真空零點能

基本簡介現代科學認為真空并不意味著一無所有，真空是由正電子和負電子旋轉波包組成的系統。量子真空是一個非常活躍的空間，它充滿時隱時現的粒子和在零點線值上漲落的能量場。而與這種現象 伴生的能量，被稱為零點能，也就是說，即使在絕對零度，這種真空活性仍然保持著。

原理研究

原理設想

關于零點能的設想來自量子力學的一個著名概念:海森堡測不準原理。該原理指出：不可能同時以較高的精確度得知一個粒子的位置和動量。因此，當溫度降到絕對零度時粒子必定仍然在振動；否則，如果粒子完全停下來，那它的動量和位置就可以同時精確的測知，而這是違反測不準原理的。這種粒子在絕對零度時的振動（零點振動）所具有的能量就是零點能。

原理描述

狄拉克從量子場論對真空態進行了生動的描述，把真空比喻為起伏不定的能量之海。J. Wheeler估算出真空的能量密度可高達1095 g/cm^3。

歷史介紹

歷史沿革

1948年，荷蘭物理學家亨德里克·卡西米爾提出了一項檢測這種能量存在的方案。從理論上看，真空能量以粒子的形態出現，并不斷以微小的規模形成和消失。在正常情況下。真空中充滿著幾乎各種波長的粒子，
但卡西米爾認為，如果使兩個不帶電的金屬薄盤緊緊靠在一起，較長的波長就會被排除出去。接著，金屬盤外的其他波就會產生一種往往使它們相互聚攏的力，金屬盤越靠近，兩者之間的吸引力就越強。1996 年，物理學家首次對這種所謂的卡西米爾效應進行了測定。華盛頓大學Lamoreaux在他的學生Dev Sen協助下，對卡西米爾效應進行了精確的測量，該測量結果與卡西米爾對這一特殊板間距及幾何構形所預測的力相差不超過5%。Lamoreaux在他的實驗中，采用鍍金石英表面作為他的金屬板。另外一塊板固定在一個靈敏扭擺的端部。如果該板向著另外一塊板移動，則擺就會發生扭轉。一臺激光器可以以0.01微米的精度測量扭擺的扭轉。向一組壓電組件施加的一股電流使卡西米爾板移動；而另一電子反饋系統則抵消這一移動，使扭擺保持靜止。零點能效應就表現為保持擺的位置所需的電流量的變化。Mohideen等人在加州理工學院作的實驗中，在0.1到0.9μm的范圍內，用原子力顯微鏡對卡西米爾力進行的測量結果，與理論值相差不到1%。

冷核聚變

1989年3月，弗雷希曼和龐斯在美國宣布他們用鈀電極在常溫下電解重水，觀察到了異常的熱量輸出和少量的中子。該現象一經公布就在全世界范圍內引起了一場軒然大波。由于當時的實驗用的是重水又是在常溫下，人們就把這種現象稱之為“冷核聚變”。 傳統核物理理論認為，只有在非常高的溫度和壓強下，克服庫侖勢壘才能發生氘核聚變，像常溫常電壓下的電解過程是不可能發生核反應的。而且若認為過熱是由核反應引起的，就應該觀察到大量的中子和γ射線，而實驗中卻未觀察到。加之，一些實驗室也聲稱重復實驗中未能觀察到弗雷希曼和龐斯所宣布的現象。人們開始懷疑是不是實驗中出現了人為的偏差，“ 冷核聚變”研究漸漸地進入低潮。

零點能的各種形式

零點能量的概念出現在許多場合，而對這些場合做出區分是重要的，此外尚有許多與零點能量有密切關系的概念。 在普通量子力學中，零點能量是系統基態所具有的能量。這樣的例子中最有名的是量子諧振子基態所具有的能量。更精準地說，零點能量是此系統哈密頓算符的期望值。 在量子場論中，空間的織構(fabric)可以視作是由場所組成，而場在時間與空間中各點是個量子化的簡諧振子，并且有相鄰振子的相互作用。在這情況下，空間中各點都各有的貢獻，導致技術上為無限大的零點能量。又一次，零點能量是哈密頓算符的期望值，但在這里，“真空期望值”這個詞匯更常使用，而能量稱為真空能量。 在量子微擾理論，有時候會說：基本粒子傳遞子(propagator)的單圈(one-loop)與多圈費曼圖貢獻，是來自于真空漲落(vacuum fluctuation)或者說來自于零點能量對于粒子質量的貢獻。

