重现87年前的实验，为第一个氘氚聚变发现者正名

近期，洛斯阿拉莫斯国家实验室与杜克大学的物理学家合作，重现了一项1938年的实验——首次观测到氘-氚（DT）聚变。一直以来，学界普遍认为氘氚聚变是在1942年曼哈顿计划的伯克利会议上提出的，但实际上该实验启发了曼哈顿计划关于氘氚聚变的研究。而这项早期实验和当时的实验者阿瑟·鲁利希几乎被遗忘了。如今，复原实验确认了阿瑟·鲁利希核心结论的正确性——他得到了正名。相关成果发表在与 1938 年论文相同的 Physical Review 期刊上。

撰文 | 一根弦

氘氚聚变

在正式介绍氘氚聚变（DT聚变）之前，先解释下氘和氚为何物。

平时我们基本不可能接触这两位“孪生兄弟”，原因是氕的天然丰度高达99.98%，而氘的丰度仅有0.016%，氚的丰度就更低了。

氕核就是个光秃秃的质子，质量数为1；氘核比氕核多一个中子，质量数为2，也被称为重氢；氚核比氘核再多一个中子，质量数为3，也被称为超重氢。

这里感慨一句：“氕氘氚”这三个汉字的设计巧妙地反映了同位素的特性，通过气字头下不同的笔画数量来对应它们原子核中的核子数。

当氘核和氚核放在一起时，会发生如下反应：

这个反应就是氘氚聚变。小小的反应中蕴藏着巨大能量：1克的氘氚燃料通过聚变可释放的能量相当于8吨石油燃烧释放的能量。战争年代，人类通过氘氚聚变的反应原理制造了比原子弹更具破坏力的氢弹。氢弹之所以被称为氢弹，就在于参与聚变的氘和氚是氢的两大同位素。幸运的是，第一枚氢弹是在二战结束后的1954年才试爆成功，并未像原子弹那样真正地被用于战争。

和平时期，人类想利用可控核聚变来解决当前出现的能源危机。由于太阳中的能量是通过核聚变产生的，所以通过可控核聚变解决能源问题的方式又被形象地称为“人造太阳”。发生在太阳里的核聚变是四个氢原子核（准确地说是四个氕核或者四个质子）融合成一个氦原子核。太阳里含氢含量极高，温度足够高到氢核之间可以高效反应。地面实验室温度无法达到如此之高的温度。实验室环境中，氘氚聚变是反应截面最大的，也最容易实现。换言之，目前唯一具备科学可行性的可控聚变方式是氘氚聚变。当今前沿，无论是走惯性约束路线的美国国家点火设施（National Ignition Facility，NIF），还是走磁约束路线的国际热核聚变实验反应堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER），都在深入研究可控的氘氚聚变。

那么，历史上是谁最早发现如此重要的聚变过程呢？

谁发现了氘氚聚变？

目前学术界公认，氘氚聚变是在1942年7月的伯克利物理会议上被提出的。这场会议在整个曼哈顿计划中起到了里程碑的作用，因为正是在这次会议中，与会者们论证了不可控核裂变作为一种大规模杀伤武器在理论上的可行性。通俗地说，他们证明了原子弹这条路是行得通的。

会议由曼哈顿计划负责人奥本海默主持，云集了费米、汉斯·贝特、泰勒等学术大咖。这帮大佬自然没有把目光局限在裂变上，他们也讨论了聚变作为武器的可能性。会议上，波兰裔美国物理学家埃米尔·科诺宾斯基（Emil Konopinski，1911-1990）提出：在所有的聚变反应中，由于氘氚聚变的反应截面大以及相对容易实现，并且相比裂变弹（原子弹），聚变弹的威力更大。从今天的视角看，科诺宾斯基这个推测成为了氢弹的理论基础。

2023年，来自洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）的两位科学家马克·查德威克（Mark. B. Chadwick，与发现中子的查德威克[James Chadwick]姓氏相同）和马克·帕里斯（Mark Paris）在整理这段历史时，提出了一个疑问：曼哈顿计划1942年6月才正式确立（同年的8月13日被命名为“曼哈顿计划”），在7月的伯克利会议上，科诺宾斯基就提出了氘氚聚变的构想。而氘氚聚变散射截面的测量则是作为曼哈顿计划的一部分在1943年的普渡大学完成的。除非科诺宾斯基有未卜先知的超能力，否则他又如何预测一年后的实验成果呢？科氏的构想是不是受到了当时已有的一些实验的启发呢？是不是在1942年前，就有人已经在实验中发现了氘氚聚变呢？

