“冷核聚变”现象与动态卡西米尔效应.pdf

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 institute of petro2chemical technology vol. 17 no. 3 sep. 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 o571 1989年3月23日,m.弗莱希曼(martin fleischmann)和s.庞斯(stanley pons)以钯金 属为阴极,铂金属为阳极,进行重水d2o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 量子真空零点能理论和动态卡西米尔 (ca 2 simir)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,它的能量密度约 为1095g/ 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 leucippus和democritus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 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/ 2hf ( 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, 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 源部长朱棣文呼吁用诺贝尔奖水平的研究工作 解决能源问题,冷核聚变是候选项目之一。 第二,常温核聚变如果是真的,所有物理学 教科书都要改写。 一般热核聚变反应的产物中都会有中子和 射线。但大多数已公布的冷核聚变,其聚变 产物要么没有中子和射线放出,要么其产生 的过热释放与中子、 射线等反应产物不相 匹配。 综上所述,冷核聚变与热核聚变无论从反 应条件还是从反应产物来说都存在尖锐的对 立。换言之,被称为冷核聚变的这种现象无法 在传统物理学框架内给出合理解释。 在这一背景下,1989年10月31日,美国 能源研究顾问委员会的22名专家对冷核聚变 现象进行了为期6个月的调查,对冷核聚变给 85北京石油化工学院学报2009年第17卷 出了否定性的结论。认为没有可靠的证据说明 产生了冷核聚变,冷核聚变的实验证据与半个 世纪以来获得的已知的核科学理论不符,建议 联邦财政不支持冷核聚变研究。 美国能源部的这一报告,其影响显然超出 了美国本身,对全世界这一领域的研究都带来 了否定性的影响,明显阻碍了这一研究领域的 进展。 曾被许多媒体称作 “病态科学” 或 “伪科学” 的 “冷核聚变” 研究,其近况究竟如何?作者参 考在美国麻省理工学院召开的第十届国际冷核 聚变会议(iccf210 , 2003年8月)和2005年5 月冷核聚变座谈会内容,对冷核聚变研究的现 状作一简单介绍。许多从1989年开始研究 “冷 聚变” 的科学家,虽然处于经费不足,被人误解 的状态,但仍坚持艰苦的探索。国际原子能委 员会(iaea)分管聚变的原官员(19952001) t. j. dolan在清华大学召开的iccf9国际 会议的总结会上,提出五种重要的解释冷聚变 现象的理论模型,其中有江兴流提出的涡旋动 力学(vortex dynamics)模型。涡旋动力学模 型的主要论点在于:局域瞬态非平衡体系产生 涡旋,而涡旋的内聚作用和极化效应,使体系内 的粒子相互靠近,通过涡旋动力学与真空零点 能产生挠场相干,提取真空零点能,并产生局域 极化核反应和高度定向的轴向加速高能粒子。 这种局域瞬态非平衡体系出现在电极微突起处 或多层膜的非平衡点处。这一理论成功地解释 了许多异常放热和核嬗变现象,因而受到了广 泛重视。 美国能源部于2003年11月6日召见一批 从事15年冷核聚变研究的科学家,讨论重新 评估冷核聚变的问题。physics today杂志也 于2004年4月1日发表文章,题目是:“doe warms to cold fusion (能源部热心于冷核聚 变)” 。一篇由调研人员steven krivit和na2 dine winocurf访问了50多名世界各国的有关 科学家写成的题为:“the cold fusion report” 且长达53页的报告,详细报道了 “冷核聚变” 的 研究成果及许多证明冷核聚变现象的客观存在 和可重复性的实验事实。 