今年早些时候,致力于资助先进能源研究的美国政府机构ARPA-E宣布为一个被称为“低能核反应”(LENR)的领域提供少量资助。大多数科学家可能没有注意到这个消息。但是,对于他们中的一小部分人来说,这一声明证明了他们的专长:冷聚变。
冷聚变,被其实践者称为LENR,是一门使原子核融合并在理想情况下利用所产生的能量的科学,或者也许是艺术。所有这一切都发生在“传统”核聚变所需要的数百万度的高温下。在一个梦想的世界里,成功的冷聚变可以为我们提供无限的清洁、容易获得的能源。
尽管听起来很诱人,但在过去的30年里,冷聚变在很大程度上已经被科学界最臭名昭著的争议之一所遗忘,1989年,两位化学家声称实现了无人能复制的壮举。目前还没有普遍接受的理论支持冷聚变;许多人仍然怀疑这是否可能。但那些从事LENR研究的物理学家和工程师们认为,新的拨款标志着他们的领域在几十年的荒芜之后得到了认真对待。
乔治华盛顿大学(George Washington University)的工程师大卫?内格尔(David Nagel)认为:“它有一个糟糕的开端,名声也不好,然后,在这中间的几年里,证据越来越多。”
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点燃核聚变需要把原子的心压在一起,产生更大的原子核和能量之泉。这并不容易。原子核内的质子使原子核带正电荷,带同种电荷的原子核相互排斥。物理学家必须迫使原子碰撞在一起。
通常,打破这个极限需要巨大的能量,这就是为什么自然发生核聚变的恒星和地球上的实验达到极端高温的原因。但如果有另一种温度更低的方式呢?
自20世纪初以来,科学家们一直在将这些方法理论化,他们发现了一些乏味、效率极低的方法。但在20世纪80年代,两位化学家认为他们已经使一种方法取得了巨大的成功。
马丁·弗莱希曼(Martin Fleischmann)和斯坦利·庞斯(Stanley Pons)二人组将贵金属钯放在重水中:重水是H2O的一种形式,其氢原子有一个额外的中子,这种形式被称为氘,通常用于核科学。当弗莱希曼和庞斯接通电流并使其运行时,他们开始看到突然的热峰值,或者他们声称的,以及中子之类的粒子。
根据他们的说法,这些热峰值和颗粒无法用任何化学过程来解释。可以解释这些现象的是重水的氘核发生了聚变,就像在恒星中发生的那样。
如果弗莱希曼和庞斯是对的,核聚变可以在室温下在相对基础的化学实验室中实现。如果你认为这听起来好得令人难以置信,那么你并不是一个人。当他们在1989年宣布他们的结果时,随之而来的是现代科学史上最壮观的风暴之一。一个又一个科学家试图重现他们的实验,但没有人能可靠地复制他们的结果。
空中飞行员庞斯和弗莱希曼被认为是骗子。他们是化学家,试图在一个由物理学家主导的领域留下印记,这可能没有帮助。不管他们看到了什么,“冷聚变”发现自己处于受人尊敬的科学边缘。
尽管如此,在黑暗中,LENR实验仍在继续。(一些研究人员尝试了弗莱希曼和庞斯主题的变体。其他国家,尤其是日本,则寻求通过将放射性同位素转化为危险性较低的同位素来清理核废料。)一些实验显示了一些奇怪的现象,比如过热或α粒子——如果原子核在幕后反应,这些异常现象可能得到最好的解释。
麻省理工学院(MIT)研究生、智库突破性研究所(Breakthrough Institute)分析师乔纳?梅辛格(Jonah Messinger)表示:“由于所有参与者的坚定信念,LENR领域奇迹般地活了下来,并在过去30年里一路前行。”
Fleischmann和Pons的致命缺陷——他们的结果不能被复制——继续给这个领域蒙上阴影。甚至后来一些看似成功的实验也无法复制。但这并没有阻止LENR目前的支持者。麻省理工学院的核科学家Florian Metzler说:“科学一直存在可重复性问题。”
在没有官方大力推动的情况下,私营部门为LENR提供了大量支持。例如,在2010年代末,谷歌在冷聚变研究上投入了数百万美元,但收效甚微。但政府资助机构现在开始注意到这一点。ARPA-E项目加入了欧盟的HERMES和CleanHME项目,这两个项目都于2020年启动。(梅辛格和梅茨勒是麻省理工学院一个团队的成员,该团队将获得ARPA-E拨款。)
按照其他能源研究基金的标准,没有一项拨款特别令人瞠目。欧盟项目和ARPA-E项目各耗资1000万美元左右,与美国政府计划达县职业高级中学在2023年投入10亿多美元用于主流核聚变相比,这是微不足道的。
但它的支持者说,这笔钱将用于重要的方面。该领域有两个紧迫的优先事项。一种是用一篇高质量的研究论文来吸引人们的注意,这篇论文清楚地表明了一种异常现象,最好是发表在像《科学》这样的知名期刊上。“我认为,这样一来,就会有大量的资源和人员涌入,”梅茨勒说。
第二个长期目标是解释冷聚变是如何工作的。就科学家们今天所理解的物理定律而言,对于为什么会发生冷聚变,并没有一个一致的答案。
梅茨勒并不认为这个悬而未决的问题是个问题。他说:“有时人们会提出这样的论点:‘哦,冷聚变与现有的物理学相矛盾’,或者类似的东西。”但他认为,核物理学中还有许多未解之谜,尤其是对于更大的原子。“当涉及到核系统时,我们有大量的无知,”他说。
然而,其他专家认为,答案将带来重大好处。Nagel说:“只要它还没有被理解,科学界的很多人就会被推迟。”“他们不愿意对此给予任何关注。”
当然,冷聚变完全有可能是一种幻觉。如果是这样的话,那么ARPA-E的拨款可能会给研究人员更多的证据,证明那里什么都没有。但也有可能在幕后起作用。
而且,LENR的支持者说,弗莱希曼和庞斯的传奇故事现在正在消退,因为年轻的研究人员进入了这个领域,对1989年没有记忆。也许这将最终使LENR从这对望远镜的阴影中脱颖而出。“如果真的发生了核异常,”Messinger说,“我希望更广泛的物理学界愿意倾听。”
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