冷核聚变_现象与动态卡西米尔效应

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1、 收 稿 日 期 :2008210220第 17 卷 第 3 期2009 年 9 月北 京 石 油 化 工 学 院 学 报Journal of Beijing Instit ute ofPetro2chemical TechnologyVol. 17 No. 3Sep . 2009“ 冷 核 聚 变 ” 现 象 与 动 态 卡 西 米 尔 效 应江 兴 流 周 晓 平 王 立 英 贺 苗 彭 伟 明 乐 小 云(北 京 航 空 航 天 大 学 物 理 系 , 北 京 100083)摘 要 “ 冷 核 聚 变 ” 是 一 道 跨 世 纪 的 科 学 难 题 ,近 20 年 来 ,许 多 实 验

2、室 研 究 人 员 得 到 重 复性 很 好 的 实 验 结 果 ,但 由 于 没 有 一 种 合 理 的 理 论 解 释 ,大 多 数 研 究 者 又 一 味 寻 求 以 现 有 的 核 物 理 理 论 为基 础 的 理 论 解 释 ,因 而 陷 入 理 论 困 境 ,为 此 也 受 到 主 流 科 学 界 的 排 斥 。 基 于 大 量 的 实 验 事 实 ,结 合 量 子真 空 零 点 能 理 论 和 动 态 卡 西 米 尔 (Casimir) 效 应 ,笔 者 提 出 涡 旋 动 力 学 和 挠 场 理 论 ,对 “ 冷 核 聚 变 ” 实 验中 的 异 常 放 热 、 微 量 核 辐

3、 射 、 广 谱 核 嬗 变 以 及 滞 后 放 热 等 现 象 进 行 合 理 解 释 ,受 到 国 际 科 技 界 的 广 泛 重视 。 笔 者 将 对 部 分 实 验 结 果 以 及 核 力 的 超 短 程 卡 西 米 尔 力 解 释 等 理 论 进 行 分 析 ,并 讨 论 “ 冷 核 聚 变 ” 现象 在 能 源 应 用 方 面 的 前 景 。关 键 词 零 点 能 ; 卡 西 米 尔 力 ; 冷 核 聚 变 ; 挠 场中 图 法 分 类 号 O5711989 年 3 月 23 日 ,M. 弗 莱 希 曼 ( MartinFleischmann)和 S. 庞 斯 ( Stanley

4、Pons) 以 钯 金属 为 阴 极 ,铂 金 属 为 阳 极 ,进 行 重 水 D2 O 的 电解 ,产 生 了 超 热 ,这 些 超 热 的 量 不 能 用 已 知 的 化学 反 应 来 解 释 ,因 此 ,他 们 宣 布 发 现 了 常 温 下 的核 聚 变 ,又 称 “ 冷 核 聚 变 (Cold Fusion)” 。 近 20年 来 ,许 多 实 验 室 得 到 重 复 性 很 好 的 实 验 结 果 ,但 由 于 没 有 一 种 合 理 的 理 论 解 释 ,为 此 受 到 主流 科 学 界 的 排 斥 。 基 于 大 量 的 实 验 事 实 ,结 合量 子 真 空 零 点 能 理

5、 论 和 动 态 卡 西 米 尔 ( Ca2simir)效 应 ,江 兴 流 提 出 涡 旋 动 力 学 、 动 态 卡 西米 尔 效 应 和 挠 场 理 论 ,成 功 地 解 释 了 “ 冷 核 聚变 ” 实 验 中 的 许 多 异 常 现 象 。1 真 空 零 点 能 (Zero Point Energy)现 代 物 理 学 研 究 表 明 真 空 并 不 意 味 着 一 无所 有 ,真 空 是 一 个 巨 大 的 能 量 涨 落 之 海 。 因 为真 空 的 每 一 点 都 存 在 一 种 叫 做 “ 零 点 能 ” 的 能量 ,也 就 是 说 零 点 能 无 处 不 在 ,它 的 能

6、量 密 度 约为 1095 g/ cm3 。 正 如 诺 贝 尔 物 理 学 奖 获 得 者 费恩 曼 说 过 那 样 :一 咖 啡 杯 里 所 蕴 涵 的 能 量 可 以把 整 个 地 球 的 水 烧 干 还 绰 绰 有 余 。 早 在 1891年 ,美 国 科 学 家 特 斯 拉 (Nikola Tesla)在 一 次 演讲 中 就 提 到 :几 个 世 纪 之 后 ,也 许 我 们 可 以 从 宇宙 中 的 任 意 一 点 提 取 能 量 来 驱 动 我 们 的 机 械 。可 以 说 ,宇 宙 中 的 一 切 事 物 都 与 真 空 有 关 ,所 有的 “ 异 常 物 理 现 象 ” 都

