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《瓶中的太阳》微观容器里的能量奇迹
铛铛铃2025-09-13【科普】435人已围观
简介
今天为您解读的书是《瓶中的太阳》，
副标题是“核聚变的怪异历史”。
近几十年来，面临着煤炭、石油资源的日益枯竭，人类对能源的渴望愈发强烈。当科学家发现太阳拥有几乎无穷无尽的能量的时候，他们萌生了一个大胆的想法：在地球上制造出一个微型人造太阳，一劳永逸地解决能源问题。啊，这本书就讲述了一部人类造太阳的历史。
这听上去啊，似乎又是一回人类征服自然的科学壮举，但这一次，人类失败了。本书的副标题叫做“核聚变的怪异历史”，它怪异在哪儿？它怪异在科学家们竟然抛弃了求真求实、理性批判的基本精神。当他们发现造出一个太阳的梦想会带来金钱、名望，甚至军权和政权时，就集体迷失了自我，失去了对科学的敬畏之心。他们疏忽科学验证、违背学术道德、伪造科研成果，一次又一次宣告人类驾驭了太阳，最终呢，却一次又一次地在失败当中收场。
本书的作者查尔斯·塞费，是美国耶鲁大学数学硕士，同时又是纽约大学新闻系教授。他曾亲身经历和见证了这出科学闹剧，并借助大量详实的历史资料，为我们还原了一部苦涩的人造太阳发展史，揭露出科学界自负、贪婪、虚伪的一面。
下面我就从军事和能源两个方面分别展开，带你一睹人类这场持续了半个多世纪的太阳梦。
首先，一起来说一说人造太阳在军事上的威力。当人类第一次认识到太阳的能量时，首先想到的不是用作能源，而是用作武器。如何使用这种力量呢？我们先要了解太阳释放能量的基本原理——核聚变。核聚变当中的“核”指的是原子核，原子核是可以拆分组合的。两个质量较小的原子核聚合到一起，形成一个质量较大的原子核，叫做核聚变；反之，一个质量较大的原子核被拆开，变成质量较小的原子核，叫做核裂变。核聚变与核裂变统称为核反应。没错，它们就是核武器的基本原理。
人类认识核反应是从核裂变开始的。1898年，居里夫人发现了一种神奇的物质——镭，这是科学家第一次领略到核反应的威力。镭产生能量似乎是无中生有，在没有任何化学反应的情况下，它呢，就像是一个小火炉一样，能够自己加热，并且产生放射性物质。100多年前居里夫人用过的笔记本，直到今天都必须储存在用铅制成的盒子里，它所沾上的镭的尘埃，依然在不断地向外辐射出能量。
根据热力学定律，能量不可能凭空产生，镭的热量来自于哪里呢？答案在于爱因斯坦著名的质能方程：E等于MC的平方，也就是能量等于质量乘以光速的平方。质量和能量是可以转换的，而且只要有一点点质量发生转换，就可以产生逆天的能量。比如说，当1000克镭发生核裂变时，会变成稍稍轻一点的氡元素，仅仅亏损23毫克的质量，相当于一个药片的重量。可是呢，这个小药片经过质能方程转化之后，将释放出相当于400吨TNT炸药所释放的能量。人类呢，立刻被核裂变不可思议的威力迷住了，并且深深为之震撼。于是原子弹诞生了。
它的原料是铀235，这种元素异常敏感，用一个亚原子粒子撞击它，它就会分裂成若干个小原子核，并且伴随着中子从破碎的原子当中飞出。这个中子就像是一张多米诺骨牌，一个原子裂，飞出的中子经过40多个回合的撞击之后，将引发超过1万亿次的原子分裂，这就是原子弹最可怕的链式反应。
核裂变让人类掌握了一件魔鬼般恐怖的武器。美国曼哈顿工程制造了第一枚原子弹，工程领导人奥本海默在后来陷入了深深的自责。对一个有良知的科学家来说，原子弹代表着科学从文明的神坛上跌落。他甚至在联合国大会不顾总统的颜面脱口而出：“总统先生，我的双手沾满了鲜血。”
