73年前，一位年輕的工程師敲開了愛因斯坦家的門，從此他的人生軌跡發生了變化。兩人後來的交往中，年輕人提到他在自己實驗室裡產生了中子，而愛因斯坦給出了一個解釋。數十年後，由於一些研究人員想為被認為是科學騙局的冷聚變翻案，他們的討論才被人翻出。冷聚變如今變成了低能核反應中的冷門領域，他們的疑案至今也懸而未決。但那段有趣的往事，仍值得與讀者分享。
撰文 | 劉辛味
1947年4月的一天，一位年輕人懷著緊張的心情走到普林斯頓默瑟街112號門前，對他來說這是一個非比尋常的日子。正如被傳召面見教皇，這位年輕人接到了當地最著名居民——愛因斯坦的召見，謙卑的參觀者來到了物理學的聖彼得大教堂。這次見面改變了他的人生走向，很多年後他的名字——Ernest Joachim Sternglass（1923-2015），與阿波羅11號聯繫在了一起，他的工作使人們看到了登月直播，後來他投入到了核輻射研究和反核試驗的社會活動中，這也使他成為了一個有爭議性的傳奇人物——當然，這些只是題外話。
那次見面後的遺產，至今仍是疑案。
默瑟街112號，從1935年直至去世，愛因斯坦一直住在這裡。| 圖片來源：James Loesch
面見「時空建築師」本尊
那時，Sternglass剛進入海軍軍械實驗室（Naval Ordnance Laboratory）不久，他並沒有物理學相關的研究背景，只有電氣工程的學士學位。我們很難把這樣一個初出茅廬的小子和早已名滿天下的愛因斯坦聯繫起來。事實上，在學術研究之外，身在普林斯頓的愛因斯坦不是一位孤獨的老人，更像是一位為國為民的大俠——他會收到世界各地的求助信，並利用自己的身份積極回應。
德裔美國物理學家Ernest J. Sternglass（1923-2015）| 圖片來源：Science
1947年4月初，Sternglass給愛因斯坦寫信介紹自己實驗室的工作。本來Sternglass的任務是開發一種新型的夜視攝像技術。這類應用需要對各種物質輻射出的紅外輻射非常敏感，他便想到電子與紅外光子的相互作用。當時已經有一些電視攝像管用到了二次電子發射技術——電子束撞擊金屬後，電子能從金屬中發射出來，利用此原理放大信號。Sternglass想搞清楚到底原子中的哪些電子參與了這一過程。
進行了一段研究後，Sternglass發現當時的理論，理想化的量子力學模型，不足以解釋二次電子發射，而提出了自己的設想，但他也懷疑自己的理論可能根本就是錯的。後來Sternglass被派往華盛頓學習，在這裡認識了國會圖書館的哲學顧問David Baumgardt，這位曾當過柏林大學哲學教授的學者建議Sternglass給愛因斯坦寫信。乍一看，Sternglass的研究出於軍事應用上的好奇，不必勞「時空建築師」本尊的大駕。但是，使愛因斯坦獲得諾貝爾獎的成就，解釋金屬在紫外線照射下逸出電子——光電效應，與他的研究直接相關，於是真的把信寄給了愛因斯坦。
在Sternglass1997年出版的自傳 Before the Big Bang: The Origins of the Universe 中寫到，「那時我二十來歲，沒有接受過任何物理學方面的高等教育，卻想問自牛頓之後世界上最著名科學家對於我觀點的想法。」 令他震驚的是，愛因斯坦不僅很快就回了信，還要求他親自到普林斯頓來面談！
Sternglass自傳《大爆炸之前：宇宙的起源》。他一直對宇宙學感興趣，書中記載了他大師們的交往，並根據自己對電子的研究提出了的宇宙粒子起源的解釋。| 圖片來源：PicClick
Sternglass走上臺階，敲了敲那棟隔板房子的門，然後被一名女秘書帶進了門廳，很快就見到了那個著名的形象——一位頭髮捲曲，穿著舊運動服和拖鞋的老人。在愛因斯坦的邀請下，兩人來到後院，愛因斯坦非常珍視與客人們在這個樸素的小花園漫步。「我父親在柏林郊區建了一個避暑別墅，那裡有個小花園」，Sternglass回憶道。他們有不少共同之處：都是土生土長的德國猶太人，在20世紀30年代因逃避納粹而離開德國。二人可以用德語暢談。
