如何看待 Nature 发文《再探冷核聚变悬案》？

以下内容部分整理自《再探冷核聚变悬案》^[1]一文，水平有限，理解有误的地方还请指正。

背景简介：

由于原子核都带正电，他们发生核聚变需要克服很强的库伦斥力，因此核聚变通常需要上千万摄氏度的高温，通过热运动来克服这个斥力发生反应。

冷聚变这个词火起来是在1989年，当时有人在用钯电解重水的过程中，观察到了异常高的能量产出。因此他们认为钯能够在常温下诱发核聚变，又称冷聚变。

该研究一经发表，全世界的相关科学家都进行了跟进（这要是真的可是一次能源革命啊，能不跟么）。不幸的是，几乎没有人能重复出冷聚变的结果。后续分析认为可能是仪器误差以及计算错误导致的乌龙。

由于缺乏可重复性（这恰恰是科学结论的必要条件），冷核聚变这个方向很快就被打入冷宫。不过，在2004年，美国能源部又觉得之前的决定略草率，打算对一些还有争议性的问题重新评估。

为什么要《再探冷核聚变悬案》？

Nature上的这篇文章，让我想起了电影《僵尸世界大战》中的第十人制度。

在该电影中有一个十人智囊团。如果在某个事件中，前九人都给出了相似的结论，那么第十人要做就必须从相反的方向，考虑另外九个人都错了的特例。

得益于该制度，他们才能在所有人都未曾警觉的情况下察觉到僵尸病毒的爆发，为建造防御工事预留了充足的时间，挽救了不少人的生命。

Nature同时上线的一篇评论^[2]中有一句话：absence of evidence is not the same as evidence of absence，即证据的缺乏不代表否定，也有可能是我们研究的不够全面。《再探冷核聚变悬案》这篇文章和第十人制度有点像，其实就是用更加先进精确的仪器，以批判的目光，重新评估冷核聚变中还未完全弄清楚的问题。

他们指出，之前的研究的确有很多不全面或者不足的地方，需要用现代科技进一步分析。为此，在他们的研究当中，他们发展了更加先进的探测手段，这些探测技术本身就是很重要的成果，能够更加准确的测量极端环境下的物理性质，对很多其他领域的研究都能起到帮助作用。

另外，虽然该研究目前的结果仍然不支持冷核聚变这一结果，但他们认为，目前的结果也还不足以盖棺定论，还有许多领域仍然是无人涉足的知识荒漠。关于冷聚变的研究，很可能会从我们未曾考虑到的角度上，开启材料学或是其他领域的新大门。

另外，考虑到目前越来越高的二氧化碳浓度，我们对清洁能源的渴望愈发强烈。而寻求新的突破总是有失败风险的，但如果有风险便止步不前，科学就很难进步。

《再探冷核聚变悬案》一文具体讲了什么？（干货预警，非战斗人员请点赞后撤离）

1989年后的冷核聚变研究中，还未完全弄清楚的问题大致有三个，这也是这篇研究的重点，咱们一个个来看吧：

1、研究声称，产生冷核聚变，需要往金属钯中溶解超高浓度的氢同位素（H/Pd>0.875），但截至今日，我们对钯中溶解超高浓度氢的性质知之甚少。

将钯暴露在氢气下，我们可以轻易的获得H/Pd=0.7的浓度，但想要将这一浓度进一步提高的代价却非常高昂。目前有记载的最高浓度为1.33，但达到这一浓度需要上万个大气压的高压氢。一方面，达到这么高的气压并不容易，另一方面，目前的研究发现，以往的测量手段或许会高估H浓度，因此以前测得的H浓度数据实际上还要更低（实际上，图中的1.33并不是提高了H的密度，而是通过形成空位，降低了25%的Pd密度，这才使得H/Pb比例较高）。

