关于冷聚变的争论

庞斯和弗莱希曼冷聚变的实验结果与传统的物理观念有很大的不同， 物理界，特别是核物理界对这一发现大多持怀疑态度。在意大利埃里斯“世界研究室”1989 年 4 月 12 日召开的首届国际冷聚变讨论会上，学者们提到的几方面问题最具有代表性。几年来，冷核聚变的理论与实验研究也始终围绕着这些问题进行着。

①关于冷聚变的热效应

庞斯和弗莱希曼实验最引人注意的结果是，重水电解过程中所产生的大量的热。输出的热竟然比输入能量高出 4 倍，每立方厘米的钯能产生 10

瓦以上的功率，放热效应能持续 120 小时以上。他们认为，不能不把这些能量的释放归结为核聚变的结果。然而，任何一个对核物理稍微懂行一点的人，都会感到疑惑，为什么所观测到的中子数却与如此强的热效应不相符合呢？如果这个热效应确实是由氘-氘聚变反应引起，相应的中子产率应为 1013/s，而在实验中却只观测到 104/s。对这一问题，反对者们的意见很强烈，支持者们却给予了种种方式的解释。例如，麻省理工学院的彼得·里格尔斯坦，X 射线激光的发明者，提出了一种解释，他认为，氘-氘聚变产物是激发态氦，它的能量被传送到钯晶格生热，只有少量的激发态氦-4 分裂成氦-3 和中子。庞斯在 1989 年 4 月 17 日又通过新闻发布会宣称，他们已经从电解池中测量到了大量的氦-4，其产率为 1012/s，与观测到的热相

匹配。然而，加州理工学院的路易斯却认为，这一含量与空气中含量相似。

因为实验中用氦作冷却剂，周围空气中的氦未除净，所以庞斯测到的氦-4 是来自环境空气。

②关于与普通水对比实验的争论

在意大利埃里斯召开的首届冷聚变讨论会中，不少科学家提出，为什么庞斯和弗莱希曼的实验只用重水不用普通纯水。庞斯投向英国《自然》杂志的文章也因为没有给出普通水对比的实验数据而被退回。庞斯后来用普通水做了对比实验，只产生很少的热。同样，德克萨斯 A＆M 大学研究小组以及斯坦福大学的哈里斯等人也都证明，他们在普通水的实验中，只观察到极少，甚至没有热效应，对这一现象仍不能做出很好的解释。③关于γ射线的测量聚变反应的证据除了强热效应就是中子产物，而产生中子的证明又与γ射线直接相关。庞斯与弗莱希曼指出，他们在 2.22MeV 附近， 测量到了γ射线的能谱峰值，认为这是氘-氘聚变产生的 2.45MeV 的中子与溶液中质子的聚变反应生成的，从而证明了反应物中子的存在。然而，一些研究小组对此提出质疑，例如，麻省理工学院研究小组指出：①庞斯和弗莱希曼所观测到的γ峰宽度仅只是仪器分辨率的一半，这是不可能被测到的；②中子与质子反应所产生的γ射线，应该在 1.99MeV 附近，有一个康普顿边峰；③在由γ射线的强度计算中子产率上也有错误，计算值比应有值大了 50 倍；④根据电视录下的γ射线谱图估计，γ射线峰应在2.25MeV位置上，而不是 2.22MeV 上。根据上述理由，他们认为，庞斯和弗莱希曼实验中所谓γ射线很可能是一个假信号。多伦多大学研究小组则认为，庞斯和弗莱希曼实验中的γ射线是氡衰变产物铋释放出来的。因为氡一般在地下室存在，庞斯和弗莱希曼的实验正是在地下室进行的，犹他州又有较多的铀矿，氡在地下环境中含量较大。

④关于中子的测量

庞斯和弗莱希曼宣称，他们是用三氟化硼中子测试仪测量冷聚变中子的，中子产率为 4×104/s。然而大多数研究组却指出，他们所做的实验却没有测到或测到极少的中子。例如，布鲁克海汶国家实验室和耶鲁大学联合研究组在 7 天内只测到 2 个中子。一些小组还指出，三氟化硼测试仪对温度很敏感，重水电解时，又使周围的温度、湿度发生变化，因此，不适宜用它对冷聚变中子进行测试。1989 年 5 月 7 日在洛杉矶召开的第 157 届美国电化学学会春节年会上，庞斯和弗莱希曼也承认他们在测试γ射线和中子产率上有错误，原因是测试仪上出了问题。