Sternglass向愛因斯坦解釋了他關於二次電子發射的想法。愛因斯坦的光電效應只考慮了原子中的最外層電子，這是一個非常保險的假設，而且早已被證實。但是，電子和光子完全不同，電子可以攜帶比紫外線更多的能量，因此會穿透到原子的更深處，在Sternglass看來，他的理論中每個圍繞原子運動的電子都必須考慮在內，愛因斯坦則回復道，「聽起來還有點道理。」
愛因斯坦覺得Sternglass似乎走在了正確的道路上，使他備受鼓舞。
愛因斯坦晚年時在普林斯頓的家中 | 圖片來源：Institute for Advanced Study
出乎意料的建議
除了二次電子發射，Sternglass在信中還提到了量子理論和基本粒子，愛因斯坦把話題逐漸引向了這方面，Sternglass尤為關注的是原子核裡面的中子。
中子是核嬗變的關鍵，它們可以讓元素在元素周期表中搬家——從一種元素變成另一種。當時科學家已經知道原子核裡質子和中子緊密地挨在一起，並且可以相互轉化。例如，人們可以在碳的穩定同位素（6個質子和7個中子）中加入一個中子，讓它變成不穩定的碳14（6個質子和8個中子）。平均5730年後，碳14會釋放出一個電子，變成了穩定的氮同位素（7個質子和7個中子）。這個神奇的過程似乎還能聯想到一位偉大的物理學家——牛頓，他曾經沉迷元素的變化，那時只是作為古老鍊金術的研究門類，而20世紀核科學的發展，幾乎讓人類擁有了點石成金的能力。
Sternglass曾研究過愛因斯坦的相對論，並且找到了電子和它反物質對應物正電子的軌道方程的解。他解釋說，這些軌道相當於質子和中子。今天，我們認為這些模型極具創造性，但並不正確，因為質子和中子都是由夸克組成的。
儘管如此，Sternglass提出了一個重要的假設：如果中子和質子確實是一對「核兄弟」，它們的組成只相差一個電子，那麼就有可能利用質子和電子製造中子，而更深層次的是，這樣似乎能幫助構建一個統一的理論——正是愛因斯坦所致力的。愛因斯坦一直在跟電子較勁，他想了解電子的本質。電子在與反物質碰撞後只留下兩個光子，而不是像質子-中子碰撞出「粒子故事會」，在統一思想的促使下，不禁會想電子是粒子家族中的一個另類嗎？
那天，兩人聊了5個小時，愛因斯坦把下午的其他事宜都取消了。臨別之時，愛因斯坦詢問Sternglass是否繼續在海軍實驗室工作，還是重返校園攻讀物理學的學位。那時Sternglass更傾向於去讀研究生，可是愛因斯坦的建議再次讓他大吃一驚。
愛因斯坦告訴他，如果去讀博士可能會磨滅自己的創造性，對理論物理的興趣完全可以用在業餘時間——正如他在專利局時一樣，而且不用擔心自己不出成果，也不用擔心自己犯錯。「別學我。始終做一份補鞋匠的工作，這樣你每天早晨起來就可以發現自己正在做一些有意義的事情。沒有人能成為解決每日宇宙玄機的天才。」 愛因斯坦指著默瑟街112號房間裡成堆的算紙，對Sernglass說，「我甚至都不知道這些有什麼意義。」
愛因斯坦去世那天，攝影師拍下了他辦公地方的照片。| 圖片來源：Ralph Morse/Life Pictures/Getty Images
Sternglass沒想到的是，這次訪問會引發一連串的通信，當中包括他自己一個未發表的實驗結果和愛因斯坦的一個未發表的理論假設。這兩者加在一起可能構成了一個世紀以來最重要的科學問題之一。但這個問題被人們忽視了，原因也很簡單：它太超前了，至少超前了一代人。如今數十年過去，這項工作重新被審視，甚至可能會對可持續能源產生深遠影響——Sternglass發現了用很低的能量就能創造自由中子，而愛因斯坦對原因提出了一些猜想。
電子撞擊質子產生了自由中子？
