哈维·穆德学院物理学助理教授彼得·N·赛塔回应道
八年前,当时都在犹他大学的马丁·弗莱ischmann和斯坦利·庞斯两位研究人员声称,他们在室温下运行的简单台式设备中实现了核聚变,这一声明震惊了世界。然而,其他实验者未能重复他们的工作,大多数科学界人士不再认为冷核聚变是一种真实现象。尽管如此,研究仍在继续,一小部分但非常直言不讳的少数人仍然相信冷核聚变。
迈克尔·J·沙弗是美国一家主要核聚变研究实验室(其雇主要求不透露身份)的高级科学家,他提供了这份历史概述,以及对冷核聚变当前状况的相当温和的评估
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“由于冷核聚变仍然是一个未解决且有争议的主题,会在科学家之间引发强烈的意见和激烈的辩论,因此我首先声明我是一名研究核聚变能的主流等离子体物理学家。我也阅读了许多关于冷核聚变的已发表论文。我参加了最近三届国际冷核聚变会议,我自己也进行了两组冷核聚变实验,但都没有明显的超额功率释放证据。总的来说,我认为自己是一个相当中立的观察者。”
“为了理解这场争议,了解一些关于核聚变的基本事实会有所帮助。核聚变是一种核反应,其中两个较小的原子核结合(聚变)形成一个新的、更大的原子核。当这个大原子核不稳定时,它会迅速分裂并释放能量。最大的困难在于,由于最初的原子核都带正电,当它们相互接近时会受到强烈的排斥。因此,只有具有高动能的原子核才能足够接近以发生聚变。高速原子核可以在地球上通过粒子加速器或极高的温度(大约 5000 万摄氏度或更高)产生。在受控的“磁约束”核聚变能量实验中,例如托卡马克等,磁约束等离子体通过电磁波或中性粒子束加热。在“惯性约束”核聚变能量实验中,微小的颗粒被强大的脉冲激光或离子束压缩和加热。”
“冷核聚变声称,当氘溶解在固体(通常是钯金属)中时,可以在室温或接近室温的条件下从核聚变反应中释放可测量的能量。这个想法起源于 20 世纪 20 年代的研究,即氢及其同位素可以在某些固体中溶解到如此高的浓度,以至于氢原子核之间的距离甚至比固态氢更近。此外,来自固体基质电子的负电荷部分抵消了原子核之间的排斥力。然而,早期的实验并未检测到任何核聚变的迹象。此外,现代理论计算表明,所提出的效应虽然真实存在,但太小,无法产生可检测到的核聚变速率。”
“电化学家马丁·弗莱ischmann和斯坦利·庞斯决定重新研究室温核聚变。他们的技术是将电流通过电解槽,该电解槽由钯 (Pd) 阴极、铂 (Pt) 阳极和 LiOD(锂、氧和氘或重氢的化合物)在重水(含有氘代替普通氢的水)中的电解质组成。阴极反应释放出未结合的氘 (D) 原子,这些原子比氘分子更快地进入钯。在适当的条件下,浓度可以达到每个钯原子 0.9 个或更多氘原子,此时氘的损失与其注入速率相平衡。庞斯和弗莱ischmann 的电池是量热仪(热量测量装置)的一部分,其温度升高在少数情况下表明存在大约 10% 的超额功率,即离开电池的功率比用于运行它的电力多大约 10%。庞斯和弗莱ischmann 在 1989 年 3 月 23 日举行的一次现已闻名的新闻发布会上宣布了他们的结果。他们还认为他们检测到了中子穿过水时产生的伽马辐射特征,但这些结果后来不得不撤回。”
“立即掀起了一股重现庞斯和弗莱ischmann 实验的热潮。一些实验者报告成功,许多其他人报告失败。即使是那些报告成功的人也难以重现他们的结果。此外,没有人看到预期的核聚变产物。三个已知的 D + D 反应是”
D + D --> H + T(两个氘核产生一个氢核和氚,一种含有两个中子的重氢同位素)或
D + D ---> n + 3He(产生一个中子和氦 3,一种氦的轻同位素),或
D + D ---> 4He + γ(产生正常的氦 4 和伽马射线)。
