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与爱因斯坦会面后的遗产

73年前,一位年轻的工程师敲开了爱因斯坦家的门,从此他的人生轨迹发生了变化。两人后来的交往中,年轻人提到他在自己实验室里产生了中子,而爱因斯坦给出了一个解释。数十年后,由于一些研究人员想为被认为是科学骗局的冷聚变翻案,他们的讨论才被人翻出。冷聚变如今变成了低能核反应中的冷门领域,他们的疑案至今也悬而未决。但那段有趣的往事,仍值得与读者分享。

撰文 | 刘辛味

 

1947年4月的一天,一位年轻人怀着紧张的心情走到普林斯顿默瑟街112号门前,对他来说这是一个非比寻常的日子。正如被传召面见教皇,这位年轻人接到了当地最著名居民——爱因斯坦的召见,谦卑的参观者来到了物理学的圣彼得大教堂。这次见面改变了他的人生走向,很多年后他的名字——Ernest Joachim Sternglass(1923-2015),与阿波罗11号联系在了一起,他的工作使人们看到了登月直播,后来他投入到了核辐射研究和反核试验的社会活动中,这也使他成为了一个有争议性的传奇人物——当然,这些只是题外话。

那次见面后的遗产,至今仍是疑案。

 

默瑟街112号,从1935年直至去世,爱因斯坦一直住在这里。| 图片来源:James Loesch

 

面见“时空建筑师”本尊

 

那时,Sternglass刚进入海军军械实验室(Naval Ordnance Laboratory)不久,他并没有物理学相关的研究背景,只有电气工程的学士学位。我们很难把这样一个初出茅庐的小子和早已名满天下的爱因斯坦联系起来。事实上,在学术研究之外,身在普林斯顿的爱因斯坦不是一位孤独的老人,更像是一位为国为民的大侠——他会收到世界各地的求助信,并利用自己的身份积极回应。

 

德裔美国物理学家Ernest J. Sternglass(1923-2015)| 图片来源:Science

1947年4月初,Sternglass给爱因斯坦写信介绍自己实验室的工作。本来Sternglass的任务是开发一种新型的夜视摄像技术。这类应用需要对各种物质辐射出的红外辐射非常敏感,他便想到电子与红外光子的相互作用。当时已经有一些电视摄像管用到了二次电子发射技术——电子束撞击金属后,电子能从金属中发射出来,利用此原理放大信号。Sternglass想搞清楚到底原子中的哪些电子参与了这一过程。

进行了一段研究后,Sternglass发现当时的理论,理想化的量子力学模型,不足以解释二次电子发射,而提出了自己的设想,但他也怀疑自己的理论可能根本就是错的。后来Sternglass被派往华盛顿学习,在这里认识了国会图书馆的哲学顾问David Baumgardt,这位曾当过柏林大学哲学教授的学者建议Sternglass给爱因斯坦写信。乍一看,Sternglass的研究出于军事应用上的好奇,不必劳“时空建筑师”本尊的大驾。但是,使爱因斯坦获得诺贝尔奖的成就,解释金属在紫外线照射下逸出电子——光电效应,与他的研究直接相关,于是真的把信寄给了爱因斯坦。

在Sternglass1997年出版的自传 Before the Big Bang: The Origins of the Universe 中写到,“那时我二十来岁,没有接受过任何物理学方面的高等教育,却想问自牛顿之后世界上最著名科学家对于我观点的想法。” 令他震惊的是,爱因斯坦不仅很快就回了信,还要求他亲自到普林斯顿来面谈!

