撰文曹则贤（中国科学院物理研究所研究员）
1. 反应、能阶与温度 我们的物质世界是由原子、分子组成的。原子由原子核和核外电子组成，原子核同核外电子之间，以及电子与电子之间的相互作用，是电磁作用；进一步地，原子核是由质子（与核外电子数量相等）和数量差不多的中子通过核力（强相互作用的残余）结合在一起组成的。原子核中包含相同数量的质子但中子数不同的化学元素称为同位素，如第一号元素氢的原子核中就有中子数为0、1和2的三种可能，因此氢有三种同位素，分别为氕 (protium, H)、氘 (deuterium, D) 和氚 (tritium, T) (图1)。第二号元素氦有原子核内中子数为1和2的两种同位素，分别记为 3He 和 4He (图1)。注意，4He的原子（核）正好是两个氘(D)原子（核）之和，而氚(T) 原子核与 3He 原子核其中的质子数与中子数有互换的关系。考虑到质子与中子之间的对称性，这可能暗含着这些原子核之间有某种“亲戚”关系。
大自然中的原子甚或原子核一直在变化着。原子核不变而只靠核外电子的转移所造成的原子、分子间的结合与分离，是化学反应。实际上，原子间参与化学反应的只是外层少数的几个电子（注：这个观点有待商榷。内层电子一样受化学反应的影响，做过光电子能谱的人应该知道），化学反应涉及的能量为每个反应事件几个电子伏特 (eV/event)，因此作为释放能量的发光过程，所发的光多在可见光附近。暴力打出原子内壳层的电子所需能量可能会上升到 keV/event 的量级，伴随的发光在X-射线范围。原子核也不老实，大原子核可以分裂 (fissen, 裂变)，小原子核可以聚合（fusion, 聚变），核子自身还会衰变 (decay，中子就会衰变为电子、质子和反电子中微子) 。核反应涉及的能量在每个反应事件数百万电子伏特 (MeV/event) 的量级，其伴随的发光为光。
化学反应与核反应一样，都是概率性事件，反应的过程从能量角度来看都是一样的。直接从高能的初始态到低能的终态，反应就比较爽快，有自发的可能；从低能的初始态到高能的终态，反应没有自发的可能，那就一直需要加热或者光照（比如光合作用）的激发。还有一类反应属于不情愿的反应，是从高能的初始态经过一个更高能量的中间态再到低能的终态，加热或者光照是必要的辅助条件。氢弹就是依据这样的原理：235U 裂变释放的能量让不情愿的聚变反应 2H + 3H → 4He(3.5MeV) + n(14.1MeV) 进行，后者释放的能量再让不情愿的238U 裂变进行从而释放能量。
对于不情愿的反应，加热是个提高其发生可能性的途径，不太严格地说是按照 e-E/kT 描述的定量关系提高其发生可能性的。注意，此处能量以 eV 为单位， T 是绝对温度以开尔文为单位，1 eV~11600 K。可以想象，化学反应涉及的典型能量为几个eV，对不情愿的化学反应几百到上千度的温度是有明显促进效果的；而如果 E 是 MeV 的量级，那温度T要多高才能使得 e-E/kT 不几乎是零啊！有兴趣的读者再研究一下氢弹的工作原理。 大地上的温度不能够刺激那些不情愿的核聚变反应，人类因此可以高枕无忧，这是我们人类的福分。
2. 玩冷聚变的科学家据说做科学成名的一个妙诀是挑战极限或者不可能。有人说光速是物质传输速度的上限，咱就玩超光速；有人说金刚石硬度最高，咱就宣称合成了比金刚石还硬的材料；有人说生命是复杂的演生现象，咱就说咱有本事把人分解成信息进行量子传输然后在别地瞬间再给他攒到一起。物理遵循统计规律，单事件特征能量为 MeV 的核反应，能让其有可观测效率的温度要高达百万甚至数亿度，这件事也引起了一些科学家的不服气。核聚变，要用原子弹才能引发？麻烦！要玩就在室温下玩才刺激。
早在二十世纪初就有室温下氢聚变生成氦的报道。1920年，奥地利科学家Friedrich Paneth 和 Kurt Peter 就宣称因为金属钯 (Pd) 吸收氢并对氢进行了核催化，从而将氢转化成了氦。其宣称的依据是在（自钯脱附的？）氢气中探测到了氦原子。不过，这两位科学家还算诚实，1926年就撤回了声明，因为空气中，包括从液化提纯得到的氢中，本来就有氦元素的存在。1927年瑞典科学家 J .Tandberg 宣称在使用钯电极的电解池中实现了氢向氦元素的聚变并申请了专利。注意，此时离氢的同位素之一氘的发现，即1932年，还差5年呢。由氢原子聚变成氦原子，因为缺少中子这一组成部分，显然是不可能的。因为证据不足或者无法说明过程，这阶段的室温核聚变研究没有引起波澜。
