冷聚变是伪科学吗?
2013-12-12 11:27:13   来源:北大论文   评论:0 点击:

冷聚变技术已经有很大突破了,但是很多人还在纠结冷聚变是否是伪科学,相信的人认为他可以实现,不相信的人认为根本就是骗局,孰是孰非,让我们再来看看。
      1989年3月23日,弗莱希曼(Fleishmann)和庞斯(Pons)(以下简称二人为弗、庞)在美国犹他州盐湖城的犹他大学宣布发现了室温核聚变(通称为冷聚变,cold fusion)。他们的实验是用钯(Pd)作阴极、铂(Pt)作阳极电解含0.1MLiOD的重水溶液,氘进入钯阴极中产生核聚变反应。在实验过程中测到过热(输出能与输入能之差)和核产物。3月30日,该州伯明翰·杨大学的琼斯(Jones)在一次学术活动中宣称自己独立地实现了冷聚变,他用的是钛(Ti)阴极电解含多种盐的重水溶液,观测到低产率的中子(对应于D(d,n)[3]He反应),但未测到过热。

  冷聚变的发现打破了核聚变必须在上亿度高温下才能进行的传统观念,使整个世界震惊了。世界各大新闻媒体纷纷报道,中国的《人民日报》、《光明日报》和《科技日报》等也刊发有关消息。世界上几十个国家和地区的数百个实验小组很快加入冷聚变研究的行列,很多小组宣布实现了冷聚变。国内的中国工程物理研究院、北师大等宣布测到了冷聚变中的中子信号。但这次高潮很快就衰退了。直接原因是包括属于世界一流研究机构在内的很多实验小组未能重复出弗、庞的结果。于是很多人转而开始怀疑弗、庞的实验结果。进而否定,舆论也随之倒向。国内有几位著名学者撰文批驳冷聚变,将其归结为“病态科学”并与N射线、伪气功等现象相提并论。美国的高级科普杂志《科学美国人》(Scientific American)甚至提出要给弗、庞二人颁发可耻诺贝尔奖。时至今日,国际权威学术刊物仍拒绝发表支持冷聚变的实验结果。对于冷聚变的许多进展很多人不以为然,抱着全然否定的态度。为此,我们觉得有必要为冷聚变正名,说明实际情况,澄清是非,使大家对这一世纪性的发现有正确的认识。

  人们对冷聚变最大的责难集中在其实验的低重复性和核反应产物不匹配两点上。从弗、庞宣布之初直到五年后的现在,就电解过热而言重复性还未达到100%。从现在的实验情况来看,当初电解过热重复性差的主要原因是未能有效地提高钯中的含氘量即氘钯原子比,很多实验小组就提高氘钯比做了大量的工作。结果表明,只有D/Pd比达到0.84以后才有可观测的过热出现,且氘钯比与过热间并非呈线性正比关系而是超过阈值后有一个最佳值。要产生过热还有一个阈电流密度(~200mA/cm[2]),这些都是产生过热的必要条件。在89年3月第一次宣布冷聚变的新闻发布会上,曾宣称冷聚变的难度只相当于大学一年级学生的实验。可是五年之后当很多科学家在做了大量仔细的工作之后方摸清了一些基本条件,此时,89年3月的那位大学一年级学生已经毕业并该读研究生了。冷聚变实验实际上是很难作好的。

  即便是现在,冷聚变实验的重复性仍是不高的。93年弗、庞公布的结果表明有1/4的实验给出正结果,这使得反对者们提出这样的问题:“既然存在冷聚变,为什么不能重复。”重复性差正是研究者们要解决的问题之一,而且几年来重复性正在不断提高。可对反对者而言问题是如果真的不存在冷聚变,那么我们在冷聚变实验中看到的正结果说明什么呢?实验中出现的正结果是常态的反例。我们知道,任何理论体系如果出现至少一个反例那么就足以判断其是不完备的甚至是错误的,何况在冷聚变实验中我们看到的不是一个反例而是很多个反例。从这一点我们就可说明这里确实存在着我们现在尚无法解释的东西。反过来讲,五年来世界上仍有数以百计的科学家在探索冷聚变--注意,他们是二十世纪的科学家(其中有人还是诺贝尔物理奖获得者)而不是中世纪的术士和炼丹家--如果不存在值得他们探求的东西,那么也不会有这么多人在这么长的时间内在各种压力下去做不为人们所赞同的工作。这正反两方面的事实只说明一点,即这里确实存在异常的效应。