美国能源部在重新评 议冷核聚变的过程中,参会的18个科学家仍然 以现有的理论框架和核反应产生热量的传统观 点来评价冷核聚变现象,因此有2/ 3的评议人 认为在令人信服的异常放热的实验中,没有发 现核反应的证据。但是他们都认为冷核聚变现 象是值得进一步研究的。 从1989至今,全世界有不少科学家克服种 种困难,探索着冷核聚变这一新的物理现象,有 更多可靠、 可信的实验证据已表明,被称之为 “冷核聚变” 这一现象的确是存在的,以下是由 世界各地不同科学家在最近几年所做的有过热 现象产生的几个典型的实验。 在第10届国际冷核聚变会议期间,mitch2 ell swartz在麻省理工学院(mit) hagelstein 教授的实验室演示了fleischmann/ pons型 钯 低电导率重水 铂电解池。在不同的实验 条件下,这一装置的过热功率比为167 % 267 % ,这一现象的演示过程在会议期间多次进 行过。 “letts2cravens” 效应:用激光照射电解池 阴极会激发过热的产生,这一现象由三个科学 家小组(michael mckubre , edmund storms , 和mitchell swartz)各自独立地观测到。此实 验结果有两个特点:第一,实验的输出功率是输 入功率的30倍;例如:当输入激光束功率为 30 mw时,电解池输出为1 w。第二,这一实验 重复性很好。 美国科学家roger stringham在超声空化 实验中发现:氧化氘中气泡瞬态破裂产生一束 包含10e10个氘核高密度等离子体喷注。在电 化学实验中,我们也同样观测到高度定向的核 反应。赝火花放电实验中,在瞬间产生的高密 度等离子体中,由于自收缩效应和挠场轴向加 速效应,从而观测到异常高能粒子的出现。在 挠场作用下的(d ,d)反应,第三反应道也可能 出现。考虑到核场中的primakoff效应和轴子 (axion)模型,应能观察到高度定向的轴子,即 轻的中性赝标量粒子。在 “冷核聚变” 研究中, 观察到过量的4he的出现,就属于这种情况。 由于中子发射方向的随机性,少数固定位置的 中子探测器是不容易测到中子的。而(d ,d)反 应中出现的质子(p)和氦核( he)由于能量在 mev量级,在液体中的射程很短( 1 mm) ,不 能从烧杯外部探测到。 在过去的19年里,以上这些用传统热核聚 变无法解释的冷核聚变现象的实验事实足以说 明,“冷核聚变” 现象是存在的,而且在一些关键 95第3期江兴流等1 “冷核聚变” 现象与动态卡西米尔效应 性实验装置上有很好的重复性。 “冷核聚变” 现 象被列入美国2008年物理和化学协会年会作 为专题讨论,并且认为 “冷核聚变” 现象是科技 界最具挑战性和最有意义的问题。 3 关于挠场(torsion field) 有人提出,涡旋是能量运动的最基本形式。 随着对自然界和实验室现象的深入观察,人们 发现涡旋现象存在于自然界的各个层次,从微 观的基本粒子自旋、 超导体和超流体中的涡旋 点阵、dna的螺旋结构、 宏观的等离子体自收 缩、 电化学点腐蚀、 龙卷风、 银河系、 类星体、 黑 洞等都存在涡旋现象,整个宇宙通过旋量守恒 而联系在一起。粒子和物质产生的涡旋是信息 的携带者,它们几乎瞬间地通过挠场相互作用 着。因而有人把涡旋称为宇宙的引擎,它是连 接不可见能量和可见物质的桥梁。从物理学的 角度来看,能量和物质是相同的,不同之处是振 荡频率。改变振荡频率,能量和物质可以互相 转换。现实中,许多异常物理现象都与涡旋相 关。人们也发现,大量的异常放能和核反应现 象不能用现有的4种相互作用加以解释,需要 引入挠场(或自旋场、 轴子场、 微轻子场)。挠场 的研究始于1922年的嘉当理论。在爱因斯坦2 嘉当理论中,一切旋转体都产生挠场波,并且通 过时空传播。挠场与经典电磁场和引力场不一 样,它属于一种尚未清楚了解的基本相互作用, 它有许多独特的性质,如:高穿透性、 记忆和滞 后效应、 超光速传递和全息特性等,它是物理真 空极化的一种表现,具有涡旋拓扑性质。 近年来,通过对粒子自旋和宏观物体的旋 转角动量的深入研究,科学家对挠场理论作了 进一步的完善。这一理论不仅使我们对提取真 空能提供了可能的途径,而且也对量子理论中 违反直觉性质的异常现象有了新的认识,如与 量子牵连相关的非定域的许多现象。目前,国 外的挠场理论和试验研究已经有了很大的进 展。由于挠场具有许多独特性质,使它在生物、 医疗、 新能源、 通信、 地质、 材料、 天文等方面有 着特殊的应用。 如果零点能可以提取,无疑将是人类所能 够利用的最佳能源了。