因此，实验上高浓度的H/Pd的相关数据非常少。而科学是讲证据的，我们需要将研究扩展到高浓度区域，才能得出冷聚变是否可行的结论。

2、极端环境下的精确测量能力不足

冷核聚变发生的一个重要判据便是“异常高的热量产出”。但极端环境下精确测量反应产热是比较困难的（这可能也是1989年冷聚变乌龙的罪魁祸首）。

本文的研究中，他们精心设计了能在1200摄氏度和33个大气压下工作的热量计。通过更加精确和系统的测量，他们发现在目前的研究范围内，热量输入和输出基本上一致，并未观测到“异常高的热量产出”。

3、低能区域的聚变反应数据稀少

高能原子核间的核聚变，可以简单的理解为两个带正电的点电荷的碰撞。

但如果原子核的能量比较低，不足以完全摆脱电子。那么原子核之间的斥力便会部分的被电子中和/屏蔽，从而降低核聚变发生的难度。

理论上，这一屏蔽效应对低能（如<2 keV）的原子核尤为重要，甚至能将氘-氘反应的概率提高100倍，对冷核聚变的意义不言自明。

但不幸的是，由于低能粒子的聚变速率较低，实验测量较难，低能区域的数据十分稀少，因此也带来了许多不确定性。

在本项研究中，研究人员通过高通量的等离子辐照，拓展了实验测量的能量下限。但目前的结果并没有观察到明显的聚变增强（氚产出）。

相关阅读：钢铁侠为什么用钯元素做第一代方舟反应堆？

参考

1. ^Revisiting the cold case of cold fusion https://www.nature.com/articles/s41586-019-1256-6
2. ^A Google programme failed to detect cold fusion — but is still a success https://www.nature.com/articles/d41586-019-01675-9

大体上看了一下，也看了诸位的回答，尤其是 @小侯飞氘 和 @George Gabriel 的回答。两位的回答更多是的是从物理学上对冷核聚变相关理论的探讨，这里我补充一个材料学上关于冷核聚变现象的一些实验和争论。

在上世纪90年代，随着对材料辐照损伤效应的研究，陆续报道出了一些涉及到冷核聚变的问题。其中一个方向是200keV或者更高能量的电子轰击注入Al中的H或者D产生”冷核聚变“。由于本人不是核物理方向，详细的过程就不班门弄斧了，感兴趣的同学可以看一下 鎌田耕治（日本核融合科学研究所）的这篇文献：

Kamada K. Electron Impact H-H and D-D Fusions in Molecules Embedded in Al I. Experimental Results[J]. Japanese Journal of Applied Physics, 1992, 31(1).

既然涉及到了电子束轰击，那么很容易就会联想到TEM，在上世纪90年代，加速电压为200keV的TEM并不罕见，因此使用如果使用TEM的电子束轰击注入H、D等气体的Al样品会怎么样呢？这就引出了另一个实验”实锤“

1996年，同样由鎌田耕治报道了注入D和H的Al在TEM的电子辐照下发生了异常放热现象。这个实验设计的很巧妙（尽管有漏洞，下面会说）：使用TEM的电子束去轰击注入D或H后在Al中形成的D和H气泡，鎌田耕治发现注入D的Al样品在电子束轰击后产生了多晶化，即原先单晶的Al晶体出现了多晶环，而注入H的样品则没有这样的现象。鎌田耕治将Al多晶的产生归结于D-D核聚变引发的放热过程，产生的热量导致Al局部融化，从而形成多晶。

这个实验巧妙就巧妙在解决了微小热量不宜测量这个大问题，作者选用的材料非常合适，用Fe等高熔点金属通常是无法观测到多晶环的，而用Mg等更低熔点的金属则在200keV电子辐照下样品就会出现大量的变形、多晶甚至非晶化，甚至在TEM下甚至能看到样品近似“沸腾”的狂暴状态（所以这类样品要用120keV甚至80keV的TEM来看）。