實驗證據

要證明零點能量存在，量子場論中最簡單的實驗證據是卡西米爾效應(Casimir effect)。此效應是在1948年由荷蘭物理學家亨得里克·卡西米爾(Hendrik B. G. Casimir)所提出，其考慮了一對接地、電中性金屬板之間的量子化電磁場。可以在兩塊板子間量測到一個很小的力，這種力——稱之為卡西米爾力，可直接歸因于板子間電磁場的零點能量變化所造成。 卡西米爾效應一開始被視作不易探測，因為它的效應只能在極小距離被看到，然而此效應在納米科技的重要性逐日增加。不僅是特殊設計的納米尺度裝置可輕易又精準地測量到卡西米爾效應，在微小裝置的設計以及制程中，此一效應的影響也逐漸需要被考慮進去，以其會對納米裝置施加不小的力及應力，使得裝置被彎折、扭轉、相黏和斷裂。 其他的實驗證據包括有原子或核子的光（光子）自發放射(spontaneous emission)、原子能階的蘭姆位移(Lamb shift)、電子旋磁比(gyromagnetic ratio)的異常值(anomalous value)等等。

重力與宇宙學

在物理宇宙學中，零點能量對于臆測為正值的宇宙常數提供了有意思的課題。簡單說，若此能量真的存在，則其應當會施以重力。在廣義相對論中，質量與能量等價；任何一者都會產生重力場。 這種關系聯結其中一個最明顯的困難是真空的零點能量是大得荒謬。天真地說，它是無限大的。不過可以辯稱說：普朗克尺度下的新物理會讓它在那樣的尺度下有個截止點(cut-off)。即便如此，仍會有相當大的零點能量使得時空有明顯的彎曲，而與現實相矛盾。對于此情形，至今沒有簡單的解決辦法，而將“理論上似乎相當大的空間零點能量”，以及“觀測到宇宙常數為零或很小”這兩個情形作調和，是理論物理學中的重要問題之一，而這也變為對于萬有理論候選者評比的一項標準。

推進理論

另一個零點能量研究領域是在于如何用它來產生推進。美國國家航空航天局(NASA)與英國航太公司(British Aerospace)兩個單位都有相關研究計劃，不過要做出可用的技術仍有相當遙遠的路要走。要在此領域中取得任何的成功，就必須能做到對量子真空制造出斥力效應(repulsive effect)；根據理論是可能的，而制造以及測量出這樣效應的實驗規劃在未來要進行。 Rueda、Haisch及Puthoff三人提出了一個加速中的質量體會與零點場相互作用，制造出一種電磁阻滯力(electromagnetic drag force)，而產生了“慣性”此一現象；細節參見隨機電動力學(stochastic electrodynamics)。

“免費能量”裝置

卡西米爾效應使得零點能量成為一個沒有爭議、且科學界普遍接受的現象。然而“零點能量”一詞卻已經與一些具有爭議性的領域牽扯上關系：設計與發明出所謂的“免費能量”裝置("free energy" devices)，概念上與過去永動機(perpetual motion machines)有某種程度上的相似，在發展的成功度也相類似。在外國有許多業余愛好者投入研究，宣稱有一定成果，甚至有專門討論免費能量的網絡論壇。這些人自創了一個字用來形容這類裝置，叫做OVERUNITY，是指某個裝置的輸出能量大于輸入能量。也有許多公司宣稱成功研發這類裝置。但是目前科學界似乎不接受這類發明與發現，這類公司也被批評為詐騙集團。 相關專利 美國專利(U.S. Patent) 5590031——將電磁輻射能量轉換為電力能量的系統 美國專利(U.S. Patent) 6362718──不動式電磁發電機(Motionless electromagnetic generator)

