劉洋 趙佳星 盧歆
摘要:冷聚變自從被發(fā)現(xiàn),就一直飽受爭議。其爭議的來源是核反應的產(chǎn)物與常規(guī)核理論不相匹配,另外是實驗可重復性差。目前熱聚變反應需要在特定的條件下,質量非常小的原子,一般指的是氘,其在高溫和超高溫下使得原子核的核外電子擺脫原子核核力的約束,從而造成兩個或兩個以上的原子核發(fā)生劇烈碰撞,碰撞所產(chǎn)生的聚合反應生成了新的,質量更大的原子核,而其中的中子在此期間從中逃逸出原子核,產(chǎn)生巨大的能量。就目前而言,實現(xiàn)熱核的可控聚變難度十分巨大。相對于熱核聚變,冷核聚變卻是理想的未來新能源,冷核聚變相對于熱核聚變制備設備來說,僅僅占地大約兩平方米,并且在反應過程中無中子產(chǎn)生,無輻射。其原材料從海水中獲取,原材料儲量巨大。因此,冷核聚變有望成為人類最理想的能源之一。
關鍵詞:冷聚變;量子隧穿;渦旋動力學;撓場理論
1 冷核聚變國內(nèi)外前景
1.1 冷聚變研究背景
M.弗萊希曼(M artin Fleischmann)和S.龐斯(Stanley Pons),在1989年3月23日,在進行電解實驗中意外發(fā)生了異常放熱現(xiàn)象,他們宣稱是低溫下的核聚變反應,從而震驚了科學界。實驗步驟,將鈀金屬作為電解陰極,鉑金屬作為電解陽極。進行重水D2O 的電解,在實驗過程中意外發(fā)生了超熱現(xiàn)象,而其產(chǎn)生的“熱”就目前所存的理論無法解釋。其既不滿足化學放熱反應,而又不滿足物理放熱現(xiàn)象。為此各國的實驗室都進行了重復性的實驗,一些實驗室給出負的結果,一些實驗室則給出正的結果。由于此實驗的重復性差,且沒有相對的理論支持,如果用熱核聚變的理論進行解釋,其反應過程卻沒有中子的產(chǎn)生,顯然這與常規(guī)理論相違背。不少熱核學者對冷核聚變持反對意見,認為其為偽科學。但是隨著近三十年的發(fā)展,實驗結果重復性不斷提升,其理論也不斷完善。
1.2 冷核聚變在國外研究現(xiàn)狀
在2008年日本大阪大學的物理學教授對外宣稱實現(xiàn)了冷聚變反應。在實驗過程中,教授首先將重氫充入到含有鈀鋅鎬的混合氧化物中,觀察到了氦原子核的產(chǎn)生,從而證實了冷核聚變產(chǎn)生的可能性。其次是意大利科學家安德烈·羅西,在2011年,利用了某種催化劑加入到電解重水的實驗中,從而產(chǎn)生了聚變反應,也同樣證實了冷聚變的可能性。但是由于二者并沒有拿出相關的數(shù)據(jù)以及實驗的具體細節(jié),使得人們對這兩次的實驗結果產(chǎn)生質疑。
而到了2019年,冷核聚變再一次迎來了低谷期,谷歌花費大量資金招募全球相關領域專家對冷核聚變進行研究,他們在自然雜志上公布了他們的實驗結果“沒有發(fā)生異常放熱現(xiàn)象,所產(chǎn)生的熱量都是在正常范圍內(nèi)”。結論的公布再一次引發(fā)了相關領域專家的討論,冷核聚變的道路依舊坎坷。
1.3 冷核聚變在國內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國對冷核聚變的研究始于1989年M.弗萊希曼(M artin Fleischmann)和 S.龐斯(Stanley Pons)宣稱他們在進行電解實驗中意外發(fā)生了冷核聚變。由于他們在公布實驗報告后,并沒有對他們實驗過程的細節(jié)進行描述。我國的一些實驗室依據(jù)他們簡略的報告,嘗試著重復他們的實驗結果,其中有一些實驗室宣稱產(chǎn)生了超熱現(xiàn)象,并且檢測到中子的產(chǎn)生。但由于實驗設備相對簡陋,在實驗中檢測到的中子不排除受到外界的干擾,如宇宙射線等物質。由于產(chǎn)生超熱現(xiàn)象和實驗重復性低,加之國內(nèi)外一些熱核專家對冷聚變的質疑,我國的實驗室也逐漸停止了對冷核聚變的研究。在國內(nèi)許多學者一直在默默的堅守,為冷聚變的發(fā)展提供了大量實驗數(shù)據(jù)以及理論支持。隨著近幾年來,能源問題再一次成為人民關心的話題,冷聚變再一次受到了國家支持,并且得到了國家非共識項目基金的支持,國內(nèi)研究前景較好。
2 冷核聚變的相關理論
2.1 量子理論
2.1.1 量子理論的誕生
自從17世紀牛頓的力學出現(xiàn)后,一直到19世紀,熱力及電動力,統(tǒng)計物理學理論的完善,形成了一套完整的經(jīng)典物理學體系。這一時期,人們用其解釋了大量之前人類無法解釋的物理現(xiàn)象。一些科學家甚至斷言,物理學已經(jīng)趨于完善,后輩的物理學家只需要在已經(jīng)完善的物理學基礎上做一下完善工作就可以了,然而就當科學家用“已經(jīng)完善的物理學知識”去解釋黑體輻射,光電效應以及原子光譜時,卻遇到了極大的瓶頸。這就像是在物理學的天空飄著幾朵云彩,看似并不影響常規(guī)物理學理論,但是它卻意味著物理學界的暴風雨即將到來。