 

Sternglass自传《大爆炸之前:宇宙的起源》。他一直对宇宙学感兴趣,书中记载了他大师们的交往,并根据自己对电子的研究提出了的宇宙粒子起源的解释。| 图片来源:PicClick

 

Sternglass走上台阶,敲了敲那栋隔板房子的门,然后被一名女秘书带进了门厅,很快就见到了那个著名的形象——一位头发卷曲,穿着旧运动服和拖鞋的老人。在爱因斯坦的邀请下,两人来到后院,爱因斯坦非常珍视与客人们在这个朴素的小花园漫步。“我父亲在柏林郊区建了一个避暑别墅,那里有个小花园”,Sternglass回忆道。他们有不少共同之处:都是土生土长的德国犹太人,在20世纪30年代因逃避纳粹而离开德国。二人可以用德语畅谈。

Sternglass向爱因斯坦解释了他关于二次电子发射的想法。爱因斯坦的光电效应只考虑了原子中的最外层电子,这是一个非常保险的假设,而且早已被证实。但是,电子和光子完全不同,电子可以携带比紫外线更多的能量,因此会穿透到原子的更深处,在Sternglass看来,他的理论中每个围绕原子运动的电子都必须考虑在内,爱因斯坦则回复道,“听起来还有点道理。”

 

爱因斯坦觉得Sternglass似乎走在了正确的道路上,使他备受鼓舞。

 

 

爱因斯坦晚年时在普林斯顿的家中 | 图片来源:Institute for Advanced Study

 

出乎意料的建议

 

除了二次电子发射,Sternglass在信中还提到了量子理论和基本粒子,爱因斯坦把话题逐渐引向了这方面,Sternglass尤为关注的是原子核里面的中子。

中子是核嬗变的关键,它们可以让元素在元素周期表中搬家——从一种元素变成另一种。当时科学家已经知道原子核里质子和中子紧密地挨在一起,并且可以相互转化。例如,人们可以在碳的稳定同位素(6个质子和7个中子)中加入一个中子,让它变成不稳定的碳14(6个质子和8个中子)。平均5730年后,碳14会释放出一个电子,变成了稳定的氮同位素(7个质子和7个中子)。这个神奇的过程似乎还能联想到一位伟大的物理学家——牛顿,他曾经沉迷元素的变化,那时只是作为古老炼金术的研究门类,而20世纪核科学的发展,几乎让人类拥有了点石成金的能力。

Sternglass曾研究过爱因斯坦的相对论,并且找到了电子和它反物质对应物正电子的轨道方程的解。他解释说,这些轨道相当于质子和中子。今天,我们认为这些模型极具创造性,但并不正确,因为质子和中子都是由夸克组成的。

尽管如此,Sternglass提出了一个重要的假设:如果中子和质子确实是一对“核兄弟”,它们的组成只相差一个电子,那么就有可能利用质子和电子制造中子,而更深层次的是,这样似乎能帮助构建一个统一的理论——正是爱因斯坦所致力的。爱因斯坦一直在跟电子较劲,他想了解电子的本质。电子在与反物质碰撞后只留下两个光子,而不是像质子-中子碰撞出“粒子故事会”,在统一思想的促使下,不禁会想电子是粒子家族中的一个另类吗?

那天,两人聊了5个小时,爱因斯坦把下午的其他事宜都取消了。临别之时,爱因斯坦询问Sternglass是否继续在海军实验室工作,还是重返校园攻读物理学的学位。那时Sternglass更倾向于去读研究生,可是爱因斯坦的建议再次让他大吃一惊。

爱因斯坦告诉他,如果去读博士可能会磨灭自己的创造性,对理论物理的兴趣完全可以用在业余时间——正如他在专利局时一样,而且不用担心自己不出成果,也不用担心自己犯错。“别学我。始终做一份补鞋匠的工作,这样你每天早晨起来就可以发现自己正在做一些有意义的事情。没有人能成为解决每日宇宙玄机的天才。” 爱因斯坦指着默瑟街112号房间里成堆的算纸,对Sernglass说,“我甚至都不知道这些有什么意义。”

 

爱因斯坦去世那天,摄影师拍下了他办公地方的照片。| 图片来源:Ralph Morse/Life Pictures/Getty Images

Sternglass没想到的是,这次访问会引发一连串的通信,当中包括他自己一个未发表的实验结果和爱因斯坦的一个未发表的理论假设。这两者加在一起可能构成了一个世纪以来最重要的科学问题之一。但这个问题被人们忽视了,原因也很简单:它太超前了,至少超前了一代人。如今数十年过去,这项工作重新被审视,甚至可能会对可持续能源产生深远影响——Sternglass发现了用很低的能量就能创造自由中子,而爱因斯坦对原因提出了一些猜想。

电子撞击质子产生了自由中子?