但是缺陷也非常明显，导致多晶化的因素不一定是熔化，就算是熔化也不一定来自D-D核聚变，比如可能是Al氧化、长时间照射导致的沉积、气泡破裂时的能量释放等N种因素。

由于论文年代久远，高质量的图是找不到了，大家凑合看一下吧。下图是鎌田耕治使用TEM的电子束轰击注D样品后，对应区域的SAED图谱的变化。从b-2所示的单晶衍射变成b-1所示的多晶衍射。对照试验中注H的样品则完全没有多晶环的产生。

试验结果还证明产生的多晶环来自D气泡破裂后的黑色产物，如下图所示的TEM明场像和暗场像形貌所示。

客观的来说，该实验还有很多的盲点：

1. Al多晶化的进程非常快，论文描述为几乎“立即”。当然我这里很好奇如果立即产生多晶环的话原始图谱的衍射是怎么记录的......
2. 多晶化和气泡的破裂密切相关，产生多晶环的晶粒就是气泡破裂后的黑色产物。但这里要说明一点，由于TEM明场像是加了物镜光阑的，所以黑色衬度可能是由于这些Al晶粒取向导致的。由于衍射表明Al晶粒的取向是混乱多晶，因此可以假定还有很多未显示的新晶粒。
3. 即使是同一型号的TEM，在不同的操作者手里各种参数也是有不小的变化的，比如束斑、焦距、辐照区大小，更不要说样品厚度、取向什么了......造成的结果是该实验的复现十分困难。

更多内容可以参考相关文献

Kamada K, Kinoshita H, Takahashi H, et al. Anomalous Heat Evolution of Deuteron-Implanted Al upon Electron Bombardment[J]. Japanese Journal of Applied Physics, 1996, 35(2): 738-747.

还有一篇日文的，不知道参考文献格式该怎么写，直接放链接吧

https://www. jstage.jst.go.jp/articl e/jaesj1959/38/2/38_2_143/_pdf/-char/ja

那么问题来了，如何证明或者证伪呢？

简单，直接上实验就行了。D或者H的注入很多地方都能做，TEM也有很多地方都能做，就算当时没有什么手段现在都9012年了难道还没手段吗？

实验结果表明，不仅D气泡能产生多晶环，H气泡、Ar气泡和Ne气泡都能产生多晶环。这就推翻了D-D核聚变导致的异常放热这个结论。

实际上进一步的实验表明，多晶环的产生和Al中气泡的状态相关，如果气泡压力很低（此时气泡呈现多边形状）则不会产生多晶环，只有圆滚滚的大泡泡（卖个萌）才能产生多晶环。产生的多晶环全部通过Al的衍射斑，因而可以排除Al氧化导致的多晶

后来的研究者们暂时将该异常放热现象归结为Al中气泡破裂后导致的异常放热，（大白话是：我们知道这玩意不是核聚变导致的，但是至于为啥来的异常放热，暂时还没有结论，似乎和气泡破裂有关）。之所以将该问题归结于气泡破裂，主要是考虑到声致发光这一现象可能和本实验有类似之处。但也要注意到差别还是很大的，声波是疎密波，而电子波是概率波，此外二者的波长相差N个数量级，这都是后续需要解决的问题。

但是不管怎么说，Al中气泡的”冷核聚变“似乎被证否了。但是我们自己也要注意到一个问题，该实验并不能直接证否”冷核聚变“的可能性，它只能证否Al中气泡在电子束下辐照时产生的多晶环并非来自”冷核聚变“。至于到底是声致发光的微观版还是别的什么因素，还需要进一步实验来检验。