隨著黑體與普朗克的量子假說、光電效應與愛因斯坦的光量子假說、原子光譜與波爾量子論及德布羅意物質波的假說被證實,物理學界“暴風雨”正式來臨。它獨立于傳統(tǒng)物理學之外,打開微觀世界的大門,使得之前無法解釋的物理學現(xiàn)象也得到了較為完美的解釋。
2.1.2 量子隧穿理論
量子隧穿效應是量子力學中重要理論之一,量子隧穿效應指的是與宏觀世界所不同的微觀物質運動,當電子穿越或者穿入位勢壘時,盡管其所帶的能量不足以穿越位勢壘,但電子依舊可以穿越位勢壘。所以用傳統(tǒng)物理學是無法解釋這種現(xiàn)象,而量子理論卻可以完美解釋微觀世界的行為。用宏觀進行解釋,假設一輛小車在運行過程中,突然遇到一座高山(位勢壘)它想從高山的另一邊運動到另一邊,如果按照經(jīng)典物理學,需要從山頂向兩邊引出一條道路,這樣小車就可以穿過高山(位勢壘)。但是如果小車的能量不足,那么就無法穿越高山。如果用量子力學解釋,小車有概率可以從高山之中的隧道進行通過,小車所具有的能量低于高山的位勢能量。
從常規(guī)來看,量子隧穿只是一個理想的科學假說,但正是這些科學假說,為冷聚變的理論發(fā)展打開了新的大門。通常,核子的聚變反應需要有足夠的能量來克服原子核之間的核力,因此想要實現(xiàn)核子聚變,就必須提供大量的能量,否則就無法實現(xiàn)核聚變反應,而在冷聚變反應過程中,擺脫了常規(guī)物理學的束縛,將量子理論引入到聚變反應中,盡管原子核的能量小于庫侖位勢壘的位勢,原子核依舊可以克服庫侖位勢壘,從而產(chǎn)生核聚變。
盡管量子隧穿的效應為冷核聚變提供了理論基礎,但是量子隧穿依舊無法解釋冷核聚變中的一些其他現(xiàn)象,如在熱核聚變中,聚變會激發(fā)出中子。然而冷核聚變中,一些實驗室宣稱產(chǎn)生了超熱現(xiàn)象,但是卻沒有產(chǎn)生中子。而一些實驗室說檢測到部分中子,但是卻不能排除宇宙射線及外界的影響。另外,一些科學家用量子隧穿來解釋冷核聚變,但是何種原因造成了電解實驗中的原子產(chǎn)生了量子隧穿效應的機理并不清楚。
3 渦旋動力學和撓場理論
江興流教授基于真空零點能理論和動態(tài)卡西米爾(Casimir)效應提出渦旋動力學和撓場理論,這些理論相當程度上解釋了冷核聚變產(chǎn)生的原理,對冷核聚變的一些現(xiàn)象做出了合理的解釋。
3.1 真空零點能
在人們的常識之中,真空中并不存在任何能量。但是一些科學家認為真空中存在著大量的能量,而這種能量是由正電子和負電子相互作用而組成,我們也稱其為真空零點能,并且可以理解為能量之海。
真空零點能的概念首先來源于海森堡提出的不確定原理,這個原理的具體內(nèi)容是微觀世界和宏觀世界是有著千差萬別的不同,在宏觀世界中,當知道一個粒子的初始位置和速度,那么我們就可以推測出粒子的具體位置,而在微觀世界中,我們無法測定粒子的位置以及速度。也就是說在真空的能量之海中,定存在著渦旋,雖然我們無法確定其發(fā)生位置,但是這個旋渦中心必然存在的大量能量,使原子克服勢壘發(fā)生核聚變。
用海森堡自己的話說,在因果律的陳述中,即“若確切地知道現(xiàn)在,就能預見未來”,所得出的并不是結論,而是前提。我們不能知道現(xiàn)在的所有細節(jié),是一種原則性的事情。
3.2 撓場理論
1920年,卡坍(Cartan)第一次在廣義相對論中提到,在考慮物體由于自身旋轉而導致時空扭曲,從而產(chǎn)生了撓場,也稱其自旋場或扭場。不可否認撓場是繼萬有引力、電磁力、弱作用力、強作用力之外的另一種力,雖然這種力目前還無法探測到。
在冷核聚變中,由于電子處于真空中,其本身就處于巨大的能量場之中,由于撓場的存在,不斷給原子核加速,使原子核克服庫侖位勢壘,從而產(chǎn)生核聚變。使得核聚變在“常溫”下就可以進行,但是其理論雖然相當程度上解釋了冷核聚變所產(chǎn)生的機理,但是冷核聚變的實驗現(xiàn)象出現(xiàn)異常放熱的概率低,也就是核聚變現(xiàn)象出現(xiàn)概率低。如果是由于真空零點能與撓場的作用下產(chǎn)生,那么電解實驗中所產(chǎn)生的核聚變應有很大的概率發(fā)生,所以它與量子隧穿理論仍然有待發(fā)展。
4 結語
從冷核聚變的發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在,已經(jīng)經(jīng)歷了三十年,其理論也在逐漸趨于完善過程中。正如量子理論是經(jīng)典物理學天空飄著的幾朵云彩,那么冷核聚變也是幾朵云彩之中的一朵。相信在不久的將來,冷核聚變將會比熱核聚變更有發(fā)展前景,并且再一次會打破經(jīng)典物理學理論,建立新的理論。到那時,人類將擁有取之不盡用之不竭的能源,將為人類的發(fā)展提供巨大幫助。
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*通訊作者:盧歆。