带着这样的困惑，两位科学家开始在故纸堆中苦苦寻找线索（见参考文献[1][4][5]）。氚核是1934年卢瑟福团队最早发现的，因此氘氚聚变的实验必然出现在1934年后。两人通读了1934年到1942年间几乎所有核物理方面的论文，并且通过查阅美国国家安全研究中心（National Security Research Center）档案，发现了一份1986年科诺宾斯基的录音，科氏多次提及其想法受到了“战前研究”的启发。两位科学家进一步追溯，一篇发表于1938年的论文进入了他们的视线。

这篇题为“Search for Gamma-Rays from the Deuteron-Deuteron Reaction”的论文[2]的初衷是寻找氦-3(3He) 2 MeV左右的激发态。在1938年的更早时期，邦纳（T. W. Bonner，1910-1961）宣称找到了氦-3的激发态。如果这样激发态存在，那么应该可以观测到从激发态到基态跃迁过程中的伽马射线。

论文作者阿瑟·鲁利希（Authur. J. Ruhlig，1912-2003）使用0.5MeV 的氘核轰击作为靶子的氘代磷酸（D3PO4），弹核（入射粒子）氘核和氘代磷酸中的氘核发生如下反应（氘氘聚变）制备氦-3：

鲁利希用 0.1mm 厚的赛璐玢（玻璃纸）包裹氘代磷酸，玻璃纸中会发生中子-质子散射，产生更容易被观测的质子（因为中子不带电，难以被直接观测）；为了探测反应产生的光子，在云室（Cloud Chamber）里放置了碳薄板，利用碳薄板中自由电子的康普顿散射可以推算出光子携带的能量。

实验中，鲁利希意外地观测到了大量可以穿透 0.15cm 碳层的质子，这意味着这些质子的能量超过了 15MeV（可以从碳层厚度推算出质子能量）。

图1 鲁利希实验中的质子谱。图片来源：参考文献[2]

为了解释高能质子的来源，鲁利希做出了一个非常大胆的假设：这些高能质子的来源是氘核与氚核发生了次级反应：

该反应产生了高能中子，再经过中子-质子散射后，高能质子被测量到。没错，这个反应就是本文开头所介绍的氘氚聚变。

核物理与粒子物理中所说的次级反应（secondary reaction），又被称为飞行中反应（reacton-in-fight，RIF），指的是参与反应的原子核至少有一个不来自弹核或者靶核。鲁利希的实验中弹核或靶核均为氘核。那么氚核来自哪儿呢？

事实上，氘氘聚变除了产生氦-3和中子这条路径外，还存在另外一条产生质子的聚变路径：

这样的聚变可以产生氚核。鲁利希发现：高能反弹质子在低能质子群（2.6MeV能量附近）占比在千分之一，这表明通过氘氘聚变产生氚核的分支比（branching ratio）并不高。

在分支比如此低的情况下，还能有大量高能中子产生足以说明氘氚聚变的反应概率非常大。

换用现在的术语说，就是氘氚聚变具有很大的反应截面。

“被遗忘”的论文

站在今天的角度看，鲁利希的假设是完全正确的，而且他的推测非常具有前瞻性！当时人们没有能力制备足量的氚核，对氚核的理解并不深刻，在这个实验中能把观测到高能质子和氚核建立联系需要扎实的物理功底和丰富的想象力。

然而，这篇文章在发表后如同石沉大海，似乎并没有引发影响。谷歌学术显示，从文章发表到1945年的这段时间，文章仅仅被引用了7次，而且没有一次引用是在讨论氘氚聚变（而是在讨论伽马射线）。事实上，截止今天，这篇文章的被引次数也少得可怜，和文章所具备的科学价值完全不符。

那么，这篇论文有没有受到当时科学家的关注呢？答案是肯定的。首先，论文所发表的《物理评论》（Physical Review）期刊是物理学家最常阅读的期刊（甚至没有之一）；其次，论文的最后一篇参考文献是作者和汉斯·贝特的私人信件，这说明汉斯·贝特对论文必然是知情的。