 

Sternglass谨遵圣言,并没有直接去读纯粹的物理专业,可他仍需要博士学位,就回到了自己母校康奈尔大学,进入了人才济济的工程物理系。他的研究生导师是菲利普·莫里森(Philip Morrison),一名曼哈顿计划的资深人士,导师办公室里坐着另一位从曼哈顿计划归来的炸弹高手——理查德·费曼(Richard Feynman),他们经常一起讨论。

 

美国物理学家菲利普·莫里森(Philip Morrison,1915-2005),在核物理、天体物理方面做出杰出贡献,同时还是一位科普作家。| 图片来源:digital.library.cornell.edu

 

在康奈尔,Sternglass并没有把全部精力放在二次电子发射上,而是在研究与爱因斯坦讨论的中子和电子问题上。莫里森告诉Sternglasss,他可以去做中子实验,但不能扔下二次电子发射的研究。毕竟自己还要拿到学位,Sternglasss同意了。1950年秋天,他已经发现二次电子的数量和金属元素本身的性质有密切关系,强束缚电子会起到至关重要的作用。

关于二次电子发射的研究很顺利,1950年11月9日,Sternglass给爱因斯塔写信报告他的最新进展。这封信今天被保存在耶路撒冷的爱因斯坦档案馆,信中反映出了一位年轻物理学家热切的心情,他盼望着与爱因斯坦本人再次联系。“我很幸运能解决二次发射的问题”,Sernglass写道,“因为您是第一个鼓励我采用这种方法的人,我感觉自己应该简短地告诉您我的发现”。就这样,他与大师恢复了通信往来。

由于对金属和绝缘体二次放射系数以及机制研究的成果,Sternglass分别于1951年和1953获得了硕士和博士学位。结合这些理论,他还发明了所谓的图像增强器——不仅用于军事机密的间谍设备,后来被美国国家航空航天局(NASA)要求生产用来拍摄登月画面。

 

阿波罗11号所用的摄像机模型 | 图片来源:spacewatchtower.blogspot.com/

 

在康奈尔时,Sternglass以极低的能量使电子与质子碰撞产生中子,不过并没有人对他的实验感兴趣,甚至还发生一些不愉快,更没人能解释这个原因。他对自己的实验充满信心,结果一出来就给爱因斯坦写信。一封写于1951年8月26的信中,Sternglass表示,“您可能会对我过去两个月的工作感兴趣,我已经从高压氢放电中获得了通过质子和电子形成中子的证据。”

Sternglass的实验并不复杂:他用电子枪往一个充满氢气,不到一英尺长的真空玻璃管里面发射电子,管的末端是银和铟薄箔。电子枪也没什么特别,就是老式电子管电视机里的那种。正常来讲,他所用电子束的能量 (约35000电子伏特) 不可能在箔片中产生任何放射性。然而,他一次又一次地观察到了放射现象。他还改变实验条件,把管中的气体换成了普通空气,结果什么都没发生。

放射性标记表明,银的两个稳定同位素(具有60个中子的银107和具有62个中子的银109)发生了嬗变。这两种核素得到一个中子就会变成银108和银110,两者都不稳定。银108主要发生β-衰变,半衰期平均2.3分钟,变成稳定同位素镉108。银110的寿命更短,在24秒内就会衰变为镉110。“我应该能观察到持续3-4分钟的衰减,” Sternglass在他的实验室笔记本中写道。他亲眼所见,银箔就像是被低能中子轰炸过一样。

但这与传统的粒子和核物理模型相违背。电子束可以与金属箔中银原子擦身而过,也可能正如Sternglass自己所研究的那样,从银原子中撞击出其他电子。但是,仅由35000伏特推动真空管中的电子,移动得太慢,根本无法产生任何核反应。爱因斯坦在四天之后的一封信中向Sternglass指出,“要形成一个中子,电子需要到78万伏。”