前景與應用

現狀

真空零點能（Zero point energy） 量子理論預示，真空中蘊藏著巨大的本底能量， 它在絕對零度條件下仍然存在， 稱為真空零點能。對卡西米爾（Casimir）力（一種由于真空零點電磁漲落產生的作用力）的精確測量，證實了這一物理現象。 現代科學認為真空并不意味著一無所有，真空是由正電子和負電子旋轉波包組成的系統，這種過程的動態能量可以作為工業能源、未來星際航行能源以及家庭生活等諸多領域的能源。量子真空是一個非常活躍的空間，它充滿時隱時現的粒子和在零點線值上漲落的能量場。而與這種現象伴生的能量，被稱為零點能，也就是說，即使在絕對零度，這種真空活性仍然保持著。早在1891年，科學家忒斯拉（Nikola Tesla）在一次演講中就提到：幾個世紀之后，也許我們可以從宇宙中的任意一點提取能量來驅動我們的機械。用今天的科學語言解釋，這種能源就是真空零點能，或稱空間能、自由能等。 關于零點能的設想來自量子力學的一個著名概念:海森堡測不準原理。該原理指出：不可能同時以較高的精確度得知一個粒子的位置和動量。因此，當溫度降到絕對零度時粒子必定仍然在振動；否則，如果粒子完全停下來，那它的動量和位置就可以同時精確的測知，而這是違反測不準原理的。這種粒子在絕對零度時的振動（零點振動）所具有的能量就是零點能。狄拉克從量子場論對真空態進行了生動的描述，把真空比喻為起伏不定的能量之海。J. Wheeler估算出真空的能量密度可高達1095 g/cm^3。 1948年，荷蘭物理學家亨德里克·卡西米爾提出了一項檢測這種能量存在的方案。從理論上看，真空能量以粒子的形態出現，并不斷以微小的規模形成和消失。在正常情況下。真空中充滿著幾乎各種波長的粒子，但卡西米爾認為，如果使兩個不帶電的金屬薄盤緊緊靠在一起，較長的波長就會被排除出去。接著，金屬盤外的其他波就會產生一種往往使它們相互聚攏的力，金屬盤越靠近，兩者之間的吸引力就越強。1996 年，物理學家首次對這種所謂的卡西米爾效應進行了測定。華盛頓大學Lamoreaux在他的學生Dev Sen協助下，對卡西米爾效應進行了精確的測量，該測量結果與卡西米爾對這一特殊板間距及幾何構形所預測的力相差不超過5%。Lamoreaux在他的實驗中，采用鍍金石英表面作為他的金屬板。另外一塊板固定在一個靈敏扭擺的端部。如果該板向著另外一塊板移動，則擺就會發生扭轉。一臺激光器可以以0.01微米的精度測量扭擺的扭轉。向一組壓電組件施加的一股電流使卡西米爾板移動；而另一電子反饋系統則抵消這一移動，使扭擺保持靜止。零點能效應就表現為保持擺的位置所需的電流量的變化。Mohideen等人在加州理工學院作的實驗中，在0.1到0.9μm的范圍內，用原子力顯微鏡對卡西米爾力進行的測量結果，與理論值相差不到1%。 如果零點能可以提取，無疑將是人類所能夠利用的最佳能源了。它是潔凈，廉價的能源，是大自然給予人類的“免費的午餐”。宇宙中所有的物質都來源于零點電磁漲落能，我們身上的每一個物質粒子不停地與真空零點能發生能量交換，也就是，沒有任何一個物理體系稱得上是孤立體系的。根據物理真空的性質，我們可以從空間任何一點提取零點能，并轉換成我們所需要的能量形式。原子中電子繞核轉；太陽系中，行星繞太陽轉，幾十億年永不停息；超導和超流現象，這些都是大自然給我們的關于能源的啟示。

