Is There Anything Left in the Dream of Cold Fusion?

引言

冷聚变——这个想法我好久没想起过了。2026 年春天，它重新进入我的视野。我写了一篇关于科学家倾向于规避风险的文章，剑桥大学三一学院的哲学家 Huw Price 在 Bluesky 上回应了我，引用了他与人合写的一篇关于冷聚变研究态度的论文。他认为，科学家不仅对冷聚变过分排斥，甚至对"他们过分排斥冷聚变"这一批评也不肯承认。仿佛为了证明他的观点，一家期刊刚刚拒稿了他的论文。我一直很欣赏 Price 关于时间与因果本质的研究，于是来了兴趣。

1989 年冷聚变争议爆发时，我正背着包在野外旅行，与外界断了半年联系。（那个年代还可以这么干。）等我补上新闻，事情已经尘埃落定。那年 3 月，两位化学家召开新闻发布会，宣布了一个简单的桌面实验：它释放的能量远超普通化学反应所能达到的水平。他们断言这必然是核反应——氢核聚变生成氦。这意味着无限、清洁、廉价能源的诞生。物理学家震惊了：在如此简陋的条件下，这种事本不该发生。政客们也纷纷宣称能源难题就此终结。然而随后，全球各地的实验室试图复现实验，全都失败，一场声势浩大的批驳随之而来。整场风波只持续了几个月。我没亲历那段过程，又天性偏爱唱反调，起初还挺同情那几位孤胆科学家。但后来我读到他们犯下的种种低级错误：篡改关键图表、威胁起诉质疑者。那些最初佐证了结果的实验相继被撤回，其中一起还曝出了人为掺入伪造聚变产物的迹象。

冷聚变虽然是个病态案例，但聚变整体上一直是梦想的坟场。我是伴着它唤起的梦想长大的。不管是在室温下发生——就像冷聚变事件本该做到的那样——还是在相当于太阳中心的温度下发生，比如传统的热核反应堆（和核弹），聚变都不需要露天开采（和处理）铀矿，也不需要护送油轮通过霍尔木兹海峡。理想情况下，你只需要一点海水就够了。出于着迷，我曾根据《Make》杂志的一篇文章，在自家地下室造了一台“聚变器”（fusor）。聚变器是真实存在的东西，也是唯一靠谱的桌面级聚变技术。它靠高压产生高温等离子体，让原子核相互碰撞。我的那台没能实现聚变，但只要继续改进其实可以做到——只是产出的功率微乎其微。我很喜欢向客人展示它发出紫光的等离子体，但对聚变了解越多，我内心的幻灭感就越深。几年后，一位在私人聚变公司工作的朋友带我参观了一座真正的实验性聚变反应堆。它结构复杂、造价高昂——便宜就算了。它会释放强烈的致命中子辐射——清洁也算不上。它还需要氚燃料，而这种东西自然界里不存在，必须人工制造——一点海水就够了，也就别想了。

那么，像 Price 这样一位正经的哲学家，怎么会卷进这样一桩生意？在 Zoom 采访时他告诉我，他的兴趣可以追溯到 2011 年。当时他和其他一些知名人士正在酝酿成立存在风险研究中心（Center for the Study of Existential Risk）。这个研究团队关注核冬天、 engineered 生物武器、大规模火山喷发和人工智能接管——早在这些话题变得时髦之前，它就敲响了警钟。Price 告诉我，他在末日场景和冷聚变之间看到了相似之处：它们看起来都不太可能，研究它们显得孤独甚至边缘，但一旦成真，后果极其巨大，所以我们理应给予比表面看来更多的重视。

我向来主张开放的心态，但 Price 的论点让我不安。世界上肯定还有上千种同样可疑的异常现象，如果它们是真的，也照样能改变世界，为什么偏偏盯住冷聚变不放？我们今天还在谈论冷聚变，唯一的理由就是 1989 年那场骗局。最初的谎言造成了一种心理锚定效应，让我们去考虑一个本来根本不会认真对待的可能性。这就好比我说在后院看到了大脚怪，随后承认是撒谎，结果人们却照样年复一年在附近开神秘动物学大会。一个谎言居然能催生出一整套学术研究项目，让我觉得难以接受。这和反疫苗运动有什么区别？那场运动同样始于伪造的数据，真相大白后就该偃旗息鼓才对。

但既然已经掉进这个兔子洞，我索性继续往下挖。Price 建议我去找 Matt Trevithick 聊聊。

Trevithick 是帕洛阿尔托一家风险投资公司 Leitmotif 的联合创始人。我平时不跟风投打交道，但很快发现他的思路和 Price 一致：他想开启聚变时代，并支持各种可能实现这一目标的技术。谈话中，他还带着典型的硅谷习惯，一口一个“George”地称呼我。