然而，潘多拉的魔盒已经打开了，原子弹只是刚刚开始。一种比原子弹强大数千倍的力量即将出现，这种前所未见的力量就是核聚变，就是太阳数十亿年来燃烧不息的能量之源。核聚变是核裂变的逆向过程，但是二者作用的条件却大不相同。前面说了，镭进行核裂变反应时，像是自己加热的小火炉，你什么都不用做，常温之下它就自动进行。可是核聚变却不同，它对作用的条件要求非常高。
我们知道原子核是带正电的，两个带正电的原子核是相互排斥的，要将它们强行聚合到一起，必然需要借助巨大的外力，也就是高压强和高温度。高压强让原子核贴得足够近，高温度让原子核撞击得足够猛。我们以太阳为例，太阳上充满了氢原子，在高压强和高温度的条件下，两个氢原子核同时撞碎，产生了重一些的氦原子，同时释放出能量，加热了太阳。本来这个过程会让太阳越烧越热，最后炸掉，但是实际情况呢，是热量会导致太阳膨胀，一膨胀，压强就会减小，于是原子之间的碰撞也就不那么频繁了，聚合速度自动放慢。聚合减少，温度也就下降，温度下降导致太阳收缩，一收缩，压强啊又再次增大，使核聚变的频次重新增加。于是太阳就在这样一种平衡当中，稳定地释放着能量。
人们发现，核聚变产生的能量要比核裂变多得多，这是因为在相同质量的原子核发生核聚变时，会有更多的质量亏损，也就转化为更多的能量，它的威力比核裂变大几十甚至上千倍。当人类发现了太阳的秘密时，原子弹已经不值一提了。有人想要获取太阳的威力，制造出核聚变炸弹，这个人呢，就是美国科学界内心最阴暗的科学家之一——爱德华·特勒。特勒也是曼哈顿计划的一员，但是他对原子弹没什么兴趣，要干就要干大的，他就是想制造氢弹。特勒的同行曾经这样说道：“我真的认为，没有特勒，世界会更美好。”
1952年11月1日，一枚名叫“常春藤麦克”的氢弹让太平洋上的埃鲁杰拉布岛顷刻间消失了，这相当于700枚投放到广岛的原子弹的爆炸当量。人类第一次在地球上施展了太阳的威力。这场大灾难的主设计师特勒，在地球的另一端，从一台地震仪上观测到了地球的抖动，他知道自己成功了。
然而美国人仅仅得意了3年，苏联也引爆了他们的氢弹，同样向地球上的居民释放出了太阳的盛怒。在美苏疯狂的军备竞赛中，毁灭地球已经快变得易如反掌。和平主义者的反对浪潮此起彼伏，两国人民都觉得这种力量过于恐怖，开始限制核聚变武器的发展。但是沉醉其中的特勒不想止步，为了继续他的核聚变梦想，他提出氢弹不光能用来打仗，还能够造福人类。
当时呢，正好赶上埃及政府对苏伊士运河实行国有化，将这条至关重要的水路从西方国家手里抢了回去。疯子特勒立刻提出：“啊，这事儿好办，咱们沿着以色列引爆一串氢弹，这样就能够在一个亲西方国家的领土上再炸出一条运河了。”他呢，甚至还想过用氢弹轰炸月亮，以减少月亮对地球的气候影响。还好呢，他的这些疯狂想法都没有实现。
实际上呢，要和平利用氢弹几乎是不可能的。如果说科学家既想利用太阳的威力，又不想引火烧身，就必须约束这种力量，就好像是把太阳装进瓶子里一样，用多少拿多少，让核聚变变成一种可控制的、可以按量提取的行为。那么现在最大的问题就是，上哪儿去找一个能够装下太阳的瓶子呀？
下面呢，我们就来讲一讲第二个方面——利用核聚变来制造能源，它围绕着一个核心问题，就是如何为太阳找瓶子。乍看起来，制作一个足够结实的瓶子来安放燃烧的太阳似乎不太可能。既然核聚变能够产生人类已知的最大能量，又有什么材料牢固到能够经受住一次核聚变呢？一次核聚变的温度将达到几千万到几亿摄氏度，即便是钻石也会顷刻蒸发。
