell）的例子，他可是一个最纯粹的波士顿婆罗门血统的美国人，也是一个一流的天文学家。

他报告说在火星上看到了运河，并为它们制作了复杂的地图。这些运河在“绿洲”处汇合，有时还是成双成对的。罗威尔绝对相信，这些运河表明火星上存在先进的技术，火星人正努力用极地冰盖的水来灌溉中部的沙漠。

其他人观察火星，有的也看到了运河，但大多数天文学家都没有看到它们。通过多年来积累的相反证据，还有火星探测器的拜访，我们现在都知道，火星上毫无疑问是没有运河的。罗威尔是被一种错觉所愚弄了。

这是否意味着，惊人的发现总是错误的呢？当然不是。

1938年，一直用中子轰击铀的德国化学家奥托·哈恩（Otto Hahn）得出结论：轰击结果只能通过假设铀原子分裂成两半（“铀裂变”）来加以解释。这样的事情可从来就没有听说过，所以哈恩选择不加宣布，以免毁掉自己的名声。

1938年，他的前合伙人，奥地利化学家莉泽·迈特纳（Lise Meitner），因为是犹太人而被驱逐出德国和瑞典。也许莉泽觉得自己再没什么可失去的了，所以她准备了一份关于铀裂变的论文，并告诉了她的侄子奥托·弗里施，奥托又告诉了尼尔斯·波尔（Niels Bohr），而尼尔斯正在去美国参加一个科学会议的路上。会议上，他发布了这个新闻，美国物理学家们立即跑到各自的实验室，进行了这个实验，并确认了铀裂变。后面结果我们都是知道的。

这是因为哈恩是德国人，而迈特纳是奥地利人吗？根本就不是。我应该告诉你，1926年德国优秀的化学家发现了元素“鎷（锝）”，但还是另找机会吧。

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这就把我们带到了核聚变，核聚变与核裂变正好相反。在裂变过程中，一个大的原子核分裂成两半。而在聚变过程中，两个小核结合成为一个大的核。

在某种程度上，裂变更容易发生。有些大原子本身就处于裂变点。短程强大的核力几乎够不到它们，它们的自然振动不断地使它们处于裂变点。事实上，铀原子每隔很长一段时间就会经历一次自发的裂变。

而如果你给原子核增加一点能量，就可以立即发生裂变，特别是在原子非常接近边缘的地方，就像铀-235一样。你向它发射一个中子，未带正电荷的中子不会被带正电荷的原子核所排斥。中子嵌入大原子核，增加的不稳定性会导致原子立即发生裂变。

而聚变要复杂得多。如果两个小原子核必须相互粘在一起并发生聚变，它们必须靠得非常近。然而，所有的原子核都充满正电荷，并相互排斥。让它们足够接近，并发生聚变似乎是一项艰巨的、几乎不可能的任务。

然而，聚变却在宇宙中发生，甚至十分常见。它会自发地发生在任何一团物质中，只要这团物质是（1）大部分由氢组成，而且（2）质量足够大，大约是太阳质量的五分之一或更大。

宇宙中发生核聚变最近的地方，就是我们自己太阳的核心。

这是怎么发生的呢？首先，太阳（或任何像太阳这样的普通恒星）的核心温度有数百万度。在这样的温度下，原子被分解了，裸露的原子核被暴露在外。这很重要，因为在普通原子中，就像我们周围的原子一样，有电子在外围，这些电子就像缓冲器，阻止了原子核的相互接近。

更重要的是，在太阳核心的高温下，原子核以巨大的速度运动，比它们作为普通原子的一部分运动要快得多。它们移动得越快，能量就越大，在太阳核心的温度下，原子核的能量会足够高，足以克服相互排斥力，使它们能够有力地互相撞击对方。

此外，太阳巨大的引力场会导致外层压在核心上，迫使那些裸露的原子核非常紧密地靠在一起，使得核心的密度是我们周围普通物质密度的数千倍。

在像太阳核心这样的密集物质中，加速的原子核错失的机会更少，即使它们离开了一个核，也可能会直接转向下一个核。因此，高温和高密度都鼓励了核聚变。其中一个越高，对另一个要求就越低，而其中一个越低，对另一个的要求一定就越高。