Sternglass明白,一个低能的中子源将具有特殊意义。当时世界上最大的中子工厂是美国华盛顿的汉福德基地(Hanford Site),原子能委员会 (Atomic Energy Commission) 耗资10亿美元修建的核反应堆。但Sternglass的实验装置似乎只花费几千美元就能产生中子。一旦产生,这些自由的中子就可以起到类似“贤者之石”的作用(神话中可以变废为金、使人长生不老的神奇物质)——他们可以从铀中生成钚原子,理论上他们可以改变宇宙中的任何元素。

 

汉福德基地为实现曼哈顿计划而建造,为美国生产了大量核原料,直至1987年关闭,现在为国家公园。| 图片来源:businesswire.com/

 

中世纪炼金术士的梦想似乎就要实现了,但这样做的成本将令人望而却步。然而,如今一个不同的且更诱人的目标在向我们招手——清洁能源。嬗变的结果往往是一个不稳定的原子,注定要衰变。在这个过程中,它会发射高能电子或光子。如果这些高能粒子能够被捕获,它可能会转化为热能——可用的能量。

1951年,Sternglass只在自己实验室笔记中记录了有关这一发现的初步应用想法。“我的发现 (可能) 很有趣,” Sternglass在他未出版的笔记中写道,“中子的形成过程非常简单,甚至可以用于原子能相关的应用上。”

不管未来如何,Sternglass兴奋至极。在第一个晚上的数据收集工作进行到一半的时候,他就给自己妻子以及帮他搭建X射线管的Lyman Parratt教授打了电话。回到家后,Sternglass还向莫里森汇报了情况。莫里森说,他怀疑这与低能量中子有关。

1951年7月剩下的时间里,Sternglass完善了他的实验,并继续收集数据。他改造了真空管的气体泵系统,还在一个盐矿下面重复实验以排除宇宙射线,并进行了理论上的探索——一切都指向中子。而且文献似乎也支持他的观点——电子的发现者、诺贝尔奖得主汤姆森(J. J. Thomson)在1914年曾报告过类似的发现。Sternglass在他的笔记本上写道,“他观察到了铂发出的辐射……我现在相信这是中子轰击影响下的β放射!”

然而,康奈尔大学物理系对Sternglass研究结果的兴趣可能源于学术丑闻。在Sternglass的记录中,系里的一位老师说他听到了Sternglass伪造数据的流言。那年秋天,Sternglass再次记下了一段不愉快的谈话,“昨天和教授交流让我很难受,他甚至说即使我的数据会有些显而易见的影响,他也不会对此感兴趣……物理学史上有很多诡异的实验,根本无人能解释……我突然意识到这确实是一种奇怪的科学态度。”

倒是爱因斯坦表现得更像一位智者。爱因斯坦在1951年8月30日简短的回信中,写下了两句极为深刻的话,正如他在普林斯顿提出的其他深刻的见解一样:“或许发生了多个电子同时将能量转移到一个质子上的反应”,“根据量子理论,这种情况是可以想象的,尽管不太可能真的发生”。爱因斯坦向Sternglass提出的建议涉及到大量电子作为实体而发生整体行为。这种行为就像一群孩子凑钱买一个糖果,但在1950年代这还只是一个遥远的理论展望。

 

爱因斯坦的回信(英语翻译版)| 图片来源:pittmed.health.pitt.edu

爱因斯坦再次展现了他标志性的思想飞越,但无论是他本人还是Sternglass,以及任何同时代的人,都没有技术或理论框架来理解Sternglass的数据。他的数据与爱因斯坦的假设都没有发表。

9年后,Sternglass在西屋研究实验室工作时,又重新进行了中子实验。可惜的是,那时爱因斯坦已经去世了。Sternglass也没能重复康奈尔时期的实验(但要指出的是,海军军械实验室的同事在1953年得到了他的实验数据)。Sternglass在1997年的书中总结道,”直到今天,在气体放电管内复杂的情境下,中子是如何在比预期低得多的能量下形成仍然是一个谜。”