实验文献来自：

总结一下：

现在的实验结果和鎌田耕治的实验结果有很大差别，具体来说：

1. 多晶环不能“立即”产生，而是需要一个孕育期。
2. 多晶环的产生不局限于D气泡，对于H、He、Ar、Ne等气泡也可以产生多晶环。

相同的地方有：

1. 气泡是产生多晶化的必要条件
2. 多晶化看似确实与气泡破裂有关，最起码气泡破裂后多晶化大幅度加强了。

还需要解决的问题：

1. 理论模型仍然是一片空白
2. 实验复现比较困难

我和几个小伙伴们现在仍然在进行这个课题的探究，有了一些新的实验结果，可能会揭示一些规律性的东西，但是暂时还需要更多的复现以增强可信度。如果一切顺利，那么相信很快就会有更深入的研究被报道出来。

回归本题，物理上的东西，证明某个现象存在很容易，但是证明某个现象不存在就很难了。所谓冷核聚变估计也就卡在这里了。

有朋友发给我这个问题，我读了Nature的那篇论文以及连带的两篇评论，决定还是来写点东西。

1989年3月23日，两位电化学家，Martin Fleischmann（南安普顿大学化学系教授，英国皇家学会院士）和Stanley Pons（犹他大学化学系主任），在犹他大学召开新闻发布会，宣称在室温下实现了核聚变反应。他们称在使用钯电极电解重水的过程中观测到了异常的能量释放，而这一能量无法用任何已知的化学反应解释 [1]。

这一结果轰动了世界。

1986年发现的高温超导使得科学界对于意外的科学成果怀有更加开放的态度，而石油危机和全球变暖的背景使得常温核聚变的意义被无限放大。

但在接下来短短的数周内，大多数试图重复这一结果的实验均以失败告终。五月，巴尔的摩，美国物理学会春季会议，物理学家投票表决判处冷聚变死刑。十一月，能源部发布了对于冷聚变的委员会评估报告，完成了官方宣判 [1]。

自此，冷聚变成为边缘科学。

两位当事人均离开了美国。他们于1992年起在法国IMRA实验室（由丰田集团资助）继续进行研究，之后于1995年分道扬镳。Pons放弃了美国国籍，移居法国，极少出现于公开场合。Fleischmann回到英国，晚年受困于帕金森综合症、糖尿病及心脏病，最终于2012年去世 [2]。

2019年，冷聚变事件三十周年。

尽管已被主流科学界所放弃，但在1989年之后，美国、日本、意大利均有政府机构和民间机构在继续进行冷聚变研究，这些研究积累了大量实验数据 [1]。

2003年4月，MIT的Peter Hagelstein教授写信给时任能源部长Spencer Abraham，建议对冷聚变领域进行第二次评估。

2004年的能源部第二次评估报告肯定了该领域自1989年以来取得的巨大进展，但其结论仍然与第一次相似。报告提出了两个可能帮助解决争议的基础科学领域：氘化金属的材料科学，从氘化金属中释放的粒子研究 [1]。

2015年，谷歌投入1000万美元，重启对冷聚变的研究。该研究希望在缺乏可靠科学数据的领域严格测试冷聚变，同时在具有挑战性的实验条件下推广研究方法。

这篇论文的通讯作者之一，Matthew Trevithick，正是谷歌的研究项目经理。

论文进行了三种实验，以验证三条冷聚变领域最具代表性的经验性结论 [3]。

1、高度充氢的金属电极是冷聚变的先决条件

九十年代早期，斯坦福研究所（SRI International）的Michael Mckubre在进行了大量电解实验后提出，只有当钯电极中的充氢值超过一定阈值时才能够观测到异常的能量释放（也被称为“过热”），论文中提到这一阈值是H/Pd=0.875。

这是一个非常高的数值，人们可以在常温常压下轻易地实现H/Pd=0.7，但充入更多的氢则是一项巨大的挑战。研究者采用了电化学手段来完成充氢过程（避免了使用高压氢气），但由于存在氢解吸过程，实验中所有电极所达到的H/Pd均小于0.875（可以稳定实现的H/Pd在0.81左右），但有一个电极达到了0.96。