图2 鲁利希文章的署名和参考文献。图片来源：参考文献[2]

帕里斯与查德威克通过进一步考证发现了更为关键线索：1938年文章发表之际，贝特在康奈尔大学，此时的科诺宾斯基得到美国国家研究委员会奖学金（National Research Council fellowship），在康奈尔大学受到贝特的指导，而鲁利希的博士导师理查德·克莱恩（Richard Crane）是贝特的同事。更重要的是，鲁利希和科诺宾斯基同为密歇根大学的学生，两人还共同受教于乔治·乌伦贝克（George Uhlenbeck，1900-1988；与古德斯密特共同提出了“电子自旋”的概念）。

上述证据暗示：在1942年的伯克利物理会议前，贝特和科诺宾斯基就深入讨论过鲁利格的论文；并可以推断当时的美国物理界对鲁利希的这项工作是了解的。而论文之所以很少被引用或提及，一种可能性是美国的科学家刻意隐藏曼哈顿计划，从而有意淡化这篇文章的存在。不幸的是，随着二战的结束，这种有意的淡忘逐渐演进成了真正的遗忘。

鲁利希当年究竟观察到了什么？他实验中的观测数据是否能和今天观测的反应截面结果一致呢？查德威克把鲁利希在密歇根大学的历史实验结果向洛斯阿拉莫斯实验室主任托马斯·梅森（Thom Mason）进行了汇报。在听取了报告后，梅森做了一个重大的决策：要在尽量相同的实验室环境还原当前鲁利希的实验结果，而不是简单地使用计算机模拟。在梅森的提议下，一场重现历史的实验开展了起来（论一个英明领导的重要性）。

重现历史

洛斯阿拉莫斯国家实验室和杜克大学展开合作，在三角大学核物理实验室（TriangeUniversites Nuclear Laboratory，TUNL）完成了复原实验，研究团队同时对实验也进行了理论模拟[3]。

图3 复原实验设备示意图。图片来源：参考文献[3]

实验团队把 TUNL 里的 Tandem 加速器功率开到最低，以产生2.2MeV 的 3.5mm 氘核束，再使用0.5毫英寸厚的合金进行降速，最后将氘核能量降低到560keV，最大程度上还原了当时鲁利希使用的 500keV 的氘核源。实验团队使用1.3cm 的氘代磷酸层作为靶，为防止核束加热产生泡，专门为氘代磷酸液体搭建了一个循环泵。实验采用飞行时间法（time-of-fight，TOF）直接对中子的能量进行测量。

图4 复现实验中明显的中子峰。图片来源：参考文献[3]

通过对 TOF 数据的分析，研究团队最终确认，实验中产生了高能中子（14.6MeV中子）形成了异常显著的峰，这表明在实验中确实出现了次级反应——氘氚聚变。

另外，实验专门测量了tD和dD（见注释[1]）的比例值是(4.2±0.5)×10^（-5），和鲁利希在论文中推测的10^（-3）相差了两个数量级。而在理论上，团队编写了一套蒙特卡洛计算机模拟程序，计算得到 tD/dD 值为(4.4±0.4)×10^（-5），与复现实验的结果吻合得非常好。实验和理论结果均表明鲁利希在1938年论文中高估了相对概率的值。

瑕不掩瑜，复现实验充分证明了：鲁利希在1938年的论文中关于氘氚聚变“极其可能发生”的定性论断是完全正确的。历史为鲁利希正名——他是第一位发现氘氚聚变的科学家。巧合的是，这篇实验复现的论文发表在了《物理评论》上，和87年前鲁利希发表的杂志是同一个（见注释[2]），也算是某种意义上的致敬了。

阿瑟·鲁利希的生平

随着鲁利希作为氘氚聚变的首位发现者被正名，这位物理学家的生平也得到了物理学界的关注。

阿瑟·鲁利希1912年6月13日出生于密歇根州，高中在印第安纳州韦恩堡市就读，后进入密歇根大学，师从物理学家理查德·克莱恩（H. Richard Crane）。1938年1月他以论文“The Passage of Fast Electrons and Positrons Through Lead（快电子和正电子通过铅的过程）”取得博士学位。博士毕业7个月后，那篇著名论文“Search for Gamma-Rays from the Deuteron-Deuteron Reaction”发表了（实名羡慕上世纪能先毕业再发论文的博士培养制度）。