前景

如果零點能可以提取，無疑將是人類所能夠利用的最佳能源了。它是潔凈，廉價的能源，是大自然給予人類的“免費的午餐”。宇宙中所有的物質都來源于零點電磁漲落能，我們身上的每一個物質粒子不停地與真空零點能發生能量交換，也就是，沒有任何一個物理體系稱得上是孤立體系的。根據物理真空的性質，我們可以從空間任何一點提取零點能，并轉換成我們所需要的能量形式。原子中電子繞核轉；太陽系中，行星繞太陽轉，幾十億年永不停息；超導和超流現象，這些都是大自然給我們的關于能源的啟示。 十幾年來對真理執著追求的科技工作者沒有放棄這項研究。進一步的研究發現：即使用普通的碳電極在輕水以及輝光放電等其他裝置中也能觀察到“冷核聚變”現象。國際權威刊物《科學》雜志于1998年6月載文稱：對冷核聚變不懷疑下列事實，多數裝置產生異常能量輸出，有些已投入市場，有些已取得專利。美國核科學協會已于1998年將電化學低能核反應列入了年會的正式討論內容。由于“冷核聚變”與人類的能源問題密切相關，日本、意大利、法國等資源匱乏的國家已投巨資資助“冷核聚變”類型的研究。但是，目前困擾科學家們的問題是如何解釋這些異常現象。由于當初的實驗用的是重水和鈀電極，這很容易給人以錯覺，認為這種電化學異常現象就是核現象。因此大部分研究者都在尋求“冷核聚變”的核解釋，但在理論上遇到了強大的阻力，進展甚微。另一方面大多數的理論解釋認為“冷核聚變” 是一種體效應，沒有分析電極微觀結構的作用。北京航空航天大學的江興流教授基于實驗結果，以電極的尖端效應為突破口，分析了電化學異常現象。江興流科研組在電解實驗中，觀察到在電極附近有高度定向的核反應，以及過熱、核嬗變、滯后效應（HeatafterDeath）。經過不斷的探索總結出：氣體放電、真空擊穿及液體中的放電（電解）現象，有著共同的物理規律：由于電解過程中電極表面尖端效應產生的聚能過程，在電極表面局部產生氣泡和渦旋運動，氣泡的產生和坍塌過程將發生動態卡西米爾效應而提取零點能并以熱能的方式釋放出來；同時渦旋運動與零點能形成撓場相干而提取零點能，一方面釋放熱能，另一方面形成類星體渦旋結構，在渦旋中心產生高能射線、中子和高能粒子，并伴有高度定向的核反應。可見電極表面尖端處形成遠離平衡態的非線性體系，滿足一定的條件就會形成自組織的正反饋渦旋，通過撓場機制提取零點能。從而可以看出“冷核聚變”中的“過熱”，在考慮零點能的提取后不應再被視為過熱，因為此時它并不違反能量守恒定律。而且，既然“冷核聚變”過程中主要發生的不是核反應，冷核聚變這個詞就已經不再適用了，它僅僅是一個代名詞。 江興流教授認為關于“冷核聚變”研究應該將注意力轉移到提取零點能和撓場機制上面來。零點能即物理真空能，它是不確定性原理所要求的最小能量。真空能是開放非線性系統的混沌表現，來源于四維空間的電磁流的三維表現，它可扭曲我們的三維空間，從而改變時空度規。慧勒計算零點能的密度為1095g/cm3，也就是說它是一個無比巨大的能源。由真空零點能而帶來的可以直接從實驗觀測的物理結果是卡西米爾效應。撓場理論最初源于愛因斯坦———康頓理論，在廣義相對論中，若要考慮物質自旋的作用，需引入非對稱的聯絡，即撓率不為零的情況就會導出撓場的存在，撓場的能量來源是零點能。眾所周知，基本粒子的“電荷”對應于電磁場，“質量”對應于引力場，那也應有對應于“自旋”的撓場存在。撓場有許多獨特的性質：它只改變物質的自旋性質；類似于引力場的高穿透性；滯后效應；軸向加速效應。用撓場機制我們就可解釋電化學異常現象中的過熱、核嬗變、滯后放熱等效應。 研究“冷核聚變”的意義已經不限于其本身，它使我們意識到一個新的巨大的能源———真空能的存在。我們可以通過高能粒子的對撞激發真空，也可以通過電化學、渦旋等過程激發真空而提取零點能。而且后面所屬的過程并不十分復雜，這一點可以通過美國的許多效率大于一的專利看出。這就是說大規模提取零點能具有很大的可行性。 然而一項創新的實現，總是要受到來自各方面的阻力，一方面我們在這個領域的理論和實驗研究還不夠成熟；另一方面由于真空能這種新能源的廣泛應用必然引起世界能源結構的巨大變革，對世界經濟格局乃至政治格局都將產生深重影響，傳統勢力會從學術和經濟兩方面阻撓新能源研究的發展。 新能源———真空能的大規模利用為人類描繪了一個美好的未來：由于零點能十分巨大，加上它的利用過程高效且清潔無污染，它的大規模利用將解決目前世界所面臨的能源短缺、環境污染、干旱、溫室效應等生態環境問題。 不難看出，新能源———真空能的利用是一項具有巨大戰略意義的創新工程。而我國目前在這個領域的研究才剛剛起步，社會各方面應給與足夠的關注和支持，國家應不失時機地從系統工程的高度加強這方面的領導工作，以期在國家綜合實力競爭中處于優勢地位。

應用

世界各地的科學家最近齊聚英國，研究利用“零點能推動宇宙飛船引擎的可能性，一旦成功，人類將可在太空中自由來去，而且不需要耗費任何燃料，飛行數百年之久也沒有問題。截至目前，零點能只獲得初步的驗證：在實驗中兩片金屬通過零點能的力量結合在一起，微微發熱。雖然這和推動太空船的動力相差了十萬八千里，但至少證明了利用零點能的構想是可行的。此外，科學家認為物理學定律中的慣性、電子繞原子核運動的動力，可能也是由量子振動而來。若能想出辦法克服慣性的作用，通過原子的運動汲取能量，太空旅行將不再是夢想。科學家樂觀地相信，若假設正確，則5年內就可以制造出新型火箭與人造衛星，未來更有無盡的發展可能性。