十年前，Trevithick 还在 Google 工作时，组织了一个重新评估冷聚变的项目，最终在 2019 年发表了一篇 Nature 论文。项目没有发现任何意外的核反应或其他异常，但这并非唯一目标。Trevithick 说，1989 年的溃败给某些研究方向蒙上了阴影，而这些方向未必该被轻易否定。比如，冷聚变研究者在实验中使用了钯，这种金属能像海绵一样吸收氢气，能力十分神奇——即便它因为被牵扯进一场科学闹剧而蒙羞，这份神奇也不会打折。Trevithick 想打破这一禁忌，他说项目最终产出了 28 篇关于氢化金属及其他现象的学术论文。“George，”他说，“我们为一个领域洗刷了污名。”

于是我翻阅了那篇 Nature 论文的参考文献，查了几个以前没怎么留意过的话题。最吸引我的是 μ 子催化聚变（muon-catalyzed fusion）。我认出来了，这正是“冷聚变”一词在 1989 年那两项研究把它抢走之前的原始含义。深入了解后，我发现物理学中有一个相当活跃的 研究项目，专门制造各种奇特的原子和分子，有时尝试让它们聚变，但更广泛的目标是探索新的自然基本定律。

鉴于冷聚变名声不佳，我有些警惕，便向几位信任的物理学家请教。其中一位是罗马附近意大利国家核物理研究所的 Cătălina Curceanu。三年前我曾拜访过她，参观她检验量子力学基础的实验。她温和地提醒我，当年她就跟我讲过奇异原子，只是我光顾着关注她的其他工作，没有追问下去。“那是一个有待发现的完整世界，”她说，“有时我管它们叫‘转基因原子’，不过后来我不这么叫了，你懂的。”

μ 子催化聚变背后的核心想法很简单。普通原子由带正电的原子核和围绕它的带负电的电子组成，但围绕原子核的未必非得是电子，其他带负电的粒子同样可以胜任。在粒子物理的 标准模型中，电子有一个叫 μ 子的“兄弟”，可以顶替它的位置。物理学家还换入过其他家族的粒子，比如 K 介子、π 介子和 Ξ 重子，甚至造出物质与反物质的混合体——含质子的原子核外围绕着带负电的反质子。总之，你可以有普通的氢、μ 子氢、K 介子氢、反质子氢，等等。

“这就像一张全新的元素周期表，”位于科罗拉多州博尔德的美国国家标准与技术研究院（NIST）的实验物理学家 Daniel Swetz 说。他建造超高精度探测器，用来测量这些奇异原子发出的辐射。“你几乎是在三维空间里把它扩展出来。”

这些奇异原子的主要区别在于，替代电子的粒子要重得多。μ 子的质量是电子的 207 倍，反质子则是 1800 倍。根据量子力学，任何物体本质上都具有波动性，质量越大，波长越短。因此， Depending on the chemical isotope, μ 子原子的尺寸最多能缩小到普通原子的 1/207，反质子原子最多能缩小到 1/1800。物理学家想直观说明原子尺度时，常把原子核比作一颗弹珠，把整个原子比作环绕弹珠的足球场。而在反质子原子里，原子不再是足球场，只是一颗足球。

“整个系统坍缩了，”巴黎 Kastler Brossel 实验室的物理学家 Nancy Paul 说。她正在探索用更重的带负电粒子把原子压缩得更小。“在物理学里，尤其是如今，能遇到一个前人从未涉足的领域，实在太难得了。”

原子缩小后，其内部的电场会显著增强。根据库仑定律（即电学版的牛顿万有引力定律），电场强度与距离的平方成反比。因此，在 K 介子原子或反质子原子中，电场强度会放大一百万倍。这为现代物理学的核心支柱之一——量子电动力学（QED），即电磁作用在量子层面的行为——提供了一场极限压力测试。“这是实验室里能造出的最强库仑场，可以用来检验 QED，”Paul 说。

实际上，这种电场强度已经突破了所谓的 Schwinger 极限——超过这个阈值，量子效应会变得疯狂，真空空间不再稳定，粒子会凭空自发产生。Curceanu 说：“你是在用强场‘煮沸真空’。”物理学家早在上世纪 30 年代就预言了这种粒子沸腾现象，但至今尚未直接观测到，不过他们借助奇异原子观察到了与之密切相关的现象。2026 年春，Curceanu 和同事利用处于超过 Schwinger 极限电场中的 kaonic fluorine（含 K 介子的氟原子）实现了这一观测。 缩小后的原子还为深入基础物理的其他领域打开了一扇窗。muon、kaon 或其他替代电子的粒子绕核轨道极近，因此能敏锐感知原子核的内部结构。2019 年 质子半径的测量正是这样完成的。原子核就像一颗微型行星，可以分层，外层可能有由中子构成的“壳”。Paul 说：“这就像一台绝妙的显微镜，让我们看清中子壳里到底发生了什么。”缩小原子或许还能让研究者捕捉到全新的物理现象，比如偏离牛顿引力，或 Standard Model 之外粒子的存在。Curceanu 说：“我们在极高精度的极限下探索未知物理，它与极高能实验形成互补。” 就连制造这些原子的方式，也颠覆了粒子物理的惯常思路。CERN 的旗舰装置 Large Hadron Collider 是把粒子加速到接近光速来引发高能对撞，而 Paul 的团队却依赖一台不那么出名的设备——Antiproton Decelerator——把粒子减速到极慢，让它们得以钻进原子内部，而不是把它们撞碎。某种意义上，这反而更难。参与研发这台减速装置的 CERN 实验物理学家 Lars Jørgensen 说：“加速比减速容易。”