然而呢，科学家们呢，还真就找到了这样一种瓶子，它用的不是任何材料，而是磁场。我们来看看磁场是怎么样充当瓶子的。电磁定律表明，运动中的电荷会受到磁场的影响。我们知道原子是不带电的，不受磁场影响，但是组成原子的电子和原子核倒是带电的，一个负电，一个正电。在核聚变反应当中，当原子处于超高温条件下，电子和原子核就会分离开来，自由运动。此时这两种带电的粒子就开始受到磁场的影响了。如果在它们的运动方向的垂直方向上施加一个磁力作用，粒子就会改变路径，不再做直线运动，而是做圆周运动。磁场越强，运动的圆周就越小。这样我们就能够俘获这些炙热的粒子，让他们原地转圈，不会乱跑。只要有合适的磁场，就能够得到一个完美的瓶子。
根据这个原理，科学家终于把瓶子给设计出来了。率先使用这个瓶子的是美国，他们给这个设备取名叫做“哥伦布机”。1955年，美国科学家看到了哥伦布机中出现了核聚变的迹象，这个迹象就是产生了中子。为什么会有中子呢？因为核聚变的原料是氘和氚，它们都是氢的同位素。所谓同位素就是原子的质子数相同，但是中子数不同。嗯，氘含有一个中子，氚呢，含有两个中子，它们聚合成的氦也是有两个中子，那么多余的一个中子就成了核聚变的副产品。由于中子不带电荷，不受磁场约束，所以会飞出磁场。因此检测到中子是核聚变反应最好的标志。
在美国人的实验里，有数以万计的中子爆发，这让人们欢呼雀跃，马上宣布核聚变试验获得成功。可是事情竟然有这么容易吗？很快就有人表示怀疑了。在一次真正的核聚变当中，中子应该从四面八方以相等的能量涌出，可是美国人的实验里，各个方向释放的中子所携带的能量是不均匀的。一番检查之后，结果令人沮丧，这些中子的确是核聚变产生的，可是并不是高温下的核聚变。由于仪器的不稳定性，一部分非常炙热的原子核与一部分较冷的原子核相互作用，聚变产生了中子。可能你要问了，这不都是核聚变吗？有什么不一样的？咱们要的核聚变啊，是为了获得能量，是让两个滚烫的原子核自发结合，可是在这个实验里，两个热原子核没碰上，而是一热一冷的两个原子核碰上了，他们根本不会自发反应，这就好比是拿这个冷水兑热水，越兑呀，这水越凉。想要兑完之后还是热水，那就得再去加热。所以这种聚变消耗的能量比得到的能量还要多，这就没有意义了呀。美国的尝试宣告失败。
可是拥有太阳梦想的不止他们一个，大洋对岸的英国也制造出了一个瓶子，取名叫做“ZETA”。1957年，英国人也是在实验当中检测到了中子。尽管有人提出了疑虑，但是呢，自鸣得意的齐声欢呼立刻淹没了怀疑的声音，大多数研究员都坚信他们开发出了世界上首个人造太阳。当时英美两国正在共享核聚变的研究材料，英国的率先成功让美国人特别没面子。为了能够多捞点政治利益，美国媒体硬是把此事说成是两国共同取得的成就，还强调说两国是并驾齐驱。一时间呢，全球的报纸都沸腾了，各国纷纷效仿，瑞典、日本都建造了同样的ZETA装置，并且呢，都宣称实现了核聚变。核能前景啊，真是遍地开花，形势一片大好。
可是还是有头脑冷静的科学家觉得，嗯，这事儿没那么简单。有人采取了几年前检验哥伦布机同样的办法，竟然发现ZETA产生的中子也是冷热碰撞产生的。中子是消耗能量的，英国傻眼了，一切都是假的。美国和那些声称实现了核聚变的国家更是尴尬，明明已经有了前车之鉴，却偏偏在同一个错误上栽倒了两回。乐观情绪的驱动、追求荣誉的自负以及贪婪欲望的唆使，让这些科学家在全世界面前丢尽了颜面。
核聚变的诱惑实在是太大了，科学家甘愿放弃验证，也要冒险宣布使自己率先达到了目标。ZETA事件之后，全世界的科学家终于意识到，人类想利用太阳的力量远远没有那么简单。
在英美两个大国接连失利之后，第三个竞争者苏联登场，他们发明了一种全新的瓶子，名字叫做“托卡马克”。它有一项革命性的设计，那就是引入了激光技术。激光跟手电筒发出的光啊不太一样，手电筒里的光是由不同颜色的光混合在一起，而激光由单一颜色的光构成，它能够传播到很远的距离而不会有太多的散开和衰减。如果说普通光束当中的光子是一群杂乱无章的乌合之众，那么激光当中的光子就是一支步伐整齐的威严之师。有了激光，就能够以极高的精确度瞄准一个位置，像一个非常微小的空间倾注巨大的能量。