Sternglass謹遵聖言，並沒有直接去讀純粹的物理專業，可他仍需要博士學位，就回到了自己母校康奈爾大學，進入了人才濟濟的工程物理系。他的研究生導師是菲利普·莫裡森（Philip Morrison），一名曼哈頓計劃的資深人士，導師辦公室裡坐著另一位從曼哈頓計劃歸來的炸彈高手——理察·費曼（Richard Feynman），他們經常一起討論。
美國物理學家菲利普·莫裡森（Philip Morrison，1915-2005），在核物理、天體物理方面做出傑出貢獻，同時還是一位科普作家。| 圖片來源：
digital.library.cornell.edu
在康奈爾，Sternglass並沒有把全部精力放在二次電子發射上，而是在研究與愛因斯坦討論的中子和電子問題上。莫裡森告訴Sternglasss，他可以去做中子實驗，但不能扔下二次電子發射的研究。畢竟自己還要拿到學位，Sternglasss同意了。1950年秋天，他已經發現二次電子的數量和金屬元素本身的性質有密切關係，強束縛電子會起到至關重要的作用。
關於二次電子發射的研究很順利，1950年11月9日，Sternglass給愛因斯塔寫信報告他的最新進展。這封信今天被保存在耶路撒冷的愛因斯坦檔案館，信中反映出了一位年輕物理學家熱切的心情，他盼望著與愛因斯坦本人再次聯繫。「我很幸運能解決二次發射的問題」，Sernglass寫道，「因為您是第一個鼓勵我採用這種方法的人，我感覺自己應該簡短地告訴您我的發現」。就這樣，他與大師恢復了通信往來。
由於對金屬和絕緣體二次放射係數以及機制研究的成果，Sternglass分別於1951年和1953獲得了碩士和博士學位。結合這些理論，他還發明了所謂的圖像增強器——不僅用於軍事機密的間諜設備，後來被美國國家航空航天局（NASA）要求生產用來拍攝登月畫面。
阿波羅11號所用的攝像機模型 | 圖片來源：
spacewatchtower.blogspot.com/
在康奈爾時，Sternglass以極低的能量使電子與質子碰撞產生中子，不過並沒有人對他的實驗感興趣，甚至還發生一些不愉快，更沒人能解釋這個原因。他對自己的實驗充滿信心，結果一出來就給愛因斯坦寫信。一封寫於1951年8月26的信中，Sternglass表示，「您可能會對我過去兩個月的工作感興趣，我已經從高壓氫放電中獲得了通過質子和電子形成中子的證據。」
Sternglass的實驗並不複雜：他用電子槍往一個充滿氫氣，不到一英尺長的真空玻璃管裡面發射電子，管的末端是銀和銦薄箔。電子槍也沒什麼特別，就是老式電子管電視機裡的那種。正常來講，他所用電子束的能量 (約35000電子伏特) 不可能在箔片中產生任何放射性。然而，他一次又一次地觀察到了放射現象。他還改變實驗條件，把管中的氣體換成了普通空氣，結果什麼都沒發生。
放射性標記表明，銀的兩個穩定同位素（具有60個中子的銀107和具有62個中子的銀109）發生了嬗變。這兩種核素得到一個中子就會變成銀108和銀110，兩者都不穩定。銀108主要發生β-衰變，半衰期平均2.3分鐘，變成穩定同位素鎘108。銀110的壽命更短，在24秒內就會衰變為鎘110。「我應該能觀察到持續3-4分鐘的衰減，」 Sternglass在他的實驗室筆記本中寫道。他親眼所見，銀箔就像是被低能中子轟炸過一樣。
但這與傳統的粒子和核物理模型相違背。電子束可以與金屬箔中銀原子擦身而過，也可能正如Sternglass自己所研究的那樣，從銀原子中撞擊出其他電子。但是，僅由35000伏特推動真空管中的電子，移動得太慢，根本無法產生任何核反應。愛因斯坦在四天之後的一封信中向Sternglass指出，「要形成一個中子，電子需要到78萬伏。」
Sternglass明白，一個低能的中子源將具有特殊意義。當時世界上最大的中子工廠是美國華盛頓的漢福德基地（Hanford Site），原子能委員會 (Atomic Energy Commission)耗資10億美元修建的核反應堆。但Sternglass的實驗裝置似乎只花費幾千美元就能產生中子。一旦產生，這些自由的中子就可以起到類似「賢者之石」的作用（神話中可以變廢為金、使人長生不老的神奇物質）——他們可以從鈾中生成鈽原子，理論上他們可以改變宇宙中的任何元素。