本来这就是故事的结局了,然而出乎意料的是,20世纪80年代一项完全独立的研究重新燃起了人们对低能中子的兴趣。1989年,两位犹他大学的化学家斯坦利·庞斯(Stanley Pons)和马丁·弗莱施曼(Martin Fleischmann)在一场新闻发布会上宣布,他们发明了一种简单引发核聚变的方法,引起了巨大轰动。他们发现,让电流通过一个浸没在重水中的特制钯电极,便会产生大量热量,比化学反应产生的热量要多得多。这让人们看到了清洁能源的未来,由此冷聚变登上头条。

 

1989年,坦利·庞斯(B. Stanley Pons)和马丁·弗莱施曼 | 图片来源:University of Utah

 

从科学骗局到科学边缘

 

冷聚变是20世纪80年代末最大的科学事件,一度被认为是科学骗局,却也留下了许多悬而未决的问题。当时物理学家的反应和今天没什么不同:冷聚变根本不行。本应伴随核反应出现的放射性、伽马射线或者高能中子都没出现,那又如何解释他们的实验结果?在两人公布实验的一个月后,1989年5月,一位名叫Larry A. Hull的人给《化学与化工新闻》(Chemical & Engineering News)写信,指出他们发现的不是核聚变,而是曾经Sternglass声称观察到的低能中子引发的嬗变。

十多年来,这种解释一直处于冷聚变领域的边缘,当然冷聚变本身就被挤到了科学的边界之处,冷聚变真的冷了下来。然而,近些年似乎又有抬头的迹象。2006年,《欧洲物理杂志C辑》(European Journal of Physics C)发表了一篇极有影响力的论文表示,与冷聚变不同,中子引发的嬗变可能成为一种可行的理论。论文由美国东北大学物理学教授Allan Widom和能源工业顾问Lewis Larsen独立发表。

他们认为,表面涂有氢、氘或氚原子的金属,在受到特定频率的振荡电磁场的驱动下,电子能表现出集体行为(正如爱因斯坦预测的一样),这种集体行为能够获得足够的能量使之与氢、氘或氚核结合产生中子。

作者推测,中子产生后的运动非常慢,在离开那块它们生成的微观区域之前,中子就已经被附近的原子吞噬了。原子会变得不稳定,可能释放出放射性衰变的副产品,如伽马射线或高能电子。他们的另一篇独立论文计算出,电极的微观表面,比如那些倾向于产生低能中子的表面,是放射性伽马射线的有效吸收者,所以放射性衰变可以转化为无害的热能。这当然是令人兴奋的东西,因为热能可以很容易地转化为电能。

上述的场景没有提及核聚变。核聚变需要巨大的能量,能量规模与让中子和质子结合所用的强相互作用尺度相当。相反,产生中子所需要的能量只是弱相互作用的级别,质子俘获电子的过程正是用弱相互作用来描述。他们的理论被称之为Widom–Larsen理论。

他们曾表示,论文发表后,他们才偶然看到了Sternglass的工作和爱因斯坦的解释。Larsen说:“真正令人难以置信的是,爱因斯坦只是看了Sternglass的数据,就立即意识到所观察到的中子产生必定涉及某种与电子有关的集体效应。”

 

Sternglass在60年代投入到了辐射危害相关的调查中,推动了《禁止核试验条约》的进程。他后来在匹茨堡大学担任放射学教授,在20世纪80年代合作发明了X射线数字成像系统。或许是受到爱因斯坦深刻的影响,他职业生涯的主要工作是做一些实事。| 图片来源:The New York Times

 

Widom-Larsen的论文又掀起了低能核反应(LENR)研究的复兴(冷聚变一词已经被抛弃了)。2012年3月,拥有世界上最强大粒子对撞机的欧洲核子研究中心(CERN)举行了自1989年以来首次有关庞斯-弗莱施曼实验的讨论会。时年11月,美国核学会(ANS)在圣地亚哥的冬季会议上举行了一词关于低能量核反应的分组讨论会。美国国家航天航空局兰利研究中心(LRC)设计了一系列实验来测试Widom-Larsen理论。

意大利核物理研究所的Francesco Celani,向CERN的同事讲述了20个相关实验,他们确实发现了实验中产生了一些莫名其妙的热量,即使只是偶然的可重复。同一场会议上报告,还有一位学者指出,在已经发表的数百篇有关钯线的论文中都表示,在电流过载时会发生爆炸,并且有些实验发现产生了中子。他还介绍了通过弱相互作用产生低能中子的潜在技术应用。