鉴于无法达到所需的阈值，这一验证无法完成。

2、在氢环境中加热的金属粉末会产生过热

九十年代早期，意大利研究者提出，特定金属粉末在氢气中加热会产生过热。

极端环境下的精确热测量并非易事。研究者设计了一套能够运行在1200度和33个大气压下、测量不确定度小于2%的量热计。实验采取了一系列手段来保证精确性和稳定性，在16个月的时间内，对宣称使用镍粉末和氢化锂铝得到超过10%过热的实验进行了验证。但在所有420组样本中，没有一组显示出过热。

这一验证以失败告终。

3、脉冲式等离子体放电会产生氚和其他异常核信号

九十年代中期，洛斯阿拉莫斯国家实验室的Thomas Claytor提出，在氘气环境中进行脉冲式等离子体放电会产生氚。

在特殊环境下精确测量聚变产物（中子、质子、氚、氦3、氦4、伽马射线）及其能量是一件困难的事情。研究者在实验中引进了多种先进核诊断仪器。实验在氘气中进行脉冲放电，驱动等离子体轰击钯电极（该方法能够比离子束产生更大的通量），在长时间照射（数小时至数周）后使用闪烁计数器对钯电极的测量表明，没有任何氚信号增强的证据。

这一验证亦以失败告终。

我个人对于论文的一些看法。

总体来说，作者表现出了相当程度的谨慎（7页的论文一共引用了88篇参考文献）。

冷聚变实验所涉及到的参数空间（高度充氢的金属、极端环境下的热测量、低能量下的核反应）事实上属于尚未开发的领域，因为冷聚变的标签而将这些领域视为科学禁区本身是不恰当的。

尽管这篇论文并未得到任何支持冷聚变的结论，但它有希望在一定程度上激励其他人重新审视冷聚变实验，并对相关的未知领域作出贡献。

我个人的几点疑问（这部分可以无视）。

以往的实验数据表明，钯电极的生产、制造、处理过程会对最终的实验结果产生巨大影响，这也很可能是该类实验不可重复的主要原因之一。但论文没有对使用的钯电极做过多描述。

从经验性的结论来说，高度充氢的金属电极（H/Pd>0.875）是冷聚变的先决条件，但并不是唯一条件 [4]。论文没有对其他条件进行讨论。

实验对于聚变信号进行了详尽的测量，但忽略了一项重要的检测——核嬗变（nuclear transmutation）。嬗变信号对于仪器误差和本底误差的免疫程度要远优于聚变信号，很遗憾实验没有对钯电极进行这样的检测。

cold fusion这个词最早并不是用来形容我们今天所谈论的冷聚变的，它指的是另一种已被证实的可以在常温下实现的核聚变反应—— 子催化聚变。

子是一种与电子相似的基本粒子，带负电，但质量是电子的207倍。 子替换氢分子中的电子可以使得原子核间距缩小196倍，核聚变概率得到数量级的提升 [5]。

早在上世纪四十年代，Andrei Sakharov（苏联氢弹之父）就预言了 子催化聚变的可能性。1956年，Luis Alvarez首次在实验上观测到了这一现象。Alvarez在1968年获得诺贝尔物理学奖时曾如此描述：“那是一次短暂但令人振奋的经历，我们以为我们一劳永逸地解决了人类所有的能源问题。”

时至今日， 子催化聚变依然面临着两个巨大挑战： 子过短的寿命（2.2微秒）， 粒子捕获（1%的概率被 粒子捕获，停止催化过程）。如同热核聚变一样，人们尚不能实现基本目标：输出大于输入。