“前两个反应的概率相等,如果产生一瓦特的核功率,中子和氚的产生将很容易测量。但它们无法被检测到;如果它们存在,也只是处于极低的水平。第三个 D + D 反应通常比前两个反应进行得慢得多。一些实验最终确实报告了氦 4 的产生,尽管必须非常小心以避免空气中通常存在的痕量氦污染。这导致许多冷核聚变研究人员推测,第三个核聚变反应在钯中以某种方式被催化。此外,有必要假设伽马辐射被抑制,而伽马辐射从未被观察到。然而,没有广泛接受的理论可以解释这种效应。因此,大多数科学界人士得出结论,‘庞斯和弗莱ischmann 效应’是实验误差。”
“即便如此,一些实验室仍在继续进行冷核聚变实验。超额功率仍然很小且是零星的。然而,如果最近一些关于新工作的报告可以得到验证,那么多年的努力可能会有所回报。庞斯和弗莱ischmann 现在报告称,在 30 天的运行中,持续产生了 100 瓦特(输入功率的 150%)的超额功率。庞斯和弗莱ischmann 的技术需要大约 20 天的电解调节,之后允许电池加热到沸腾以进行功率运行。据报道,在法国原子能委员会的支持下,并与庞斯协商,G. Lonchampt 领导的另一个独立小组重复了这项技术。日本和意大利的其他小组也开始报告 30% 到 100% 范围内的超额功率。如此规模的实验结果远远超出了普通化学的范畴,并指向可能存在某种新效应。它可能根本不是“冷核聚变”。这种效应是一种新型的化学反应,还是核反应的新途径,或者是一些更令人惊讶或更平凡的东西,只有在更多的研究之后才能知道。”
“人们已经尝试了不同的技术来产生冷核聚变,包括放电、超声波和陶瓷电解质中的氢。在这里,我将仅重点介绍在普通轻水中使用镍阴极在碱金属盐溶液中进行电解。这些电池比使用重水和钯的电池便宜得多。迄今为止,此类电池中最令人印象深刻的超额功率是美国 James Patterson 和他的公司 Clean Energy Technologies (CETI) 报告的。”
“关于核反应可能产生的产品,出现了一些诱人的新线索。日本北海道大学的水野忠彦小组分析了 Pd-重水电池在高温度下长时间运行前后的成分。他们报告了低浓度的多种重元素,包括钙、钛、铬、锰、铁、钴、铜和锌。伊利诺伊大学的乔治·迈利在使用 Patterson 电池以及镍或层状镍钯阴极时,也报告了多种中重元素。其他一些小组也报告了类似但不太详细的结果。从我们目前对低能核反应的理解来看,如此重原子核的产生是如此出乎意料,以至于需要非凡的实验证据才能说服科学界。所有可用的分析技术都必须应用,并且结果必须重现。CETI 最近开始将 Patterson 电池借给独立实验室,以加速研究。”
“那么,目前科学界对冷核聚变的看法是什么?坦率地说,自 1989 年和 1990 年的幻灭以来,大多数科学家都没有关注这个领域。他们通常仍然认为冷核聚变是实验误差,但他们中的大多数人并不知道最新报告的结果。即便如此,鉴于声称的冷核聚变结果的非凡性质,除非首先找到令人信服的理论解释,否则需要极其高质量、决定性的数据才能说服大多数科学家。”
“目前,大多数冷核聚变研究都在日本进行。新能源产业技术综合开发机构(NEDO)是一个政府组织,赞助了札幌的新氢能源实验室。IMRA 是丰田家族的一个基金会,它在札幌赞助了另一个设备齐全的实验室,以及庞斯和弗莱ischmann 在法国的设施。一些日本大学和企业也在进行冷核聚变研究。”
道格拉斯·R.O. 莫里森曾在欧洲核子研究中心 (CERN) 担任物理学家 38 年,是冷核聚变研究的长期观察员;他还参加了国际冷核聚变会议。以下是他的评估
“‘你是说它还没死?’当我说我参加过冷核聚变会议时,人们的反应难以置信。几乎所有科学家和大多数公众不再相信弗莱ischmann 和庞斯在 1989 年声称他们通过使用电化学在低能量下将氘核融合在一起解决了世界能源问题。但真正的信徒仍在坚持。”