  关于人们对冷聚变实验重复性问题上不公平的看法,一个罗马尼亚学者讲了一个统计上错误判断的笑话:

  (1)在发表的317篇冷聚变论文中有56篇给出正结果,结论:统计上而言冷聚变是死的(不存在)。

  (2)罗马尼亚的独裁者齐奥塞斯库被判死刑,共射击302发子弹但只有43发是致命的,结论:统计上而言齐奥塞斯库仍活着。

  由此可见人们对冷聚变的误解之所在。

  对冷聚变实验正结果的怀疑集中于过热、核产物和分枝比异常这三点上。首先是过热,过热一般表示为与输入能的相对值。在冷聚变宣布之初过热平均只有输入电能的1/4左右,绝对功率只有瓦的量级,很多人怀疑过热来源于化学能及其他非核形式的物理能。但在整个实验过程中平均每个阴极(Pd)原子放出能量相当于9000eV,这远大于普通化学能,即使把所有的非核因素考虑进去也不及过热的8%。现在有的实验中过热已达输入能的4倍,更排除了一切化学能起主要作用的可能性。各国的学者对过热的特征以及与其他参量的关系作了详细的研究,也排除了化学能的可能性。

  另一个怀疑针对的是核产物的测量结果。首先是对中子结果的怀疑,即认为测量到的中子信号是由于宇宙射线中μ介子簇射在氘中引起μ介子催化反应而产生了氘氘中子,为此曾有几个小组将冷聚变实验移到很深的地下(宇宙射线强度比地面低得多)进行,结果表明确实产生了中子。近年来的结果表明用化学方法,固体中氘气的吸放和氘气放电等其他物理方法都可产生2.45MeV中子,对应于D(d,n)[3]He反应。

  对于dāo@①(T)和[4]He的测量,有人认为是由于周围环境的污染,但各种精确对比实验表明在实验中确实产生了T,[4]He。特别值得一提的是日本山口原一用能分辨D[,2],HT和[4]He的质谱仪分析表明含氘材料中产生了[4]He,而且随着充D量增加[4]He量相应增加,当不含氘时也未测到[4]He。这为含氘材料中产生[4]He提供了强有力的证据?

  非难最多集中在分枝比异常上。根据一般的核反应理论,高能或高温氘气反应有如下几个分枝反应:D(d,n)[3]He,D(d,p)T和D(d,γ)[4]He,这三个反应的几率比为1:110[-6]。在低能低温情况下核反应极少,现有仪器难以测出产物。可在冷聚变实验中人们观测到大量的过热而只测到很少的氘和更少的中子,23.85MeV的γ射线也测不到([4]He测量尚无准确结果),这就是分枝比异常。据此,有人认为这说明观测到的异常热效应不是由核过程引起的。分枝比异常是与普通热核反应不同,但这并不能说明不存在核聚变。这正是冷聚变与热核反应的显著区别之一,也是冷聚变优于热核反应之处,因为放出能量而只产生少量放射性核产物正是核安全的目标。再者,这也为解开冷聚变之谜提供了某些线索,它说明冷聚变中的核反应过程不同于热聚变,退一步讲,即使观测的异常效应不属于核过程,但它的诸多特性也足以为材料和能源的目的而应引起人们的重视。

  在理论上人们对冷聚变的责难主要是无法解释常温下如何克服库仑势垒。热核反应的点火温度为数亿度,室温与其相差达百万倍,冷聚变与热聚变相比简直象一个青蛙一跳而上了珠穆拉玛峰。这种巨大的差异使物理学家不能想像在常温下会发生核聚变。所以当两位化学家宣布这一消息时很多物理学家群起而攻之,而一些化学家们则对物理学中的发现由化学家作出这一事高兴万分。当然,实验上观测到异常核效应我们就必须找到相应的理论解释。

  有人会问,如果存在冷聚变为什么理论上不能提前预言而是直到不久前才被化学家发现呢?原因在于凝聚态是一个很复杂的领域,在其中由于粒子间的多体效应使很多现象到现在仍无法解释,如高温超导,多孔硅发光等。因此我们猜想正是由于粒子间的多体作用使室温核聚变得以发生,也正是因为多体作用的复杂性使我们无法象其它物理现象一样提前作出预言,这也是凝聚态物理中实验超前于理论的表现之一。同时说明在凝聚态领域内很可能还有很多我们未发现的奇妙现象。另一方面,在历史上早已有好几起发现冷聚变的先例,只是由于违反常识而被人们遗弃了。

