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编者按： 不顾激烈的争论，2002年3月8日“Science”杂志坚持登出了4篇关于“气泡核聚变”的文章， 在国际科学界掀起了一场轩然大波，也引起了中国科学界和媒体的广泛关注。从3月6日起，核科学与核技术教育部网上合作研究中心网站对此进行了连续的媒体跟踪和报道，并组织推出了橡树岭“气泡核聚变”的专题，至今已转载国内外各种媒体的报道、专家的论文和相应基础知识介绍文章共30篇，受到核科学界同行的关注和支持。
在3月18日，中国科学院物理研究所王龙研究员在声学所究就“声空化和热核聚变”问题做了主题报告，出席报告会的有来自声学所、物理所、中国原子能科学院、清华大学和北京大学等单位的专家学者，会议就此问题进行了热烈讨论。会后，我们网上合作研究中心向王龙研究员约稿，请他谈谈自己的看法，以求与更多的同行共享.（tsfan）
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最近的中子探测实验和声空化
王龙*（中国科学院物理研究所）
自从Science杂志发表关于气泡聚变实验的文章[1]以后，就出现了两个意思一样的新名词：声聚变（sonofusion）和气泡聚变（bubblefusion）。他们马上就使人回忆起13年前那场热潮以及当时出现的新名词：冷聚变（cold fusion）。没仔细阅读Science原文的人往往误以为这次说的还是冷聚变。其实Science的文章和冷聚变没任何直接关系。在文章中作者判断反应是普通的热核聚变。当前争论的焦点自然是中子测量问题，但实质上是怀疑在这样的气泡中能否达到聚变温度。其物理内容则更多围绕着另一研究领域，称声空化（acoustic cavitation）或声致发光（sonoluminescence）。
声空化和声致发光已有几十年的发展历史。早期英国人发现舰船螺旋桨总因不明原因损坏。他们请了著名的物理学家瑞利解决这个问题。瑞利发现螺旋桨转动时产生大量气泡并认为正是这些气泡腐蚀了螺旋桨。后来认识到是超声激发了这样的气泡，而且发现溶液中的气泡可催化一些反应，因而产生了声化学（sonochemistry）这样一门学科。1934年科伦大学的H.Frenzel和H.Schulter发现超声波激发的大量气泡的发光现象[2]。第二次世界大战期间，人们观察到当潜水艇在暗夜里驶过后，留下一片闪光的尾迹，经久不灭。声致发光是既奇异又很普通的现象，可能在自然界广泛存在。去年，Nature杂志曾报道对一只虾的观察。这只虾蹬一下腿就在水中产生一个小气泡[3]。这个气泡发出很短的光脉冲。光很弱，用肉眼看不见，但由此估计泡中气体温度至少5千度。于是又产生了一个新词：虾发光（shrimpoluminescence）。还有人认为，由于可催化通常条件下不可能的化学反应，自然界的泡发光现象可能在地球生命的早期孕育中起了重要作用。
90年代以前，所有的声致发光现象都是后来所说的多泡声致发光。这样一群不能准确定位的气泡很难精确测量和研究。1990年，美国密西西比大学的博士生D.F.Gaitan和他的导师、华盛顿大学的L.A.Crum等人首次实现和研究了单泡声致发光[4]。他们将一水槽中的微小气泡用超声场约束在中心，并周期性压缩，观察到气泡发出同步很好的光脉冲。单泡声致发光有准确的时空定位，便于测量和研究。它的发射光谱是一个连续谱；而多泡声致发光有一个OH谱线。这显示它们可能有本质的不同。