冷聚变一词是1956年在报道 Luis W. Alvarez 的缪子 (muon) 催化核聚变的文章中首次提出来的。注意，缪子催化本身属于核反应的范畴，而金属钯催化核反应如何在核物理的框架下理解，确实是个难题。
时间到了1989年，新的冷聚变闹剧上演了，这次是美国犹他大学的 Stanley Pons 和英国南安普顿大学的 Martin Fleischmann 率先挑起的。他们“发现”冷聚变的实验装置很简单，就是电解水的装置，不过用的水是重水 (H2D), 电极是金属钯（图2）。通入电流，氘会在钯阴极上聚集成泡。研究者宣称，大多数时间内电流功率同电解池消耗的功率相等，从而电解池会维持在一个稳定的温度——比如30°C——上。但是，有时候电解池里的温度会突然升高到50°C。既然电流没有增加，那这引起水温突然上升的能量是哪里来的？ Pons 和Fleischman 宣称他们重复了很多次，实验非常可靠。
Pons 和 Fleischman 于1988年递交的资助申请曾落到了 Steven E. Jones 的手中。Jones 玩过缪子催化的核聚变，对 Pons 和 Fleischman 的发现很感兴趣。两家课题组开始合作，并时常在犹他大学碰面交流。此间 Pons 和 Fleischman宣称他们重复测量到了无法用化学解释的额外能量（释放），Jones 则测量实验过程中放出中子的流量，双方约定1989年3月24日同时把文章投给 Nature 杂志。结果是，Pons 和 Fleischman 却于11日把文章投给了Journal of Electroanalytical Chemistry，并于23日召开了新闻发布会。Jones 在23日听到了新闻发布会的信息后，于23日把稿件传真给了 Nature。
图2. “发现”冷聚变的实验装置：用钯电极电解重水
3. 热闹的冷聚变 Pons 和 Fleischman 的发现，即用化学实验设施实现核聚变，立马在世界科学界引起了极大的反响。因为此一发现的重大经济意义与军事意义，各地科学家纷纷行动起来要重现此一重大发现，结果弄得金属钯比洛阳的纸还贵。这种情形让人想起《科学美国人》1987年第12期上的一句话：“全世界手上有炉子的人们现在都在研究超导。”实际上，1986年高温超导体此一与经验相抵触的发现的确立，正是冷聚变虽然反直觉却得到广泛响应的心理基础。Pons 和 Fleischman 也呼吁更多的研究投入以理解冷聚变背后的科学。
尽管 Pons 和 Fleischman 本人向媒体保证他们的结果经过了很多次的重复验证，一些物理学家却重复不出来测到过量热释放的结果。CERN 的某位物理学家说“西欧科学界的各种尝试都失败了。” 当然，总有人有本事顺利地重复了别人的“重大发现”。第一篇投给 Nature 的文章，虽然过了同行评议，但因为同期的大量负面结果 (negative) , 且正面结果 (positive) 又没有理论支持，结果还是给拒稿了。一些宣称成功的人也未能完全重复 Pons 和 Fleischman 的热测量结果。1989年4月10日乔治亚理工的科学家宣称测量到了中子辐射，这可是发生聚变的强证据，结果仅仅3天后该课题组又撤回了结论，说“探测器受热才给出了 false positives (生物学界的假阳性？)。接下来，正面结果和负面结果，对正面结果的质疑，以及各种解释铺天盖地而来，霎时间把个冷聚变 (cold fusion) 给做成了 fusion confusion (关于聚变的困惑)。1989年4月 Pons 和 Fleischman 发表了一份简报，提到他们测到了光子发射，但是数据很不专业，记录到的光子峰没有康普顿边，有人评论这个光子峰的报道恰恰表明他们没测量到过光子（注：跨专业容易露馅）。以后这两位就不提这茬了。
