伯克利了解科学系列
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  • 我们无法准确定义科学是什么。但科学有一系列的关键特征，总结在对比清单里。
聚变，就是当两个质量轻的原子（例如氢原子）聚合到一起组成质量较重的原子。聚变的过程会释放大量的能量。
1989年，化学家斯坦利·庞斯和马丁·弗莱希曼声称在室温下创造了聚变。人们一般认为聚变需要高温，所以这个室温下的聚变就被称为“冷聚变
”
。消息一经传开，全世界都兴奋了。他们的这一发现为能源危机提供了潜在解决方案：生产这种能源成本不高，且没有污染或辐射废弃物。

应用对比清单，我们来看看，庞斯和弗莱希曼的这项工作是不是科学:

提出关于自然界的问题？
恒星的能量来自聚变，太阳就是如此。聚变发生在太阳内部，温度约有15000摄氏度。庞斯和弗莱希曼试图在21摄氏度用氘原子对来产生聚变。氘比氢原子多一个中子，在海水中常见。
以解释自然界为目的？
已有其他科学家证实，稀有金属钯可以吸收大量氘。庞斯和弗莱希曼设想，氘原子在钯样品的内部会被挤压到足够接近彼此，从而聚合到一起。如果在钯内部真的发生了聚变，那就能解释为什么钯能吸收的氘异常多。庞斯和弗莱希曼对这个解释很感兴趣。当然他们主要动机还是在较低温度创造出能源，给社会带来效益。
有可验证的观点？
庞斯和弗莱希曼建了一个“聚变电池”，本质上是把两种金属（其一是钯，其二是铂）浸入重水（重水就是水分子中的氘替代了氢）。电流分离重水分子，产生氘气和氧气。氘可以被钯吸收。如果钯的里面发生聚变，就会产生大量能量。
描述质子中子如何互相互作用的核理论进一步预测，聚变的初级产物是氦-4（2个中子的氦原子），氦-4迅速释放一个中子或一个质子或伽马射线。如果聚变真的发生了，可以用核理论基于氘反应产生的能量预测附属产出物的量。

依赖证据？
庞斯和弗莱希曼发现他们的实验制造了大量能量。这么大的量，他们只能用聚变来解释。然而，无论是中子数还是伽马辐射量都与核物理产生的预期不相符。并且，庞斯和弗莱希曼一开始也没有检查，他们的实验是否产生氦。最终，氦的测试结果和冷聚变发生这个观点不相符。此外，核物理学家史蒂芬·琼斯带领的另一个研究组重复了相似的实验，但得到了不一致的结果。庞斯和弗莱希曼选择忽视那些结果。
图：冷聚变电池示意图
涉及科学共同体？
琼斯建造了利用最新技术的中子探测器，他有中子探测的经验，这是庞斯和弗莱希曼缺乏的。然而，庞斯和弗莱希曼拒绝与他合作。事实上，他俩偷偷开展工作，甚至不去咨询自己大学里的物理系同事。
《电解化学期刊》（Journal of Electroanalytical Chemistry）的一位美国编辑（他也是庞斯的熟人）认识到他们的结果非常重大，同意让庞斯和弗莱希曼的论文迅速通过审核。编辑设定了很短的审核时间，并且同意不需要按照惯例将修正再发回审核者做确认。这样一来，一般需要几个月的审核过程被缩短到了9天。
在文章正式发表接受科学共同体检查之前，他们举行了新闻发布会宣布了这一结果。
图：庞斯-弗莱希曼的期刊论文节选jiejiexu

引出进一步研究？
庞斯和弗莱希曼的发现可能会解决世界能源问题，并修正核理论。因此，很多科学家都急忙去确认结果。不仅实验研究者试图重复实验，很多理论研究者也开始研究庞斯和弗莱希曼的发现是由于钯内部的哪些效应。然而，大多数人都无法找到支持聚变的证据。一些实验研究者制造了大量能量，这或许是来自聚变，但没人能做到恰逢其时：它们有时能产生大量热，有时却不能。这样稀疏错落的结果不利于发生了冷聚变的这个观点。到了1989年末，大多数科学家都不再相信庞斯和弗莱希曼的这个观点。然而，还有一些科学家继续研究这个主题，试图理解“钯-氘”的实验不确定性为什么这么高，要如何用物理理论解释。其中一些研究，一直持续到今天。
图：研究冷聚变的现代实验装置


参与者遵守科学规范？
科学家的典型行为是关注别人已经做了什么。一般来说，科学家会广泛学习自己的研究领域。庞斯和弗莱希曼是电化学家，他们并没有深入学过核物理。尽管如此，他们拒绝有这方面知识的科学家帮助，并且选择忽视这些科学家的结果。他们不和其他人坦诚地交流观点和验证，在论文中省略了关键的技术细节，这样一来其他科学家要重复实验和重现结果，就变得困难重重。一开始，他们也没有做一些能够反驳他们假说的一些短平快的小测试。当科学共同体施加了很大压力后，庞斯和弗莱希曼才交出他们的钯，用来分析聚变的附属产物氦。
你做出判断了么？你觉得，庞斯和弗莱希曼的冷聚变研究有多符合对比清单？
我们的答案：
冷聚变研究本身，没有什么不科学的。事实上，利用实验去研究原子之间的互相作用，是典型的科学。而提出一个假说，最终不被证据支持，在主流科学中也很常见。即使一个假说是“错”的，是要被放弃的，研究本身仍然为我们的知识库增加了有用的信息。这个故事中，背离科学准则的是研究者的行为：绕开科学共同体的反馈、忽视证据、没有试图寻找反对自己观点的证据，这些行为和科学的目标背道而驰。
所以，它是科学么？这个案例表明，科学的边界模糊。这项研究最后产出了科学信息（即使只是在一个特定条件下“没有”发生什么），但研究者的行为将研究本身带离了脚踏实地的科学。
Cold fusion setup photo courtesy of the Purdue University Applied Physics Laboratory — from Kim, Y.E., D.S. Koltick, R. Pringer, J. Myers, and R. Koltick. 2006. Experimental Test of Bose-Einstein Condensation Mechanism for Low Energy Nuclear Reaction in Nanoscale Atomic Clusters.
Condensed Matter Nuclear Science
, pp. 711-717. World Scientific Publishing Co., Singapore.


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Understanding Science. 2017. University of California Museum of Paleontology. 3 January 2017 <http://www.understandingscience.org>.  
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