漢福德基地為實現曼哈頓計劃而建造，為美國生產了大量核原料，直至1987年關閉，現在為國家公園。| 圖片來源：businesswire.com/
中世紀鍊金術士的夢想似乎就要實現了，但這樣做的成本將令人望而卻步。然而，如今一個不同的且更誘人的目標在向我們招手——清潔能源。嬗變的結果往往是一個不穩定的原子，註定要衰變。在這個過程中，它會發射高能電子或光子。如果這些高能粒子能夠被捕獲，它可能會轉化為熱能——可用的能量。
1951年，Sternglass只在自己實驗室筆記中記錄了有關這一發現的初步應用想法。「我的發現 (可能) 很有趣，」 Sternglass在他未出版的筆記中寫道，「中子的形成過程非常簡單，甚至可以用於原子能相關的應用上。」
不管未來如何，Sternglass興奮至極。在第一個晚上的數據收集工作進行到一半的時候，他就給自己妻子以及幫他搭建X射線管的Lyman Parratt教授打了電話。回到家後，Sternglass還向莫裡森匯報了情況。莫裡森說，他懷疑這與低能量中子有關。
1951年7月剩下的時間裡，Sternglass完善了他的實驗，並繼續收集數據。他改造了真空管的氣體泵系統，還在一個鹽礦下面重複實驗以排除宇宙射線，並進行了理論上的探索——一切都指向中子。而且文獻似乎也支持他的觀點——電子的發現者、諾貝爾獎得主湯姆森（J. J. Thomson）在1914年曾報告過類似的發現。Sternglass在他的筆記本上寫道，「他觀察到了鉑發出的輻射……我現在相信這是中子轟擊影響下的β放射！」
然而，康奈爾大學物理系對Sternglass研究結果的興趣可能源於學術醜聞。在Sternglass的記錄中，系裡的一位老師說他聽到了Sternglass偽造數據的流言。那年秋天，Sternglass再次記下了一段不愉快的談話，「昨天和教授交流讓我很難受，他甚至說即使我的數據會有些顯而易見的影響，他也不會對此感興趣……物理學史上有很多詭異的實驗，根本無人能解釋……我突然意識到這確實是一種奇怪的科學態度。」
倒是愛因斯坦表現得更像一位智者。愛因斯坦在1951年8月30日簡短的回信中，寫下了兩句極為深刻的話，正如他在普林斯頓提出的其他深刻的見解一樣：「或許發生了多個電子同時將能量轉移到一個質子上的反應」，「根據量子理論，這種情況是可以想像的，儘管不太可能真的發生」。愛因斯坦向Sternglass提出的建議涉及到大量電子作為實體而發生整體行為。這種行為就像一群孩子湊錢買一個糖果，但在1950年代這還只是一個遙遠的理論展望。
愛因斯坦的回信（英語翻譯版）| 圖片來源：pittmed.health.pitt.edu
愛因斯坦再次展現了他標誌性的思想飛越，但無論是他本人還是Sternglass，以及任何同時代的人，都沒有技術或理論框架來理解Sternglass的數據。他的數據與愛因斯坦的假設都沒有發表。
9年後，Sternglass在西屋研究實驗室工作時，又重新進行了中子實驗。可惜的是，那時愛因斯坦已經去世了。Sternglass也沒能重複康奈爾時期的實驗（但要指出的是，海軍軍械實驗室的同事在1953年得到了他的實驗數據)。Sternglass在1997年的書中總結道，」直到今天，在氣體放電管內複雜的情境下，中子是如何在比預期低得多的能量下形成仍然是一個謎。」
本來這就是故事的結局了，然而出乎意料的是，20世紀80年代一項完全獨立的研究重新燃起了人們對低能中子的興趣。1989年，兩位猶他大學的化學家斯坦利·龐斯（Stanley Pons）和馬丁·弗萊施曼（Martin Fleischmann）在一場新聞發布會上宣布，他們發明了一種簡單引發核聚變的方法，引起了巨大轟動。他們發現，讓電流通過一個浸沒在重水中的特製鈀電極，便會產生大量熱量，比化學反應產生的熱量要多得多。這讓人們看到了清潔能源的未來，由此冷聚變登上頭條。