“第六届国际冷核聚变会议 (ICCF-6) 于 1996 年 10 月在日本北部札幌附近举行。它由通商产业省 (MITI) 的一个部门赞助,该部门在四年内为冷核聚变研究提供了约 3000 万美元的资金;这项支持得到了约 20 家日本主要公司的资金和人员的匹配,并与十几所日本大学合作。通商产业省在札幌附近启动了新氢能源 (NHE) 实验室,据参观者估计,该实验室拥有价值约 1000 万美元的设备。“本次会议因三个关于高质量日本实验的报告而引人注目,这些报告与其他报告形成鲜明对比。通商产业省 NHE 实验室描述了一系列旨在检验弗莱ischmann 和庞斯最初声明的实验。没有发现超额热量。”
“丰田成立了一个名为 IMRA 的新组织,该组织有两个实验室,一个在札幌附近,另一个在法国南部的尼斯附近;后者聘请了庞斯。第二个主要的实验报告来自 IMRA-Japan 实验室,研究人员在那里建造了一个改进的量热仪,该量热仪与周围环境没有相互作用。尝试了 26 个实验,采用了各种旨在产生超额热量的系统和技巧,但没有观察到超额热量。此外,上限非常低,+/- 0.23 瓦特,或输入功率的 2.3%——远非“一瓦特输入,四瓦特输出”的呼声以及 1989 年声称的数百个百分比的增长。”
“另一组结果来自 IMRA-Europe,由庞斯介绍。他说进行了七个实验;它们产生的超额热量分别为 250%、150%、“可变”和四个根本没有产生超额热量。在 1989 年宣布之前进行的五年工作以及之后七年(当时庞斯和弗莱ischmann 资金充足)之后,这一结果可能被认为相当微薄。IMRA-Europe 使用了高温(接近沸腾)电池,尽管已证明这种装置会产生更大的不确定性。”
“通常需要极高的温度才能获得实际的核聚变速率,方法是克服带正电原子核的排斥力。在低能量下(即在室温下),这种势垒使得核聚变反应发生的概率极低。真正的信徒声称,在钯等金属的晶格中,氘-氘聚变速率要高得多,因此所需要的只是用氘填充晶格。”
“日本东北大学的笠木治郎太及其同事进行的第三个谨慎的日本实验旨在检验这一假设。将各种低能量的氘离子射入已饱和氘的金属中;然后将测量的聚变速率与预期进行比较。由于库仑势垒(电排斥),速率在低能量下急剧下降,并且没有观察到能够证明弗莱ischmann 和庞斯的主张合理的意外增强。”
“人们可能会认为这三个日本结果将是决定性的,但两位总结发言人,都灵的图利奥·布雷萨尼和 SRI 国际的迈克·麦克库伯,持乐观态度,并轻视或忽略了这些结果,而是谈论了其他未在相同谨慎控制下进行的实验。提到了一些引人注目的新主张。清洁能源技术公司 (CETI) 的詹姆斯·帕特森原定要谈论他的主张,即涂有金属(通常是镍)的微小球体可以产生能量,但他没有发言。相反,他的合作者,伊利诺伊大学的乔治·迈利和Fusion Technology杂志的编辑,报告说,使用这些球体的实验产生了镍向许多其他元素的嬗变,甚至重达铅;他没有担心产生铅所需的额外中子的来源。”
“在 ICCF-6 上没有说出的内容也很有趣。许多曾报告过轰动一时初步结果的人现在不再谈论它或试图扩展它。例如,在名古屋举行的 ICCF-3 会议的第一天,日本电报电话公司 (NTT) 发布新闻稿称,他们的一位研究人员已经解决了冷核聚变问题,并获得了可重复的结果。NTT 立即看到其股票价值上涨了 80 亿美元——但在几天之内,它们又回落到之前的水平。该实验受到广泛批评,但此后既未再次提及,也未正式撤回。”
“所有冷核聚变的真正信徒都同意一点:他们的结果是不可重复的。对于大多数科学家来说,这意味着冷核聚变的结果是不可信的,但真正的信徒认为,这种不可预测性使它们更有趣!”