仅仅到了1989年4月底，冷聚变即被判死定了，媒体称之为“马戏团的把戏”。在5月1日 APS 召开的会议上，所谓的关于冷聚变研究申请的犹他报告被批成是反映了“Pons 和 Fleischman 的无能与臆想”。同年5月份的 Nature 甚至发了题为"No new fusion under the Sun (太阳之下没有新的聚变（途径）)"的文章，算是一个强烈的负面结论。尽管如此，犹他州政府还是在1989年8月投资450万美元建立了国家冷聚变研究所，1990年9月该所罗列了据信测量到了过量热释放的来自十个不同国家的92个研究组，但却一直以会妨碍专利申请为由拒绝公布自己的实验细节。该研究所到1991年6月底因经费耗尽而关闭。Pons 和 Fleischman于 1991年离开了美国，两人于1992年加入了法国的 IMRA 实验室，Fleischman 此后于1995年去了英国一家实验室。法国的 IMRA 实验室在冷聚变上花费了数千万美元一无所获，于1998年关门。
然而，时至今日国际上冷聚变的研究一直没有停止过，似乎意大利、日本的科学家都特别积极，美国在2012年还有人资助了550万美元建立了一家核能振兴研究所。这期间关于冷聚变研究的趣事也不断传出。美国农业机械大学的科学家宣称观测到了氚，后来被 Science 杂志揭穿是故意弄进去的，最后农业机械大学只好以电极的氚污染和测量问题来搪塞。还有人宣称在1991年就测量到了每秒数百万个中子爆的，2012年要重复这个结果时却被叫停，因为“人家的研究账户被冻结了嘛”。 近些年陆续又有了不同途径对冷聚变研究的支持，冷聚变科学家在欢呼他们终于被当作正常科学家对待的同时，为冷聚变招致臭名声的问题却依然存在：结果未经独立验证，一些令人费解的现象只是为了吸引媒体的注意而被贴上冷聚变的标签，尽管它们根本不是。
4. 病态科学与物理学家的不易 冷聚变如今已经同月表运河、N-射线等事件同列病态科学 (pathological science) 的典型。病态科学是诺奖得主、著名化学家朗缪尔 (Irving Langmuir) 在1953年的一次报告中首先提出来的的概念，当然不是很严格。病态科学的特征包括提出一些反经验的奇怪理论，宣称有了不得的精确度，批评总是立马招来现编的借口，支持者的数量突然上升紧接着急速滑落，等等。此外，开新闻发布会、其拥趸坚持无视负面验证结果, 也是病态科学的一个症候。把冷聚变故事发展中的点点滴滴同病态科学的几个特征相比较，会发现将之归为典型的病态科学案例真不冤枉。在这个事件中最受伤的估计是一个叫物理学家的团体。核聚变、统计物理、粒子物理、高能物理、热测量、晶体结构、高压物态、催化、反应动力学等等内容都是物理学家应该很好消化了的知识储备，对于常温下氘在金属钯中聚变而成激发态的、会循多通道衰变放出质子、中子或者 光子的氦此一过程中物理的不自洽和不可能性，应该不难注意到。别的学科的科学家听说冷聚变这等好事一拥而上、不撞南墙不回头也就算了，大量的物理学家也一拥而上且在获得结果负面时却不能物理地分析前因后果，就有点说不过去了。大约1993年底，德国某马普所的一位物理学家评论道：“冷聚变这件事向我们揭示了一个我们可能不太愿意接受的事实，即这个世界上80%的物理学家其实根本不懂物理。” 这鞭子抽人太疼了，让我们这些身上贴着物理学家标签的人都有点不好意思。不过，最近有某设备上的一个在750 GeV 处的电子学信号起伏让物理学家发表了500余篇高水平文章的趣事。这个信号最近被确认为统计涨落，是个假信号。看来物理学家不懂物理的情况并没有什么改善。所有号称是物理学家的人，不妨记住这句话以自省——我们懂得的那么点物理，一旦我们让猪油蒙了心，很难保证我们不会误入歧途。
5. 结束语 写下了这些无聊文字后更觉无聊，遂复习几句老祖宗留下的成语聊以自娱。成语曰：前事不忘后事之师；他山之石可以攻玉；前车之鉴；前车覆，后车诫；没吃过猪肉还没见过猪跑；常将双眼秋水洗，一生不受同行欺；自欺者欺人；God is not the only one watching (图4), and blabla……
——待续
延伸阅读① 论文造假圣手肖恩 | 《学术不端：一把锋利的钥匙》系列之一
② 诺奖得主合成金刚石的猫腻 |『学术不端：一把锋利的钥匙』系列之二
③ “学术天堂”之变
发表于 2017-1-30 02:57
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