7、 能 从 真 空 零 点 能 找 到答 案 。真 空 的 假 设 最 初 是 由 希 腊 的 哲 学 家Leucipp us 和 Democrit us 提 出 的 。 在 17 世 纪 ,人 们 认 为 只 要 简 单 的 抽 掉 所 有 的 气 体 ,就 能 产生 一 个 完 全 空 虚 的 空 间 ,这 是 最 初 的 普 遍 被 人们 所 接 受 的 关 于 真 空 的 概 念 。 然 而 ,在 19 世纪 ,却 发 现 当 一 个 空 间 (比 如 一 个 密 封 的 箱 子 )中 的 气 体 都 被 抽 掉 以 后 ,它 还 存 在 热 辐 射 。 对于 当 时 的 自 然 哲 学

8、 家 而 言 ,剩 下 的 热 辐 射 也 许能 够 通 过 冷 却 降 低 温 度 祛 除 掉 。 为 此 ,人 们 又提 出 了 第 二 个 概 念 :在 排 除 一 切 物 质 以 后 ,再 把温 度 降 到 绝 对 零 度 ,从 而 达 到 真 正 的 空 虚 的 真空 。 因 为 在 当 时 19 世 纪 ,在 技 术 上 远 远 不 能 达到 绝 对 零 点 ,所 以 人 们 就 认 为 这 个 问 题 好 象 已经 被 解 决 了 。然 而 ,在 20 世 纪 ,理 论 和 实 验 都 表 明 :即 使温 度 能 够 降 到 绝 对 零 点 ,空 间 里 还 会 存 在 一 种非

9、 热 辐 射 。 比 如 :氦 被 冷 却 到 绝 对 1 度 以 内 ,它依 然 还 是 液 态 。 所 以 这 一 串 的 思 想 解 释 了 这 具有 争 议 的 “ 零 点 能 ” 的 名 字 。在 1891 年 ,被 誉 为 是 “ 交 流 电 之 父 ” 的 尼 古拉 特 斯 拉 第 一 次 意 识 到 真 空 零 点 能 的 存 在 及其 性 质 。 他 指 出 :在 空 间 里 的 每 一 点 都 存 在 着能 量 。1905 年 ,爱 因 斯 坦 在 他 的 文 章 中 引 入 了 被描 述 成 是 独 立 的 能 量 包 的 “ 光 量 子 ” 。1912 年 , Max

10、Planck 基 于 爱 因 斯 坦 的 这一 离 散 、 非 连 续 的 量 子 ,提 出 了 著 名 的 Planck黑 体 辐 射 方 程 ,该 方 程 包 含 了 这 残 余 能 量 因子 量 子 的 一 半 ,其 形 式 为 1/ 2 h f ( h 是 普 朗 克常 数 , f 是 频 率 ) 。 它 的 大 小 取 决 于 频 率 f ,但永 远 大 于 0。从 此 ,人 们 普 遍 认 为 :普 朗 克 的 方 程 标 志 着“ 零 点 能 ” 这 个 概 念 的 诞 生 。这 一 不 可 思 议 的 因 素 ,被 理 解 成 对 任 何 模型 都 有 效 的 平 均 振 荡

11、能 量 ,甚 至 是 当 温 度 达 到绝 对 零 度 。与 此 同 时 ,在 1909 年 ,爱 因 斯 坦 发 表 了 “ 涨落 公 式 ” ,描 述 了 热 辐 射 的 能 量 涨 落 波 动 。 在 这一 发 现 之 后 的 一 年 时 间 里 ,爱 因 斯 坦 和 狄 拉 克看 到 了 零 点 能 的 价 值 ,并 且 认 识 到 了 它 的 重要 性 。1913 年 ,爱 因 斯 坦 在 论 文 中 计 算 了 氢 分 子的 具 体 热 量 包 括 零 点 能 ,这 与 实 验 结 果 吻 合 的非 常 好 。 Dedye 也 做 了 包 括 零 点 能 的 计 算 ,并且 展 示