他花了一个小时给我讲解整个流程的各个阶段。系统先制造出反质子，再逐步消耗它们的能量。有些阶段作用于整团粒子使其减速，另一些则在粒子团内部起作用，防止它们扩散。其中一项技术是向真空腔中注入大量电子，像冰块降温一样冷却反质子。磁场和极端真空——真空度高到没有任何压力计能测出来——确保反质子不会过早碰到普通质子，否则两者会一同湮灭。2021 年，CERN 启用了 ELENA（Extra Low Energy Antiproton ring，超低能反质子环）来完成最后的减速。制造并减慢μ子等其他电子替代品则相对容易，因为它们不存在湮灭问题。

到这一步，把这些粒子塞进原子就简单了。原子对待自己的电子其实相当马虎，会因为各种原因把它们弄丢。奇异原子的形成正是利用了这一点——只不过丢掉的电子由一个外来粒子顶替。如果原子原本处于最低能态，新来的粒子会立刻定义一套全新的能级，就像消防梯突然降了下来。原子沿着新能级逐级下落，过程中甩掉剩余的所有电子，并释放出一连串 X 射线。

原子最终会再次稳定下来，但好景不长。在反质子原子里，反质子会进入一个紧贴原子核的轨道，与核发生湮灭。在其他类型的奇异原子中，电子替代品则很快衰变。μ子只能存活 2 微秒，其他粒子存在的时间更短。但就在这些短暂的寿命里，奇异原子甚至还能形成短命的分子。

我是从日本中部大学的物理学家 Shinji Okada 那里听说这些研究的。2026 年春天，他的团队使用 Swetz 的探测器和日本质子加速器复合设施（J-PARC），测量了μ子氢分子的结构——其中的氢为氘同位素。这是人类首次直接测量这类分子发出的 X 射线。当这些 μ 子原子被轰入由两个普通氢原子组成的分子中时，它们会嵌入分子内部，并“吞并”其中一个氢原子。Okada 把 resulting 的结构称为“套娃分子”——一个奇特的分子嵌在一个更大的普通分子内部。 这就把我们带回了最初引发我思考的那个想法：μ 子催化聚变。在其他实验中，当这种奇特分子达到最终构型时，它足够紧凑，两个氢原子几乎瞬间就会发生聚变。这个过程在室温下进行，从某种意义上说确实是“冷”的，但它与 1989 年的那次实验截然不同——最关键的是，它真的会发生。μ 子通常会被释放出来，去制造一个新的奇特原子，重新开始循环；也就是说，μ 子扮演着催化剂的角色，像核世界的媒人。如果它能重复这一过程 300 次以上，产生的能量就会超过消耗的能量。大多数物理学家不相信能达到 300 次，但 Okada 表示，他和团队并没有完全排除这种可能。即便达不到，聚变反应释放出的粒子也可以被收集起来，用于合成医用同位素或处理裂变反应堆的核废料。“即使无法实现能量收支平衡，μ 子催化聚变也可能有用，”Okada 说。 这一点很重要，因为尽管物理学家早在 20 世纪 50 年代就观察到了 μ 子催化聚变，但研究它的人寥寥无几，只把它当作一个无足轻重的奇闻。不能发电，那它还有什么用？近年来最主要的发展，并不是在 μ 子循环利用上取得了突破，而是人们认识到：我们根本不需要这样的突破。

我认为这对评估科学进展有普遍的启发意义。登上头条的东西——能源取之不尽！人类得救了！——恰恰不该是你关注的重点。你应该问的是：即使主要结论落空，这个研究项目还有意思吗？它是押注在单一结果上的一场孤注一掷的赌局，还是通往更广阔科学领域的入口？

1989 年公之于世的冷聚变没能通过这个检验。那两位化学家从没说清楚，就算他们的实验不能带来拯救世界的能源，它本身为什么仍值得关注。这个任务直到 30 年后才由 Trevithick 完成——他的项目表明，冷聚变类型的实验如果按其自身价值认真研究下去，可以揭示出引人入胜的材料特性。

μ子催化聚变则通过了这个检验，因为即使这些奇异原子和分子永远发不出一度电，它们也丰富了我们对宇宙的认识。和我交流的科学家们显然不是被名利驱使，而是出于好奇心和惊奇感。“这难道不令人惊叹吗？”Okada 对我说，“原子物理、分子物理和核物理汇聚在同一个反应循环里。正是这种相互作用深深吸引了我。”