  其实1989年之前人们提到的冷聚变是指μ介子催化聚变。由于μ介于比电子重207倍,其它性质和电子完全相同,因此能比电子更有效地屏蔽库仑势垒而引起聚变,这也从一个侧面说明在常温下存在着其它途径克服库仑势垒,而非只有提高温度和能量这一途径。冷聚变首倡者之一琼斯正是从这一工作转到室温核聚变上来的。

  冷聚变的另一佐证来自传统的核物理。根据传统的核物理知识我们仍无法解释很多与聚变有关系的物理现象,如丢失的太阳中微子问题,自然界中He和T的富集现象,以及地热原因的解释等。这些事实说明传统的热核反应理论并不能覆盖一切,它只是一个在一定范围内近似准确的理论。因为在高能情况和自由空间中理论与实验相符,而上述异常都带有低温多体的性质,因此我们有理由相信在比地球内部温度更低的凝聚态中发生了与传统核物理估计大相径庭的实验结果,正是在这里发现了冷核聚变。

  对冷聚变另外的责难在于其发表的形式和引起的社会效果。冷聚变最先公布不是通过传统的在学术会议或在学术刊物上披露而是以举行新闻发布会这种形式加以宣布;出于保护专利的目的,当面对记者和科学家们的提问和责难时弗、庞丝毫不透露自己实验的细节;很多实验小组急于公布自己的结果,而给出的数据经不起推敲,前后矛盾等等。这些冷聚变诞生之初的闹哄哄引起正统科学家们的不满,他们觉得冷聚变研究者象是江湖骗子。这确实是冷聚变工作中的重大过失,也是冷聚变研究至今仍遇到重重阻力的原因之一。但也从一个侧面反映出冷聚变的发现对人类生活的影响之巨大。因为能源问题是人类普通关心的一个问题,因此任何关于能源方面的突破都使人们按捺不住内心的激动而急于公之于众,这与当初超导竞赛时的情况类似。科学就是科学,我们不能因为它出自村夫野民之口而加以否定;也不能因为它发表的形式是我们所不喜欢的而摒弃。

  也许就某个具体的细节而言我们可以怀疑其存在和真实性,但分析整个情况我们只能得出结论:这里存在我们现在尚无法解释的事实。

  有一个曾是坚决的冷聚变反对者,洛斯·阿拉莫斯实验室的老物理学家Storms,他对厚厚的冷聚变材料进行分析之后,他反而被材料所说服,成为冷聚变的坚定的支持者、宣传者。我们建议反对者们不要一昧地反对,最好静下心来看看在冷聚变领域内发生了什么,然后再下结论也不迟。

  现在世界上除了日本外,其他国家(包括我国)花在冷聚变上的钱极少,这在客观上使冷聚变研究进展缓慢,这又反过来加深了人们对冷聚变研究的误解。只有摒弃偏见,抱着解决问题的目的去对待冷聚变才是明智的态度,既不赞成给与经费支持又要求拿出过硬的成果来的做法是不公正的。日本人讲求实效是世人所公认的。但在冷聚变问题上日本人敢于先行一步,投入巨资用于研究(现已达每年千万美元以上),说明日本人已意识到冷聚变的潜在价值及应用前景。这也足以引起我们的警惕,且莫等美国人承认冷聚变后我们再亦步亦趋步他人之后尘、走别人的老路而没有自己的独立作为。

       主要参考文献
  (1) M.Fleishmann,S.Pons,Physics Letters A,176(1993),118
  (2) S.E.Jones et al,Nature,338(1989),737.
  (3) A.Takahashi et al,ICCF3,Nagoya,1992.
  (4) E.Yamaguchi et al,ICCF3,Nagoya,1992
  (5) Wang Da Lun et al,ICCF3,Nagoya,1992.
  (6) 陆天虹等:“冷核聚变的研究概况及争论”,《自然杂志》13(1990),584.
  (7) 张信威,张武寿,高国桐:“冷聚变:一项争议很大的科学发现”《科学》46(1994),39.

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