“从 1992 年起,许多关于使用普通水代替重水进行冷核聚变的主张被提出。众所周知,D-D(氘-氘)聚变比 H-H(氢-氢)聚变速率高得多,高出许多数量级。事实上,早期的冷核聚变主张指出,结果必须归因于聚变,因为它们只发生在氘中,而从不发生在氢中,而氢确实被用作对照。此外,从 1992 年起,也提出了关于嬗变的主张。其中之一是古代炼金术士声称将汞变成金;其他人则声称同位素发生了微小变化。迈利的主张更加令人震惊,因为他声称的嬗变使用了氢而不是氘。”
“如果这么多年来有如此多的主张,有些人不可避免地会想,也许其中可能真的有某些东西。但是冷核聚变的主张是相互矛盾的;如果 H-H 聚变有效,那么 D-D 聚变应该会导致装置爆炸。此外,发现没有效应的实验比声称有效应的实验更多,而这些阴性实验往往进行得更仔细。一些主张可以被其他后续实验驳斥:史蒂夫·琼斯来自杨百翰大学——最初是弗莱ischmann 和庞斯的竞争对手,他对中子产生提出了略有不同的主张——现在是冷核聚变的强烈反对者,并且确实做了实验表明,在弗莱ischmann 和庞斯的开放式电池中,氢气和氧气可以混合并重新结合,释放出明显的超额热量。如果这种重新结合的可能性被阻止,就不会有超额热量。”
“有了所有这些负面证据,弗莱ischmann、庞斯和其他人如何继续下去?简短的回答是,真正的信徒总能找到一些东西来鼓励他们,并且他们可以忽略其余的。冷核聚变比以前的病态科学例子(如聚合水)更持久,聚合水在主要支持者放弃后不久就结束了。在这里,已经进行了组织良好的公共关系活动。”
“最初,在 1989 年,庞斯提出了一系列不断升级的主张,包括展示他声称是一个工作电池“释放出投入电池能量的 15 到 20 倍”。据称它“可以为一杯茶提供沸水”。现在有几个人出版杂志,散布主张,并试图影响媒体人士,他们有时会在不核实的情况下展示他们的宣传材料。这种技巧使火焰保持活力。还有一些编辑在同情性的期刊(如Fusion Technology)上发表冷核聚变主张。他们声称,在定于 6 月 1 日至 5 日在奥兰多举行的下一届美国核学会会议上,将有一个冷核聚变会议,其中包括迈利和帕特森的专题小组讨论。”
“在另一个非科学事件中,弗莱ischmann、庞斯和意大利研究人员图利奥·布雷萨尼、朱利亚诺·普雷帕拉塔和埃米利奥·德尔·朱迪切起诉了意大利报纸La Repubblica、其编辑和科学编辑乔瓦尼·玛丽亚·佩斯,后者在 1991 年写道,冷核聚变是“科学欺诈”。三名法官的裁决是,这是合理的评论,并且他们进一步将诉讼费判给报纸。他们还表示,一些原告已经脱离现实。”
“冷核聚变的未来是什么?真正的信徒永不放弃,资金不断涌入。起初,美国和一些俄罗斯的工作主要由电力研究所 (EPRI) 资助,该研究所花费了数百万美元,但这种支持基本上已经停止。在 ICCF-6 之后,日本的资金似乎正在下降。但私人投资者仍然抱有希望——他们倾向于认为,如果投资回报价值数十亿美元,那么花费数百万美元进行投资是值得的。然而,他们没有意识到,可能的回报约为 10-40——这意味着即使投资一分钱来赚取可能的数十亿美元也是一个糟糕的赌注。下一次冷核聚变会议 ICCF-7 将于 1998 年 4 月在温哥华举行,由私人赞助商赞助。我们都希望喝到一杯冷核聚变茶。”