1989年，坦利·龐斯（B. Stanley Pons）和馬丁·弗萊施曼 | 圖片來源：University of Utah
從科學騙局到科學邊緣
冷聚變是20世紀80年代末最大的科學事件，一度被認為是科學騙局，卻也留下了許多懸而未決的問題。當時物理學家的反應和今天沒什麼不同：冷聚變根本不行。本應伴隨核反應出現的放射性、伽馬射線或者高能中子都沒出現，那又如何解釋他們的實驗結果？在兩人公布實驗的一個月後，1989年5月，一位名叫Larry A. Hull的人給《化學與化工新聞》（Chemical & Engineering News）寫信，指出他們發現的不是核聚變，而是曾經Sternglass聲稱觀察到的低能中子引發的嬗變。
十多年來，這種解釋一直處於冷聚變領域的邊緣，當然冷聚變本身就被擠到了科學的邊界之處，冷聚變真的冷了下來。然而，近些年似乎又有抬頭的跡象。2006年，《歐洲物理雜誌C輯》（European Journal of Physics C）發表了一篇極有影響力的論文表示，與冷聚變不同，中子引發的嬗變可能成為一種可行的理論。論文由美國東北大學物理學教授Allan Widom和能源工業顧問Lewis Larsen獨立發表。
他們認為，表面塗有氫、氘或氚原子的金屬，在受到特定頻率的振蕩電磁場的驅動下，電子能表現出集體行為（正如愛因斯坦預測的一樣），這種集體行為能夠獲得足夠的能量使之與氫、氘或氚核結合產生中子。
作者推測，中子產生後的運動非常慢，在離開那塊它們生成的微觀區域之前，中子就已經被附近的原子吞噬了。原子會變得不穩定，可能釋放出放射性衰變的副產品，如伽馬射線或高能電子。他們的另一篇獨立論文計算出，電極的微觀表面，比如那些傾向於產生低能中子的表面，是放射性伽馬射線的有效吸收者，所以放射性衰變可以轉化為無害的熱能。這當然是令人興奮的東西，因為熱能可以很容易地轉化為電能。
上述的場景沒有提及核聚變。核聚變需要巨大的能量，能量規模與讓中子和質子結合所用的強相互作用尺度相當。相反，產生中子所需要的能量只是弱相互作用的級別，質子俘獲電子的過程正是用弱相互作用來描述。他們的理論被稱之為Widom–Larsen理論。
他們曾表示，論文發表後，他們才偶然看到了Sternglass的工作和愛因斯坦的解釋。Larsen說：「真正令人難以置信的是，愛因斯坦只是看了Sternglass的數據，就立即意識到所觀察到的中子產生必定涉及某種與電子有關的集體效應。」
Sternglass在60年代投入到了輻射危害相關的調查中，推動了《禁止核試驗條約》的進程。他後來在匹茨堡大學擔任放射學教授，在20世紀80年代合作發明了X射線數字成像系統。或許是受到愛因斯坦深刻的影響，他職業生涯的主要工作是做一些實事。| 圖片來源：The New York Times
Widom-Larsen的論文又掀起了低能核反應（LENR）研究的復興（冷聚變一詞已經被拋棄了）。2012年3月，擁有世界上最強大粒子對撞機的歐洲核子研究中心（CERN）舉行了自1989年以來首次有關龐斯-弗萊施曼實驗的討論會。時年11月，美國核學會（ANS）在聖地牙哥的冬季會議上舉行了一詞關於低能量核反應的分組討論會。美國國家航天航空局蘭利研究中心（LRC）設計了一系列實驗來測試Widom-Larsen理論。
義大利核物理研究所的Francesco Celani，向CERN的同事講述了20個相關實驗，他們確實發現了實驗中產生了一些莫名其妙的熱量，即使只是偶然的可重複。同一場會議上報告，還有一位學者指出，在已經發表的數百篇有關鈀線的論文中都表示，在電流過載時會發生爆炸，並且有些實驗發現產生了中子。他還介紹了通過弱相互作用產生低能中子的潛在技術應用。