单泡声致发光有非常独特的性质。其驱动声场的压强在1.2-1.6个大气压区间。超过此范围则气泡不稳定。气泡最大半径为几十微米，可压缩至小两个数量级。因为一般认为气泡是球对称的，所以其体积压缩了10**6倍。气泡被压缩至接近最小时发光。光脉冲宽度为几十至300ps。其强度对于驱动压强、频率、液体介质、泡内气体、液体温度非常敏感。当水温从室温降到零度时，发光强度可增强近百倍。虽然一些其它液体介质也观察到发光现象，水仍然是最佳介质（发光最强）。辐射光谱为连续谱。其紫外部分因水的吸收而不知最短波长在何处。惰性气体泡可发出很强的光。空气泡的发光也很强，但纯氮气泡的发光极弱。为解释这一现象，有人提出一种“整流”假设：在气泡压缩过程中，空气的主要成分都通过化学反应溶解到水中，只剩下惰性气体氩[5]。所以空气泡发光实际上是氩气泡发光。这一假设已被广泛接受。当然最使人惊异的是局域性不强的声子如何产生高度局域的光子，使能量密度增加了10**12倍。由于气泡内的参量不能直接测量，泡内究竟发生了什么就成了一个谜。
不同模型用来模拟计算气泡压缩过程。由于原来主要是声学界从事这一研究，最初采用绝热压缩模型，后来用中性流体方程，称为Rayleigh-Plesset方程。后来，将等离子体方程加进去，可计及气体电离和电荷分离。研究初期，计算的压缩后的气泡内温度可能很高。近年来，计及了各种能量耗散过程，特别是发现水蒸汽的蒸发和分解会吸收大量能量，使压缩后气泡内的温度没有原来计算的那样高，最低估计只有几千度。这样一来，原来估计的激波就不能存在，而且作为主要光机制的轫致发光也成了问题，可能为复合辐射或分子振动能级的激发所代替。
近年来的又一实验进展是J.B.Young及其合作者对弱的单泡声致发光的观测[6]。他们故意把光变弱，然后连续几天测量其光谱，发现极弱的单泡声致发光的光谱也包含OH线谱，和多泡声致发光一样。
声致发光和核聚变。单泡声致发光的特异性质刚发现时，用简单的模型计算的泡内温度最高可达100eV，即10**6度。其能量的惊人汇聚力使人希望能用这样简单的设备产生盼望已久的热核聚变，以致于美国Lawrence Livermore国家实验室的W.C.Moss称这样的发光气泡为瓶中之星（Star in a jar）并具体讨论了这种“台面微聚变”的可能性[7]。
但是，随着各种能量损失机制的引进，所计算的泡内温度越来越低，对核聚变的期望也越来越低，原来的研究热情大减。虽然今年刚发表的理论文章提出，泡内气体压缩时非理想气体的排空效应会抑制水的吸热分解反应[8]。由此得到的泡内温度也不过从几千度提高到几万度，距离核聚变所需的温度还很远。
在这种低调的空气下，Science的文章[1]发表了。这一文章自然有它的创新之处。它的第一项技术创新是使用中子束产生气泡。而以往的气泡都是从外界注入的，或电解或局部加热产生，也有用激光产生的。这样产生的气泡半径是微米量级，压缩比是两个量级。用中子束产生的气泡要小得多，为10-100nm。注入和气泡产生是在声场张力相发生的，所以在液体张力作用下，它长至约1mm的最大半径。这样它的最大半径和初始半径之比就有10**4-10**5。所以推测它的压缩比要较通常方法大得多。自然这可得到更高的泡内温度。
第二项技术创新是用氘丙酮作液体介质而未用重水。作者解释氘丙酮可承受很大的张力而不自动（无中子束）产生气泡。而且，氘丙酮有接近1的相变系数，而重水的相变系数很小（0.075）。大的相变系数有利于产生高温。
用中子束于声场张力相在超声共振腔波腹处产生气泡的方法不能保证只产生一个。计算表明每一脉冲中子束产生约1000个气泡。所以这一实验实际上是多泡声致发光而不是单泡声致发光。这也是该实验的特点，说明多泡发光和单泡发光可能本质上是一致的。
声致发光和“冷聚变”。虽然这一实验有若干创新之处，并能言之成理。但文章尚未发表，非议之声就不绝于耳，险些使文章胎死腹中。个中原因不难理解，就是人们一看到这篇文章就马上想起了“冷聚变”，有人甚至预言这篇文章的发表不过是“冷聚变”丑闻的再版，不久后就将成为“脱口秀”谈论的笑料。
声致发光和“冷聚变”的关系并非从今日始。已故的诺贝尔奖获得者Schwinger就很相信“冷聚变”。他举声致发光为例，说明用简单的装置实现能量高度聚集并非不可能。但他没有说声致发光就是“冷聚变”，而提出一种量子场论中真空极化的动力Casimir效应来解释声致发光[9]。另一些人则认为声致发光就是“冷聚变”。这次Science文章的发表，不管能否检验核实，“冷聚变”研究者肯定感到鼓舞。