它不但廉价无污染,而 且,可以说取之不尽用之不竭。目前,尽管大多 数物理学家认为不能从真空中提取能量,但美 国得克萨斯州奥斯汀高级研究所的成员们却坚 信宇宙中有 “免费的午餐”,他们的目标就是要 向真空中索取能量。该所所长puthoff甚至指 出:“对于这个领域的狂热分子(比如我们自 己 ) , 我们认为21世纪可能是零点能的世纪。 ” 所有的物理现象都与真空有关,而真空是 巨大的能量涨落的海,通过动态卡西米尔效应 和挠场相干可以从空间的任何一点提取能量。 关于宇宙具有全息性质、 量子纠缠和非定域性, 以及物质、 能量、 时空之间的相互转换关系的认 识,将使我们对大自然的认识进一步深化。 4 ni2pt电极在脉冲电压作用下的 电解实验研究 为了强化瞬变过程对低能核反应的影响, 实验采用脉冲宽度为微秒级的电压作为电源进 行电解实验。 图1 经电解实验后的镍电极尖端处的edx分析 由图1可以看出,在电极尖端区域有si , al ,fe等元素产生。该处的si ,al ,fe元素处 于距样品表面1 000 nm深度区域,由casino 软件的monte carlo模拟判断,为原始污染的 可能性很小。考虑mark porringa的建议可 知, al ,si元素有可能是由于超短程卡西米尔 效应所产生的6c128o1614si28,6c128o1613al27 + h反应所生成。正负极间的聚乙烯薄膜可 能提供反应所需的碳。美国uiuc大学的 george miley教授领导的实验小组也在类似 的电解实验中发现fe元素的生成3。 5 电解现象分析 各种电化学反应,无论是发生在工业电解 液中还是发生在化学电源中,都有一个共同之 处:它们都是在电极和电解质溶液之间的很薄 的界面层内进行的。当金属和电解质溶液接触 06北京石油化工学院学报2009年第17卷 时,电极表面的电荷从溶液中吸引异号离子,而 排斥同号离子;电解时该界面的结构就更加复 杂,这种界面层的具体结构和功能仍是目前电 化学研究的主要课题。简单地说,在金属表面 和靠近金属表面的薄层溶液中,各带符号、 数量 相同的过剩电荷。于是就形成了与充电的电容 器类似的电双层。 由于电解液的高导电性,使外加电势差主 要施加在电极表面的电化学双层上。由平行板 电容器的储能公式w=e2=au/ d( a为常数, d为电双层厚度,u为外加电势差)可知,由于 电双层极薄,该层内储存了大量的能量,场强高 达108v/ cm。在电解过程中,带电粒子从液相 (电解液)转移到固相(电极)穿越电双层进行放 电。特别是当有气体析出时,在电极附近的三 相界面处(气泡、 电解液、 金属电极)发生了极其 复杂的远离平衡态的瞬变过程。深入研究电解 过程中该区域的物理过程,将有助于研究电化 学反应动力学、 点腐蚀、 电化学抛光、 电极表面 的异常核现象等。这一研究涉及界面动力学、 非平衡态热力学、 脉冲电子学、 高能密度物理 学、 瞬间态化学、 核物理等多个领域,是多个学 科的交叉点,其研究具有重要的科学意义和应 用价值8。 从edx分析结果可以看出,实验所产生的 新元素,si ,al ,fe基本都只存在于样品的尖端 处。这与尖端效应有关系。电极尖端处的电双 层结构蕴含很高的能量密度和巨大的电势差。 在电解过程中,电极附近的三相液面处发生复 杂的非平衡瞬变过程,在这种条件下,有可能产 生局部的高温、 高压,使得局部发生核嬗变反 应。有文献提到,si和al的生成遵循反应式: 6c 12 8o 16 14si28,6c128o1613al27+ h 而铁的生成遵循 26c ec 12 8o 16 26fe56, 214si ec 28 26fe56, 213al2726fe54 具体的反应机理和反应条件还有待于进一 步研究10。 6 动态卡西米尔效应 卡西米尔于1948年在理论上预言:如果将 两块平面金属板在真空中相对放置,那么这两 块板将由于真空的存在而相互吸引,这种现象 被称为卡西米尔效应。随着测量手段的发展, 通过对卡西米尔力的精确测量,科学家们推算 出两导体盘间单位面积卡西米尔力的计算 公式: f( d) = - 2 ca 240d4 其中,表示普朗克常量, d表示两导体盘之间 的距离, a是导体板的表面积。mohideen的原 子力显微镜实验对卡西米尔力的测量结果与理 论预计相差不到1 %。 对卡西米尔效应的解释是:导体盘之间的 距离恰好与真空中某种驻波波长相等时,与真 空发生相干,产生卡西米尔效应。卡西米尔力 反映了真空中充满零点场的涨落,有力地证明 了真空零点能的存在。 关于卡西米尔效应的最新实验结果证明, 真空中确实存在零点能。