對於這樣費解之事，蘭利研究中心高級研究員Joseph Zawodny感嘆，「我無法想像偉大的大自然中有這麼一股力量，令人厭煩，索然無味，一無是處。」
但是，這些研究的名聲仍不是太好。主要是由於現今冷聚變研究者持續不斷的「搞事情」，卻未能提出任何使冷聚變站得住腳的理論，這些研究也基本不會發表在頂級刊物上。《新能源時報》（New Energy Times）編輯Steven Krivit認為，人們還不清楚真正的科學和偽科學之間的區別。這是一份時事通訊，專門報導龐斯-弗萊施曼實驗後發展出的地下科學活動。
除了那些獨立探索外，也有些官方機構受到牽連，NASA就曾遭到炮轟。2011年，監管機構網站NASA Watch刊登了一篇題為《為什麼NASA 蘭利研究中心在冷核聚變研究上浪費時間？》（Why is NASA Langley Wasting Time on Cold Fusion Research? ）的文章。這個標題忽略了核聚變和低能核反應之間的區別。其實，NASA搞偏門的東西不少，前幾年還弄過號稱違反動量守恆的無工質引擎（EmDrive）。
蘭利研究中心的首席科學家Dennis Bushnell說，這個領域還受到實驗數據變化的困擾。當年Sternglass在西屋實驗室就無法重複他曾經的實驗。Bushnell指出，根據Widom-Larsen理論，激發質子捕獲電子需要極強的局部電場，最高可達每米1000億伏特。「有幾種方法可以做到，一種方法是提高電壓。另一種方法是縮小尺度。如果嬗變確實依賴於納米尺度的特徵，如灰塵顆粒、裂縫或是雜質——這些就是縮小尺度的特徵，那麼實驗人員必須能夠在這種尺度上操控材料。」顯然這是一項不可能的實驗。
不過，人們對清潔能源的追求是不變的。Joseph Zawodny認為，嬗變只是一個臨時的結論，可它在發電方面的應用不容忽視。「目前低能核反應產生的能量還不夠煮茶，但是如果能以最理想的方式發揮作用，它就能取代現在的能源生產，那麼我們談論的就是每年至少6萬億美元的市場。」
2016年《化學與工程新聞》以封面報導了冷聚變後25年科學家在繼續研究異常的熱效應。| 圖片來源：ACS
2019年，Nature發表《再探冷聚變懸案》一文（Revisiting the cold case of cold fusion），作者指出了過去實驗的諸多不足，參數空間仍有很大提升的可能，旨在讓科學界重新審視這樁疑案。那些支持Joseph Zawodny並致力於這一爭議性課題的一小撮人，或許會贊同愛因斯坦對Sternglass的建議。1954年3月愛因斯坦去世前13個月，Sternglass給這位大師寄了一份他關於二次電子發射最新出版的文章，以及一張慶祝75歲生日賀卡。愛因斯坦給回了一封列印好的感謝信，這也是兩人最後一封通信。在這封信的背面手寫著兩個單詞：「Be Stubborn」。
參考來源
http://nautil.us/issue/86/energy/einsteins-lost-hypothesisSternglass, 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-moonhttps://www.nytimes.com/2015/02/21/science/ernest-sternglass-physicist-and-nuclear-critic-dies-at-91.htmlKrivit 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).本文主要參考來源自Nautilus Issue 086，Einstein’s Lost Hypothesis。原文在線發表於2013年11月「Waste」，本文對文章進行了重新整理及補充。