  1. 关于μ子催化冷聚变研究

还有一种冷聚变设想，认为μ子催化可引起常温下核聚变发生。

早在 1948 年，中国物理学者张文裕利用多层薄膜的云雾室研究宇宙射线与物质相互作用时发现，在μ-粒子低速穿透物质时，受到原子核的正电吸引，被俘获后，代替电子绕核旋转，形成μ子原子。正是他们的这一发现，导致了关于μ子催化冷聚变的设想。一些著名物理学家，例如英国的夫兰克（F.C.Frank）和前苏联的萨哈罗夫（Sakharor，Andrey Dmitriyevich 1921～）曾预言，在生成μ子原子时，μ-还可能催化引起核聚变反应，而无需用高温等离子体。他们认为，把μ子注入氘气，所形成的μ子氘原子在与氘核接近时，由于前者电中性，不受核库仑斥力，因而可能进一步形成“μ子分子态离子”。在通常的氘气中，两个氘核平均距离为 0.74Å， 发生氘-氘家聚变反应的速率极小，但是在“μ子分子态离子”中，由于μ 子质量是电子的 212 倍，两个氘核结合要紧密得多，平均距离将相应减小

为原来的二百分之一，这就使聚变反应速率提高了 80 个数量级，因而有可

能实现冷聚变，这就是μ-子催化核聚变的思想。

在实验上，首次发现μ-子催化核聚变现象的是加州大学伯克利实验室的阿尔瓦雷茨（Alvarez，Luis Walter 1911～）。1937 年，阿尔瓦雷茨从芝加哥大学获得博士学位。二战期间从事原子弹与雷达方面的工作。在加州大学伯克利实验室工作期间，曾利用格拉泽（Glaser，Donald Arthur 1926～）在 1952 年研制成功的气泡室（格拉泽因此项发明获得 1960 年诺贝尔物理学奖）测定出大量寿命极短的共振粒子。为解释这些共振粒子的存在，导致美国物理学家盖耳曼（Gell-Mann，Murray 1929～）和以色列物理学家尼曼（Ne′eman，Yuval）几乎同时独立地提出关于重子分类的理论。由于在粒子物理方面所做出的决定性的贡献，以及在发展气泡室和数据分析技术的应用中所发现的大量的共振态，阿尔瓦雷茨获得 1968 年诺贝尔物理学奖。盖耳曼也因对基本粒子相互作用及分类方面的贡献而获得1969 年诺贝尔物理学奖。1957 年，阿尔瓦雷茨研究组在伯克利实验室利用液氢气泡室，研究了 K 介子相互作用。当时 K 介子束流的质量较差，混有大量的μ子，然而，正是这些不受欢迎的μ子，导致了惊人的发现。在实验中，π-介子衰变为π-→μ-+ ν，反应中释放的μ子应该具有 4.1MeV 的能量。令人惊异的是，阿尔瓦雷茨观察到所释放的μ子出奇地具有相同的能量，即都是 5.4MeV。这实际上是μ- 子诱发质子-氘的聚变反应。当μ- 在液氢中慢化至能量只有几个电子伏时，先形成μ-氢原子，μ-+H→（P? ）

+e，由于液氢中含有氘分子，随后μ-转移到氘上，形成μ-氘原子（p? ）

+d→（d? ）+p0（d? ）与氢原子相碰，形成（pd? ）分子，μ子比电子重约200 倍，使μ-束缚的分子（pd? ）尺寸很小，两个核非常接近，容易发生核聚变反应，（pd? ）→3He + μ-+5.4MeV，所释放出来的μ-重新再引起新

的一轮核聚变反应。由于μ-起到了像化学反应中催化剂那样的催化作用， 称这类核聚变为μ子催化核聚变。μ子催化核聚变的发现，曾一度燃起人们的希望，但美国普林斯顿大学杰克孙研究的结果却给人们泼了一盆冷水。1957 年，杰克孙作出估算，μ子的寿命为 2.2×10-6s，它一生中只能催化 100 次核聚变，获得的总能量输出最多只有 2GeV，但是若用加速器束流来输入能量，每产生一个μ-子，得需要 10GeV 的能量。这表明，输入要大于输出。如果再计入核聚变释放的核能转换电能使用的其它能量损失， 输出的有效能量就会更小，显然用μ子催化核聚变方式，解决人类能源匮乏的问题还有许多问题有待解决。

70 年代末，又有一个新的理论预言，在氘-氚混合体中，有可能完成快速的μ子催化核聚变。1982 年，美国洛斯阿拉莫斯介子物理实验室在氘

-氚混合体中观察到了每个μ子催化的聚变反应平均达 150 个，聚变产额甚至超过了理论预期值。尽管机制还不很清楚，这个结果却又重新激起人们对μ子催化核聚变的希望。目前，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室、英国卢瑟福-阿普尔顿实验室、加拿大三所大学的介子实验室及日本的高能物理实验室正进行此项研究。μ子的半衰期太短，尽管由它催化的核聚变反应离实用还太远，μ子催化实验却给人们以有益的启示，即启发人们寻找寿命更长、带负电且质量较大的准粒子，以进行大规模的催化聚变反应，这一课题已成为当前受控核聚变研究的热点之一。