零点能的设想来自量 子力学的一个著名概念:海森堡测不准原理。 该原理指出:不可能同时以较高的精度得知一 个粒子的位置和动量,两者之间有一个不确定 度,xp 1 2。 因此 ,当温度降到绝对零度 时,粒子必定仍然在振动,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地 测知,而这是违反测不准原理的。这准粒子在 绝对零度使得振动(零点振动)所具有的能量就 是零点能。dirac从量子场论对真空态进行了 生动的描述,把真空比喻成为起伏不定的能量 之海。 直到卡西米尔效应提出将近50年后的 1997年,美国科学家拉穆尔克斯( lamoreaux) 才首先实现了对卡西米尔效应的测量。正是卡 西米尔效应的证实,为零点能的存在找到了 证据。 最新的宇宙观测数据显示,宇宙由4 %的 普通物质、23 %的冷暗物质和73 %的暗能量组 成。暗能量是一种不可见的、 能推动宇宙运动 的能量,宇宙中所有的恒星和行星的运动皆是 由暗能量来推动的。科学家认为暗能量与真空 零点能存在联系,但尚未发现二者之间的具体 关系。宇宙的运动都是旋涡型的,这占宇宙 73 %的暗能量对应非零挠率的场,暗能量总是 以一种旋涡运动的形式出现。所以,在暗能量 的旋转范围内能形成一种旋涡场,我们称之为 暗能量旋涡场,简称为旋涡场。许多反应过程 16第3期江兴流等1 “冷核聚变” 现象与动态卡西米尔效应 是一个瞬态过程,瞬态过程是一个开放的动力 学体系,总是会产生涡旋效应。这也为发生挠 场相干而提取能量提供了可能。 将式(1)做一个简单的变形,公式两边同除 以导体板的表面积a ,这样变成p( d)= - 2 c 240d4 ,即左边变为两个板间的压强。现在 估算两个核子之间的卡西米尔压强。核子的直 径是10 - 15 m ,这样两个核子之间的卡西米尔压 强为1033pa。这么大的压强足以使得核子之 间克服库仑斥力而束缚在一起。由此推断,核 子之间克服库仑力使核子保持在一起的所谓强 力实际上是卡西米尔力。既然卡西米尔力能够 使得核子之间克服库伦斥力,而卡西米尔效应 又和真空零点场有关系,由此,利用卡西米尔效 应提取真空零点能来实现核反应是可能的。 7 结 语 “冷核聚变” 现象为低能核反应研究提供了 丰富而可靠的数据,这些现象是通过共振、 相干 和瞬态辐射压力条件下与真空零点能产生相互 作用而出现的。零点能是维持所有物质稳定的 基础。在特定的条件下,用标量电磁波来改变 物质的零点涨落稳定频率,将加速放射性核成 为稳定的原子核。因此可以用这种方法处理放 射性核废料。 2004年3月 航空周刊(aviation week space technology ) 曾提到,零点能将是航空 航天推进的下一个突破口,是外太空旅行的关 键所在。20世纪20年代,biefeld2brown效应 的发现,为航空航天推进技术的发展提供了一 种新思路。本课题组进行的理论和实验研究结 果表明,要理解biefeld2brown效应的物理机 制,必须深入研究量子真空零点能和与自旋有 关的挠场的物理性质。 先行者10/ 11号空间飞行器的异常加速是 国际航天界的一项跨世纪难题,本课题组提出 用挠场理论和可能的biefeld2brown效应解释 这一现象,受到国际科技界的高度重视12;课 题组在进行电化学实验过程中,观察到瞬态超 快现象,提出电化学异常核现象与局域非平衡 非线性的瞬变过程有关,也就是超快过程引发 涡旋动力学挠场相干,提取真空零点能。 所有的物理现象都与量子真空涨落有关, 而量子真空零点能和挠场是电磁现象与引力效 应相互转换的中间环节。正如李政道教授提出 的 “真空工程(engineering the vacuum)” 的概 念:“用实验的方法改变真空的性质,可以称作 真空工程 ,如果能真正改变真空,那么我们 将发现许多新的,预料不到的现象” 13 。真空 作为现代物理的核心结构,研究真空是全面理 解各种自然力的一把钥匙。对于真空零点能的 理论和实验研究将带来科学和技术的新的 繁荣。 参考文献 1 jiang xingliu , et al. channeling effect and nucle2 ar reactions in electrochemical systemj . jour2 nal of new energy , 1998 ,3(2/ 3) :84286. 2 jiang x l , 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