12、 了 它 在 伦 琴 射 线 衍 射 、 折 射 中 的 效 应 。接 下 来 的 几 十 年 中 ,由 于 海 森 堡 的 不 确 定性 原 理 的 提 出 ,零 点 能 对 于 量 子 力 学 变 得 非 常重 要 。 该 原 理 指 出 :对 一 个 运 动 中 的 粒 子 (比 如一 个 电 子 ) ,不 能 同 时 以 较 高 的 精 度 测 得 其 空 间位 置 和 动 量 。 比 如 :当 越 精 确 的 测 出 该 粒 子 的空 间 位 置 时 ,便 不 能 测 得 其 动 量 (质 量 乘 以 速度 ) ,反 之 亦 然 。 因 此 ,当 粒 子 的 温 度 降 为 零 时

13、,也 就 是 粒 子 的 速 度 为 零 时 (温 度 与 动 量 相 关 ) ,它 的 空 间 位 置 又 不 确 定 了 ,即 它 仍 然 在 振 动 ;否则 ,如 果 粒 子 完 全 停 下 来 ,那 它 的 动 量 和 位 置 就可 以 同 时 精 确 的 测 知 ,而 这 是 违 反 测 不 准 原 理的 。 这 种 粒 子 在 绝 对 零 度 时 的 振 动 (零 点 振 动 )所 具 有 的 能 量 就 是 零 点 能 。由 此 可 以 看 出 ,所 有 物 质 存 在 的 这 个 空 间再 不 是 一 个 空 无 一 物 的 空 间 ,而 是 一 个 到 处 都充 满 着 电

14、磁 涨 落 的 空 间 。 这 也 意 味 着 ,原 来 所认 识 到 的 物 质 根 本 就 不 是 一 个 孤 立 体 系 ,而 是与 这 些 电 磁 涨 落 共 存 ,它 们 之 间 有 相 互 作 用 。迄 今 为 此 ,已 经 有 许 多 这 些 相 互 作 用 被 发 现 ,比如 兰 姆 位 移 、 自 发 辐 射 、 卡 西 米 尔 效 应 等 十 几 种效 应 。 而 这 些 效 应 也 揭 示 量 子 真 空 及 量 子 真 空零 点 能 的 根 本 重 要 性 。 因 为 它 是 所 有 物 质 存 在的 本 底 ,所 有 物 理 事 件 发 生 的 场 所 。 这 就 使

15、 得真 空 成 为 现 代 物 理 学 的 中 枢 结 构 。2 “ 冷 核 聚 变 ” 现 象 与 真 空 零 点 能M. 弗 莱 希 曼 和 S. 庞 斯 于 1989 年 宣 布 发现 的 “ 冷 核 聚 变 ” 现 象 在 当 时 世 界 科 学 界 引 起 了巨 大 的 轰 动 ,因 为 :第 一 , 如 果 常 温 下 真 的 能 发 生 聚 变 反 应 ,必 将 带 来 一 次 新 的 科 技 革 命 。科 学 家 们 一 直 探 索 用 氘 2氚 聚 变 来 作 为 未来 能 源 的 来 源 ,但 实 现 这 一 聚 变 反 应 有 两 大 难点 ,首 先 ,这 一 反 应 必

16、 须 在 超 高 温 、 超 高 压 的 环境 下 进 行 。 这 就 决 定 了 必 须 提 供 足 够 的 输 入 能量 才 能 触 发 聚 变 反 应 。 而 且 ,既 然 是 高 温 高 压环 境 ,就 大 大 增 加 了 反 应 装 置 的 整 体 体 积 和 复杂 性 ,使 成 本 大 大 提 高 。 目 前 各 国 都 投 入 大 量的 经 费 用 于 热 核 聚 变 研 究 ,著 名 的 国 际 热 核 聚变 实 验 堆 ( ITER) 计 划 耗 资 100 多 亿 美 元 。 尽管 如 此 ,到 目 前 为 止 由 于 缺 乏 坚 实 的 理 论 依 据和 等 离 子 体 过 程 的 复 杂 性 ,受 控 热 核 聚 变 研 究进 展 仍 然 缓 慢 ,离 实 际 应 用 遥 遥 无 期 。 这 就 是为 什 么 冷 核 聚 变 一 被 发 现 就 立 刻 受 到 广 泛 重 视的 原 因 之 一 。 最 近 (2009 年 5 月 ) ,新 任 美 国 能源 部