在托卡马克机的内部，激光从四面八方射向一块燃料，光束就会迅速加热并且压缩这团燃料，从而产生核聚变。几乎一夜之间，世界各地的物理学家又都把什么哥伦布机、ZETA机当作废铁扔在一边，全都一窝蜂地建造起了托卡马克机。当时刚好赶上第一次石油危机，托卡马克又点燃了人们对无限能源之梦的热情。在耗资上千万乃至上亿美元建造起来越来越大型的托卡马克机之后，人们发现核聚变还是不能够成功。因为激光很难做到加热均匀，较为轻的电子比较为重的原子核受热快，还没等到这原子核达到温度发生巨变呢，电子就已经热到自己先爆炸了。英、美、苏三个大国的实验均宣告失败，核聚变的梦想依然是遥遥无期。
磁场也好，激光也好，都面临着技术困扰，为了克服这些问题，仪器的造价越来越高，但是效果呢，却令人失望。这时有人开始思考，是否存在着廉价又容易的方法呀？于是，20世纪最大的科学败笔——冷聚变粉墨登场了。
故事的主角是美国犹他大学的两位化学家——弗莱施曼和庞斯。他俩注意到一种叫做“钯”的金属能够吸收大量的氢原子，于是他们设想，如果用氢的同位素，也就是核聚变的原料氘来代替氢，让钯吸收氘，吸收的越多，氘在钯原子内就越拥挤，当它们无限靠近并且发生碰撞时，不就诱发核聚变了吗？一直以来，核聚变公认的条件是高温度和高压强，人们之所以一直失败，就是因为这两项条件难以控制并且成本太高。如果能够在常温环境下实现冷聚变，那无疑是攻破了最难的一关。
于是这俩人儿呢，在自己家的厨房里做起了实验，结果还真的发现钯吸收了氘并且散发出了热量，他们马上断定实验诱发了核聚变。于是两个人立即向美国能源部提交报告，申请资金支持。巧的是，能源部的论文评审人琼斯刚好也在研究常温条件下实现核聚变的问题。三个人一碰头，呃，弗莱施曼和庞斯心里开始打鼓了，哎哟，万一这个琼斯抢先发布了研究成果，怎么办呢？只有第一个掌握冷聚变秘密的人，才能够被世界拥戴为英雄，才能获得全部的金钱、荣誉和权力，第二名没有任何意义。
于是，三个人约定，为了公平起见，双方分头各写成一篇论文，同一天在机场碰面，一起把论文交给联邦快递，寄给最权威的英国《自然》杂志，由他们来评判。可是弗莱施曼和庞斯却抢跑了，就在约定投稿的前一天，两个人在犹他大学举办了一场盛大的新闻发布会，抢先向世界宣布他们在室温的条件下降服了核聚变。这种做法不仅背信弃义，而且呢，违反了科学研究的规范。按照惯例，一个科学设想在有了初步的实验结果之后，还应该进行一系列严格的论证，以获得确定的结果，然后经过同行评议，在学术期刊上发表，这才是发布科研成果的正常渠道。没有论文，也没有数据，而是靠媒体发布会来公布成果，这真的是相当罕见呐。
媒体的影响力带来了鲜花、掌声以及金钱，弗莱施曼和庞斯一时风光无两。可是全世界的物理学家都急得像热锅上的蚂蚁，大家都很迫切的想要得到实验细节，可是呢，他们俩人儿却支支吾吾不肯透露。其实他们自己心里根本没底，如果说是真正的核聚变，每秒钟应该出现大约1万亿个中子，可是他们只探测到了20来个，却硬是把这当做了核聚变的证据。
不难想象，当世界各地的科学家重复进行实验时，立马就发现了这事儿根本不靠谱啊。除了中子的问题以外，俩人声称探测到了热量，也遭到了质疑。如何证明热量是来自于核聚变，而不是来自于别处呢？或许有其他因素导致了金属发热呢？嗯，这需要进行一次对照试验，也就是把试验当中所用的含氘的水换成普通的水，再做一次完全相同的实验。这种对照实验是连大学一年级理科生都知道的必要流程，可是当被问到为什么不公布对照实验时，弗莱施曼却说：“我不准备回答这个问题。”庞斯则回答的更为干脆：“对照实验没有必要。”