在Arthur Clarke的《2061太空漫游》中，人类偶然发现了稳定的 子化合物，并由此制造出了核聚变飞船，最终实现了星际航行。

Fleischmann和Pons之所以采用新闻发布会的方式来公布科学成果其实是有原因的。

上世纪七十年代末，地质学家发现，在海底热泉及火山口等高热流区域附近，氦3含量异常偏高。这一结果引起了一位聚变物理学家Steven Jones的注意 [6]。

Jones在八十年代领导了能源部的 子催化聚变项目，他在当时创造了单个 子在其寿命周期内催化150次D-T聚变的纪录，这个纪录保持至今。

地球内部的氦3只能通过核聚变产生（H-D或D-D），Jones认为正常情况下，地核的温度和压力不足以解释如此高含量的氦3，常温核聚变的研究背景使他做出了一种猜想：地球核心区域金属和高压的存在，通过某种机制，降低了核聚变发生的难度。

Jones随后在BYU（Brigham Young University）开始了使用不同金属电极电解重水的实验研究。

Fleischmann和Pons自费进行的秘密研究开始于1983年，最终他们向能源部提交报告申请资助时意识到了有其他人在做相同的实验（他们报告的评审者正是Jones）。双方以及双方大学的校长进行了会面，达成协议，于1989年3月24日同时将论文提交至Nature。

科学是没有国界的，但专利和所有权是有归属的。最终犹他大学提前一天召开了新闻发布会。

Julian Schwinger（1965年诺贝尔物理学奖得主，量子电动力学奠基人之一）是冷聚变的支持者。

1989年，Schwinger对冷聚变的理论作出了猜想，他将论文投至PRL（物理学顶刊），结果遭到了言辞激烈的拒绝。Schwinger愤怒地退出了美国物理学会（PRL的出版者），他说“用审查制度代替无偏见评议意味着科学的死亡” [7]。

最后是一点个人感受。

人类历史上的每一次科学革命所伴随的都是科学范式的转换（paradigm shift）。

冷聚变，不论其最终命运如何，都代表了一种与当前截然不同的科学范式。

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Cold_fusion

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Martin_Fleischmann

[3] https://www.nature.com/articles/s41586-019-1256-6

[4] Marwan, Jan, and Steven B. Krivit, eds. Low-energy nuclear reactions sourcebook. Vol. 998. Oxford University Press, USA, 2008.

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Muon-catalyzed_fusion

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Steven_E._Jones

[7] https://en.wikipedia.org/wiki/Julian_Schwinger

谢邀。相关论文阅读只读链接→ https://rdcu.be/bFcxE

在科学家宣布发现冷聚变的30年后，一组研究人员选择对冷聚变进行重新审视。《自然》本周在线发表的一篇“观点”文章对该项目进行了首次公开报道。虽然研究并未发现冷聚变的证据，但研究结果可能对其它科学和技术领域具有借鉴意义。

冷聚变在1989年曾被誉为清洁能源的未来，但对这一现象进行可靠、可重复的再现尝试却屡告失败，让冷聚变很快受到了冷遇。对于当时大部分科学家来说，冷聚变研究俨然成了一种禁忌，对这类研究的资助也受到了大量抵制。但是近来，一群科学家开始再探这一科学“悬案”，运用更加现代化的实验室技术搜寻是否有被遗漏的关键证据。

加拿大英属哥伦比亚大学的Curtis Berlinguette和同事想考察在何种条件下，最有可能实现假设所提出的异常热效应和核效应。他们希望能为这场争论补充一些信息；如果真的能发现冷聚变的证据，他们还能为外部审查提供可靠的参考实验。虽然冷聚变至今仍无一个确切说法，但该项目已表明，要达到发生冷聚变的假设条件非常难。这也说明冷聚变现象可能仍在等待被发现，虽然这种可能性越来越渺茫。不过，即使冷聚变最终证实是条死胡同，这方面的研究也能为材料和实验工具带来全新见解，并为其它研究领域所用。比方说，作者提出的用来测量热能微小变化的全新方法有望提高将来各类实验的精密度。作者最后表示，即使冷聚变永远无法实现，对那些声称能支持冷聚变的系统进行研究仍有其意义。