回顾“冷聚变”的历史并非没有教益。1989年3月23日，Pons和Fleischmann两位国际知名的电化学家召开记者招待会之后不到十天，就有几个国家的数个小组声称重复了这个实验。这时，他们所相信的“冷聚变”，就是教科书中所说的产生2.45MeV的中子、氦3或者质子、氚的那两种D-D反应。为证明发生了这样的反应，最确凿的证据莫过于中子的探测。所以在“冷聚变”研究初期，大家都致力于探测中子。在理论上，有人用介子催化、隧道效应等机制来试图解释为什么在常温下氘核可克服库仑势垒。但很快，谁也得不到稳定产生的、和其它聚变产物比例匹配的中子。于是“冷聚变”研究者干脆放弃了这种努力，改为去测量“超热”，并相信存在一种“没有中子产物的冷聚变”。所以，常温下不可能发生那种原来意义上的“冷聚变”已?晌?彩丁Ｖ劣谑欠翊嬖谛碌囊庖迳系摹袄渚郾洹保?貌挥柚闷馈?
事实上，早在1989年，美能源部“冷聚变”调查组两主席之一，诺贝尔奖获得者Ramsay就对此事作出至今未过时的结论：“本报告所讨论的室温核聚变类型与半世纪以来获得的对于核反应的理解相矛盾。它要求发现全新的核过程。”
“冷聚变”研究的另一教训是对中子探测结果的解释须十分小心。像Science文章所说的现象，如果在今后几个月内不能用重复性的实验证实，就可以认为它被否定，尽管这其中可能存在若干不能解释的现象或事件。
参考文献：
[1]R.P.Taleyarkhan, C.D.West, J.S.Cho, et.al. Science 295(2002) 1868.
[2]H.Frenzel and H.Schultes, Z.Phys.Chem. B27(1934) 421.
[3]D.Lohse, B.Schmitz, and M.Versluis, Nature 413(2001) 477.
[4]D.F.Gaitan and L.A.Crum, J.Acoust.Soc.Am.Suppl. 1 87(1990) S141.
[5]D.Lohse, M.P.Brenner, T.F.Dupont, et.al. Phys.Rev.Lett. 78(1997) 1359.
[6]J.B.Young, J.A.Nelson, and W.Kang, Phys.Rev.Lett. 86(2001) 2673.
[7]W.C.Moss, D.B.Clarke, J.W.White, et.al. Phys.Lett. A211(1996) 69.
[8]R.Toegel, S.Hilgenfeldt, and D.Lohse, Phys.Rev.Lett. 88(2002) 034301.
[9]J.Schwinger, Proc.Nat.Acad.Sci. 90(1993) 2105.
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王龙：男，1940年生，1964年北京大学物理系毕业，1967年中国科学院物理研究所研究生毕业。研究员，博士师。
主要研究方向：实验等离子体物理
过去的主要工作及获得的成果： 托卡马克等离子体物理，电子回旋波电流启动，交流托卡马克，等离子体湍流，气体放电中的非线性现象，电离层的人工变态，多极场等离子体装置，磁镜中的粒子约束，超短脉冲激光和等离子体的相互作用，声致发光过程的数值模拟，落管工程，在国内外刊物上发表论文100余篇。
目前的研究课题及展望： 等离子体湍流，尘埃等离子体，低温等离子体装置（ECR，HELICON，DBD，增强辉光放电），电磁波和非均匀等离子体的相互作用，球形托卡马克，等离子体的数值模拟。拟开展胶体物质的研究。
培养研究生情况： 已培养博士生8名，硕士生2名，均获得响应学位。其中获得院长奖学金优秀奖2名。在读博士生2名，硕士生1名。出站博士后1名，在站博士后1名。
联系电话：010－82649137
E-mail：wanglong@aphy.iphy.ac.cn
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