普林斯顿等离子体物理实验室的罗伯特·F·希特是“传统核聚变常见问题解答”(互联网新闻组 sci.physics.fusion)的作者,也是核聚变能源教育网站的网站管理员。他回应道
““冷核聚变”现象,即当电力和热量应用于涉及氢同位素(水或气态形式)和特定金属(特别是钯和镍)的特殊系统时,能量守恒定律显然被违反,这与传统的科学解释相悖。所有解释“冷核聚变”效应的新理论都需要对现有的物理理论进行大幅修改(人们可能会称之为“奇迹”)。科学怀疑论要求,除非实验证据证明相信这些奇迹是合理的,否则我们必须得出结论,实验误差被误解为积极结果。”
“人们通常会预期,大约一半的仔细的能量平衡测量会显示超额能量,而大约一半会显示能量不足,因为实验误差会将结果分散在预期结果周围。大量显示超额能量的结果可能表明有新的东西。但是,如果有人故意寻找超额能量,那么他们可能能够通过某种方式愚弄测量设备来“优化”一个复杂的系统,从而产生大量的明显超额能量。如果超额热量很小,或者超额功率与总输入功率的比率很低(正如冷核聚变报告中的情况一样),那么给定的超额热量结果是代表物理“奇迹”还是实验误差,则很难确定。”
“如果“冷核聚变”中确实发生了奇迹,那么它们就不是涉及氢同位素的核聚变反应。核聚变反应(其中原子核结合,从而释放大量能量)不可避免的特征是高能粒子(中子、正电子和离子)和伽马射线的组合。由于能量和动量守恒以及狭义相对论定律,核聚变能量直接转化为热量是不可能的。如果声称的超额功率水平是核聚变反应的结果,那么高能粒子及其次级效应应该很容易检测到。但是,对这些核聚变特征的测量要么不存在,要么不准确,要么低几个数量级。试图将“冷核聚变”解释为核聚变以外的东西,也需要类似的奇迹,并有同样微弱的证据支持。”
“实验误差的论点得到了关键结果的不可靠性和缺乏独立重复性的支持。此外,参与“冷核聚变”研究的复杂系统和测量设备的性质超出了大多数参与研究人员的专业知识范围。”
““冷核聚变”类似于中世纪的炼金术。就像 1000 年前寻求将铅变成黄金一样,现在寻求将氢转化为能量的真理探索也遭受了痛苦。名誉和财富的诱惑以及相信好消息的自然愿望已经对科学怀疑论产生了腐败的影响。因此,在主要专业知识领域之外工作的研究人员更可能将实验误差误解为积极结果。对于一项革命性的新发现,如果它如此方便地具有如此巨大的和直接的经济价值,人们很难不持怀疑态度。”
“我进入研究生院时,希望帮助解决我们迫在眉睫的能源危机,因此我以开放的心态仔细研究了“冷核聚变”,以便做出明智的职业选择。我了解到,关键的积极结果尚未得到可靠和独立的重复,许多仔细而彻底的研究得出了负面结论,尽管这些不令人兴奋的结果通常未发表。可能无法证明“冷核聚变”仅仅是误解实验误差的结果,但情况并非如此的可能性很低。”
“推翻“冷核聚变”的努力让我想起了 O. J. 辛普森案——证据已经足够明确,大多数人都有坚定的信念,但真正确凿的证据仍然难以捉摸。但科学不是法律:当在实验中对科学理论进行审判时,现有的理论被假定为有罪,因为它解释了你的观察结果,直到它被证明是无辜的,即表明只有新理论才能恰当地符合证据。对已建立的理论进行重大更改需要更强有力的证据。“冷核聚变”,如果属实,则需要在我们对能量和物质的理解上进行根本性的改变,但即使经过八年花费数千万美元的努力,证据仍然薄弱——尽管显然在夏威夷、蒙特卡洛和其他地方举行的冷核聚变会议相当奢华。我现在怀疑“冷核聚变”是否真的是解决世界能源需求的简单炼金术方案。”