为了实现核聚变，我们必须有一定的温度和密度的组合，并让它们保持足够长的时间。知道了温度、密度和时间的必要值，只需同时满足它们即可。

因为即使是在最有利的情况下，也需要非常高的温度，所以这被称为“热聚变”。

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热聚变能在地球上产生吗？当然了！

35年前，我们就有了一种被称为氢弹的玩意儿，这实际上就是一颗核聚变炸弹。只需要使用核裂变炸弹（在广岛投下的普通原子弹）作为触发器，来产生核聚变所需的温度和压力即可。

在这一点上，让我解释一下，氢有三种同位素。有普通的氢（氢-1），原子核由一个质子组成；氘（氢-2），原子核由一个质子和一个中子组成；以及氚（氢-3），原子核由一个质子和两个中子组成。

氘比普通的氢更容易发生聚变，而氚也更容易发生聚变。普通的氢是目前为止最常见的类型，它就是在太阳中心发生聚变的氢，但在地球上很难模仿。我们应该使用氚，但它是放射性的，在几年内就会分解，必须不断地制造。将它用作纯聚变材料是不切实际的。

核聚变炸弹使用氘，氘很稀少，但可获得的数量还是相同的。显然，还是要添加一点氚。裂变炸弹触发氚与氘的聚变，并产生足够的热量，来触发氘自身更复杂的聚变。（显然，我不知道其中的细节，我也不想知道。）

最近，事实证明，我们生产氚的核电站多年来一直在将放射性物质泄漏到环境中。然而，急于“让美国保持强大”的政府保守了这个秘密，并让它持续下去。因为对他们来说，只要美国抽象地保持强大，美国人民发生了什么问题并不重要。（你能理解吗？坦率地说，我无法理解。）【译者之言：这和今天日本政府执意将福岛含氚核废水排入大海何其相似！】

现在氚的工厂被关闭了，因为一些爱管事的人再也无法忍受了，使泄露问题公之于众。这意味着氚的供应正在慢慢减少，当它们消失时，我们就不能再爆炸氢弹了，除非我们建造新的工厂来制造氚，这显然需要很多年，花费数十亿美元。

不过，谈论这些有些离题了。我对氢弹不感兴趣，至少这篇随笔对它不感兴趣。问题是，是否有办法以一种不用原子弹触发器，不会发生毁灭性爆炸的可控方式，来实现核聚变。

我们想要的是让一小点氢发生聚变，利用它产生的能量再让一小点氢发生聚变，如此持续下去——每次总是让一小点氢发生聚变，这样我们就不会有爆炸的风险。让核聚变持续下去并不会消耗掉产生的所有能量，多余能量可以为我们所用。核聚变将是一种清洁能源，地球寿命有多长，它就可以支撑我们多久。

要实现这一点，我们必须得到正确的密度和温度，并保持适当的时间长度。我们现在或在可预见的未来，都不能将加热的氘的密度变得非常高，所以我们必须通过达到远远超过太阳核心的温度来加以补偿。我们需要超过1亿度的温度，而不只是超过1000万度的温度。

近四十年来，物理学家们一直在试图通过在升高温度的同时，用强磁场像栅栏一样围住氘气体，来获得必要的条件。或者，用强大的激光束同时包围固体氘，迅速将其加热到必要的温度，让原子没有时间离开。

但他们没有成功，目前还没有成功。花费数百万美元的巨大设备还没有把氘转移到核聚变发火点。

【译者之言：2020年12月4日14时02分，新一代“人造太阳”装置——中国环流器二号M装置（HL-2M）在成都建成并实现首次放电。】

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还有其他的方法来启动聚变吗？关键是让氘核以足够长的时间足够接近，然后它们就会自发地发生聚变并释放出能量。高温的唯一目的，就是迫使原子核紧密地靠在一起，防止它们相互排斥。

但是，如果没有热量，我们能哄骗氘核聚在一起吗？我们能在室温下以巧妙的方式让氘核聚在一起吗？这就是“冷聚变”。让我们考虑一下：

普通的氘原子整体上是电中性的，带负电荷的电子恰好平衡了原子核中带正电荷的质子，这样两个氢原子就可以毫无阻碍地接触。这样，两个原子核中的质子就相距大约一个原子直径（约1亿分之一厘米）的距离。

每种粒子都有它波的特性，因此每个质子都可以被视为是一种波，沿着波在任何地方都有“粒子特性”。（这只有用数学才能正确地加以描述，但为了我们的目的，我们可以利用波的概念。）粒子出现在波特定部分的可能性，取决于该部分波的强度。波的中心强度最强，并随着距离迅速消失或减弱。这意味着质子粒子通常靠近波的中心，尽管它可能会偏离中心。