最终在常温条件下根本无法实现核聚变，冷聚变被证伪，这是一场丢人现眼的闹剧。可是，核聚变的诱惑已经成为了一种蛊惑人心的力量，用科学事实都摧毁不了。很快，历史闹剧再一次重演了，这一次，核聚变卷入了赤裸裸的学术欺诈。
一位名叫塔利亚·克汗的美国科学家给《科学》杂志投了一篇论文，声称它实现了一种新的核聚变方法，叫做“气泡聚变”。这种聚变基于声音能转化为光的原理。呃，你是否有过这样的体验，当你用腹部朝下的姿势跳水，就会感到肚子被水砸的生疼，此时的水表现的更像是固体，而不是液体。这可不是一个比喻啊，水在某些情况下确实能够表现出固体的特性，它能够像固体一样破裂。当水破裂时，会产生微小的真空气泡，这时在水中传播的声波会对气泡产生压力，而挤压会产生热量，当加热到几万度时，就能释放出光，这就是声致发光的原理。
塔利亚克汗的论文指出，他能利用这种气泡升温实现核聚变。论文有数据、有对照试验，论证方法也都严谨正确，但是人们还是很怀疑，实验真的成功了吗？正当大家都在猜测和观望时，有人在另一本叫做《核能工程与设计》的期刊上刊登了一篇同样的研究文章，证实了气泡核聚变是可行的。塔利亚可汗马上声称这是一项了不起的成就，自己的实验结果得到了独立证实。他呢，甚至还到BBC上直截了当的说：“希望啊，我能够获得诺贝尔奖。”
可是呢，人们很快就发现，气泡核聚变实验无法产生中子，实验根本就是失败的。那这个独立证实的论文是从哪儿来的呢？居然是塔利亚可汗自己写的，而挂名的论文作者其实就是他的实验室里的研究员，几乎什么工作都没有干啊。这还真是一人分饰两角儿，自唱双簧啊。本来塔利亚·克汗还是一位受人尊重的工程师，可是在他不择手段地追逐诺贝尔奖的梦想里，用学术欺诈彻底断送了自己的职业生涯。
接二连三的失败和巨额的开销让人们开始意识到，也许没有哪个国家、哪个人能够独立地完成驾驭太阳的伟业，不如啊，咱们把资源集中在一起，建立一个国际核反应堆，是不是就能够实现突破了呢？然而，人心是贪婪的，虽然大家都觉得建一座大型国际反应堆是一件很棒的事，可是反应堆呢，只有一个，所有人都希望建在自己的国家。结果呢，是美国、德国、日本各建一所，所谓的集中资源、共同努力的倡议啊，化为泡影。脆弱的国际合作终于没有维持下去，在大把烧钱却看不到前景时，美国国会决定退出合作，因为他们只想看到投资回报，至于什么纯粹的科学研究啊，还是省省钱吧。
故事讲到这里，我们看到人类为实现无限能源的梦想付出了巨大的代价，可是这个能源之梦真的如此美好吗？有人宣称核聚变提供的是清洁、安全的能源，不像核裂变那样会产生有害的辐射。然而，一个秘密，核聚变并不是那么干净，这是因为聚变过程产生大量中子，中子不受磁场的约束，也就是说，它能够从这个装着太阳的瓶子当中漏出来。这些漏出来的中子能够轻而易举地穿过普通物质，并使稳定的原子变成放射性原子，一旦接触人体，就能杀死细胞，引起癌变。这是一个公开的秘密，可是却不能够阻挡人们对这种巨大能量的渴望。
以上就是这部《核聚变的怪异历史》，半个多世纪来，科学界似乎集体中了魔咒一般，他们轻易的忘记前人的痛苦教训，一次又一次的从漏洞百出的实验当中，得出了核聚变成功的结论，一次又一次在闹剧当中收场。如果说科学家不能摆脱这种虚荣、自负的自我欺骗，不能以一颗谦虚和敬畏之心去探索自然，那么把太阳装进瓶中，将永远都是人类可望而不可及的黄粱美梦。
好，这本《瓶中的太阳》就为你解读到这里，听书笔记在音频下方，我们明天见。
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