对于这样费解之事,兰利研究中心高级研究员Joseph Zawodny感叹,“我无法想象伟大的大自然中有这么一股力量,令人厌烦,索然无味,一无是处。”

但是,这些研究的名声仍不是太好。主要是由于现今冷聚变研究者持续不断的“搞事情”,却未能提出任何使冷聚变站得住脚的理论,这些研究也基本不会发表在顶级刊物上。《新能源时报》(New Energy Times)编辑Steven Krivit认为,人们还不清楚真正的科学和伪科学之间的区别。这是一份时事通讯,专门报道庞斯-弗莱施曼实验后发展出的地下科学活动。

除了那些独立探索外,也有些官方机构受到牵连,NASA就曾遭到炮轰。2011年,监管机构网站NASA Watch刊登了一篇题为《为什么NASA 兰利研究中心在冷核聚变研究上浪费时间?》(Why is NASA Langley Wasting Time on Cold Fusion Research? )的文章。这个标题忽略了核聚变和低能核反应之间的区别。其实,NASA搞偏门的东西不少,前几年还弄过号称违反动量守恒的无工质引擎(EmDrive)。

兰利研究中心的首席科学家Dennis Bushnell说,这个领域还受到实验数据变化的困扰。当年Sternglass在西屋实验室就无法重复他曾经的实验。Bushnell指出,根据Widom-Larsen理论,激发质子捕获电子需要极强的局部电场,最高可达每米1000亿伏特。“有几种方法可以做到,一种方法是提高电压。另一种方法是缩小尺度。如果嬗变确实依赖于纳米尺度的特征,如灰尘颗粒、裂缝或是杂质——这些就是缩小尺度的特征,那么实验人员必须能够在这种尺度上操控材料。”显然这是一项不可能的实验。

不过,人们对清洁能源的追求是不变的。Joseph Zawodny认为,嬗变只是一个临时的结论,可它在发电方面的应用不容忽视。“目前低能核反应产生的能量还不够煮茶,但是如果能以最理想的方式发挥作用,它就能取代现在的能源生产,那么我们谈论的就是每年至少6万亿美元的市场。”

 

2016年《化学与工程新闻》以封面报道了冷聚变后25年科学家在继续研究异常的热效应。| 图片来源:ACS

 

2019年,Nature发表《再探冷聚变悬案》一文(Revisiting the cold case of cold fusion),作者指出了过去实验的诸多不足,参数空间仍有很大提升的可能,旨在让科学界重新审视这桩疑案。

 

那些支持Joseph Zawodny并致力于这一争议性课题的一小撮人,或许会赞同爱因斯坦对Sternglass的建议。1954年3月爱因斯坦去世前13个月,Sternglass给这位大师寄了一份他关于二次电子发射最新出版的文章,以及一张庆祝75岁生日贺卡。爱因斯坦给回了一封打印好的感谢信,这也是两人最后一封通信。在这封信的背面手写着两个单词:

“Be Stubborn”。

参考来源

  • http://nautil.us/issue/86/energy/einsteins-lost-hypothesis

 

  • Sternglass, Ernest J. Before the big bang: the origins of the universe.[M] Four Walls Eight Windows,New York/London,1997.

 

  • https://news.cornell.edu/stories/2019/07/remembering-physicist-sternglass-who-helped-world-see-man-moon

 

  • https://www.nytimes.com/2015/02/21/science/ernest-sternglass-physicist-and-nuclear-critic-dies-at-91.html

 

  • Krivit S B , Marwan J . A new look at low-energy nuclear reaction research[J]. Journal of Environmental Monitoring, 2009, 11(10):1731.

 

  • Berlinguette, C.P., Chiang, Y., Munday, J.N. et al. Revisiting the cold case of cold fusion. Nature 570, 45–51 (2019).

 

 

本文主要参考来源自Nautilus Issue 086,Einstein’s Lost Hypothesis。原文在线发表于2013年11月“Waste”,本文对文章进行了重新整理及补充。

 

 

 



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