事实上，每个质子在彼此的方向上都可以离中心足够远，这样它们就会发现自己实际发生了接触，并发生聚变。（这被称为“隧道效应”，由于粒子的波特性，它可以通过隧道来穿过一个明显无法越过的屏障。）然而，当两个质子相距一个原子直径的距离时，穿过隧道的机会非常渺茫，我怀疑在宇宙的整个历史中，是否曾经发生过大量这样的聚变。

但如果我们让原子变得更小呢？电子有一个缔合波（我还在使用波的概念），它只能非常接近质子，让一个电子波围绕质子旋转。电子不能比这再接近了。这是一个普通氢原子的最小尺寸，但对于聚变这还不够小。

不过，有一种叫做μ子的粒子，除了两个地方之外，它在每个方面都完全像电子。其中一个区别点是质量。μ子的质量是电子的207倍。这意味着与之相关的波，相应地比电子的波要短。μ子可以取代氢原子中的电子，但由于它的波较短，它可以更接近原子核。事实上，“μ子氘”的直径只有普通原子的百分之一，而且由于μ子正好带有电子的负电荷，μ子氘整体上是电中性的，两个μ子氘原子可以毫无阻碍地相互接触。

在这种情况下，这两个质子可以靠得足够近，很容易产生隧道效应，在室温下就可以发生聚变。

这是个陷阱吗？当然是的。μ子和电子的第二个区别是μ子不稳定。一个电子如果只剩下了自己，它将永远保持不变，而一个μ子会在大约百万分之一秒内分解成一个电子和几个中微子，所以没有太多的时间发生聚变。μ子催化的冷聚变是可能的，但完全不切实际，除非出现一些不可预见的突破。这太糟糕了！

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还有其它什么办法吗？

氢原子是已知最小的原子，它们有时会潜入大原子的晶体，在空隙中找到安身之处。最著名的一个案例涉及到钯，一种类似铂的金属。在室温下，钯可以吸收其自身体积900倍的氢或氘。

当氘原子涌入钯时，它们紧靠在一起，比在普通的氘气体中要近得多。更重要的是，它们被钯原子牢牢地保持在位，不能四处移动。

问题在于，它们是否会被紧密地挤压在一起，让隧道效应可以大到足以被探测到，以及冷聚变是否可能以令人满意的速度发生。有两位化学家认为值得进行研究，他们是犹他大学的B·斯坦利·庞斯（B.Stanley Pons）和英格兰南安普顿大学的马丁·弗莱施曼（Martin Fleischmann）。两人花了五年半的时间，试图用任何熟练的化学系学生都可以建立的简单电解电池得到冷聚变。他们花掉了自筹的10万美元资金，下面就是他们所进行的试验。

他们从一罐重水（带有氘原子而不是普通氢原子的水）开始，在其中加入了一点锂与重水发生反应，并产生携带电流的离子。然后他们让电流通过插有两个电极（一个是铂，一个是钯）的溶液。电流将重水电解成氧和氘，而氘又被钯吸收。电解的水越来越多，形成的氘就越来越多，并被钯吸收，直到最后，发生冷聚变。

他们怎么知道发生了冷聚变呢？钯电极产生的热量是输入系统的热量的四倍。这些热量总得有个出处，因为它不可能来自他们所能想到的任何其它东西，所以他们就确定是来自于冷聚变。

很好。庞斯和弗莱施曼都是合法的科学家，有相当高的造诣，并有良好的研究记录。他们应该得到尊重。

但是，如果有人发现了实用的冷聚变，并且是该领域的第一人，他立马就可以成为世界上最著名的化学家，并且立即就可以获得诺贝尔奖。如果他申请专利，他将变得令人难以置信的富有。自然，如果庞斯和弗莱施曼一点都不想成为该领域的第一人，他们也就不是人类了。一旦他们有了关于冷聚变存在的任何明显的标志，即使他们可能并没做到，难道他们会决定放弃吗？人性就是人性。

他们是不是应该等到真正加以确定，直到有了压倒性的证据呢？对于这样一个惊人的和前所未有的发现，科学的谨慎会引导他们等待，但对于这样的谨慎，建议很容易，接受却很难。

毕竟，对于庞斯和弗莱施曼个人来说，除非他们是该领域中的第一人，否则不会有什么好的结果。实验并没有特别的地方，科学家们都知道钯的诀窍；他们都了解隧道效应；他们都掌握μ子催化作用；并且他们也准备建立电解电池。那么，谁知道有多少化学家或物理学家可能也都静静地在朝着钯催化冷聚变的方向努力。事实上，庞斯和弗莱施曼肯定也知道布里汉扬大学有人也正朝着这个方向努力。