博士毕业后的鲁利希没有选择在学校从事科研工作，而是在政府部门和企业中奉献了自己的一生。1940年，鲁利希加入海军研究实验室（Naval Research Laboratory），次年转入火箭探空研究部，担任辐射分部与电子管组主任，该部门负责开发大气探测火箭技术。鲁利希以电器工程师的身份在海军研究实验室工作了15年，因此他在这个阶段的研究大量涉密，鲜有成果公开发表。

值得一提的是，1951年，鲁利希随海军实验室团队参与洛斯阿拉莫斯国家实验室“温室行动”核试验。他领导的团队负责放大器与传输线系统的诊断监测。这次核试验让这位首次观测到氘氚聚变的学者，同时成为聚变等离子体燃烧的首批见证者之一。他推导的等离子体温度计算公式通过中子能谱反推燃烧温度，被沿用数十年。

1956年，鲁利希加入Aeronutronic公司（这家公司后被福特收购并与飞歌合并），主管雷达电子实验室，1960年开始担任数学与计算部门经理，1961年晋升高级科学家。公司对这位精通德、法、俄三种外语的科学家评价颇高，称他具备“至高职业操守与企业忠诚度”。

2003年鲁利希逝于加州圣安娜，享年91岁。

当洛斯阿拉莫斯-杜克大学团队复现鲁利希当年的实验时，他们联系了鲁利希的女儿薇薇安·兰姆（Vivian Lamb）。恰巧，这位现居住北卡罗来纳州的老人正为孙女整理家族史。听到科研团队征集自己父亲的资料时，薇薇安主动联系到了杜克大学，并慷慨分享了自己关于父亲的记忆和一些珍贵的老照片。

图5 阿瑟·鲁利希在20世纪30年代的照片。图片来源：参考文献[3]

虽然说，由于种种原因，首次发现氘氚聚变的科学贡献一度被淹没在了历史长河中，但如今物理学家拨开了迷雾，归还了属于鲁利希的荣誉。这是对他最好的纪念，也是对他家人最好的安慰。当然，复原实验的科学意义还在于，这项实验是在低能环境下完成的，证明了人类在更有挑战的低能环境中利用氘氚聚变的可能性。

注释

[1] 在核物理和粒子物理实验领域，用小写字母表示入射束粒子，大写字母表示靶粒子。因此这里tD表示氚核作为入射束轰击氘核，dD表示入射束粒子和靶粒子都是氚核。

[2] 严格意义上说，1938年鲁利希文章是发表在Phys. Rev上的，2025年的这篇文章发表在Phys. Rev. C上。这是因为在1970年，美国物理学会把Phys.Rev杂志按照领域拆分成了A、B、C、D四个子刊，其中Phys. Rev. C主要针对核物理领域。

参考文献

[1] Physicists recreate forgotten experiment observing fusion, Plasmsa Physics, https://phys.org/news/2025-06-physicists-recreate-forgotten-fusion.html

[2] A. J. Ruhlig, Search for gamma-rays from the deuterondeuteronreaction, Phys. Rev. 54, 308 (1938).https://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.54.308

[3] W. Tornow et al, Modern version of the uncited 1938 experiment that first observed DT fusion, Phys. Rev.C. 111, 064618(2025), https://journals.aps.org/prc/abstract/10.1103/PhysRevC.111.064618.

[4] M. B. Chadwick et al, The earliest DT nuclear fusion discoveries, https://arxiv.org/abs/2302.04206

[5] Mark W. Paris, Mark B. Chadwick, A lost detail in D–T fusion history, Physics Today, Vol 76 Issue 10(2023), https://pubs.aip.org/physicstoday/article/76/10/10/2912725/A-lost-detail-in-D-T-fusion-history

作者简介

一根弦，中关村文理学院非优秀毕业生。博士期间主业发展原子核集体激发态理论，副业打听八卦新闻。因帝都房价高企加上错信IT高薪传闻，误入码农行列，逃离北京来到卷都杭州。除全职工作外，分别在知乎以“一根弦”和在B站以“一根弦肥二”的网名挖掘和写作物理学家，并以此为乐。

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