据说，这两个团队同意在1989年3月24日同时向非常受人尊敬的《自然》杂志投稿。然而，庞斯和弗莱施曼显然忍不住想要确立优先权。他们通过在3月23日举行新闻发布会并告知媒体，而抢了先。

这让科学家们（尤其是物理学家们）感到了愤怒，原因有很多。

1.将一个重要的科学发现交给媒体，并不是一种正确的方法。它应被编写为详细的科学论文，送到科学期刊，提交同行评审，必要时进行修订，然后再发表。这听起来非常学术和迂回，但这是保持科学处于正确轨道的唯一方法。而庞斯和弗莱施曼所做的是，重视使用可能不完整或模棱两可的工作来吸引公众的眼球。如果这成为了一种时尚，科学就会在混乱中崩溃。

2.庞斯和弗莱施曼没有给出这个过程的全部细节，这也是做了一件不科学的事情。自然，每个科学家都想亲自进行这个实验，看看是否能确认或者发现其它相关情况（正如铀裂变的情况）。然而，由于数据不完整，他们无法确定自己在做什么。即使当庞斯和弗莱施曼最终向《自然》杂志提交了一篇论文，它还是极不完整，《自然》杂志要求提供更多的细节，庞斯和弗莱施曼却拒绝了。

3.庞斯和弗莱施曼显然没有进行适当的控制。他们没有描述用普通水来进行过实验。即使是氘在给定的条件下发生聚变，普通的氢也不会，这应该进行测试。如果实验使用普通氢也产生了热量，那么这个热源肯定是别的东西，而不是核聚变。

4.庞斯和弗莱施曼报告说，热量的产生是聚变的主要证据，但热量可以来自任何其它来源；它是所有可以想象的能量形式的共同产物。仅仅说它不可能是这样，也不可能是那样，所以它一定就是聚变，这是不够的。这种负面的证据会崩塌，因为它也可能是一些只是碰巧没有想到，或不知道的非聚变过程。我们所需要的是一些对聚变正面的观察，而不是一些对其他事物负面的观察。例如，如果氘原子发生了聚变，它们应该形成中子或氚，或者可能是氦-4。这一点并没有加以报道。

布里汉扬大学的研究人员确实报告发现了中子，但只有庞斯和弗莱施曼报告的产生热量所需的中子的十万分之一。事实上，它们数量很少，很难证明它们不是来自周围环境中闲逛的中子。

5.在宣布这一消息后不久，犹他州州长就要求联邦政府提供数百万美元，在犹他州发展实用的聚变，而日本人窃取了这个概念并在日本开发。这又增添了一种不愉快的商业色彩，强调了相关科学中匆忙性和不完整性的经济动机。

6.一次，一群化学家在户外集会，庞斯和弗莱施曼暗示他们拯救了物理学家，做了物理学家们花了数百万美元都无法做到的事情。没有必要取笑诚实和理性的工作。物理学家也是人，他们反过来对化学家咆哮，原本的科学讨论变成了一场相当令人不快的科学病理学的谩骂。

总之，在最初的报告发布十周后我正在写这篇随笔。越来越多的情况表明，庞斯-弗莱施曼的报告得不到证实；它会消失，就像火星运河、N-射线和聚水一样消失。这太糟糕了，因为实用的冷聚变无疑是这个世界所需要的。

但需要以一个积极的方式结束：还没有出现任何转折点，冷聚变仍然有一个不大可能的确认机会，一个极不可能的确认机会。不管怎样，当这篇随笔发表的时候，我们就应该完全知道结果了。（注：我们现在知道，冷聚变已经完全死翘翘了！）

其次，即使庞斯-弗莱施曼的发现只是一种妄想和海市蜃楼，人们还是正在投入巨大的精力来研究带有钯电极的电解电池，谁知道人们会发现什么，也许是一些有趣的东西，甚至可能是其它方式的冷聚变。我当然希望如此，尽管我必须承认，即使大赔率对我有利，我也不会对此下赌注。

（作者：艾萨克.阿西莫夫（Isaac Asimov），译者：劲松，校对：晓燕）