真空能与扰场理论

作者：江兴流 (北京航空航天大学物理系)

 量子理论预示，真空中蕴藏着巨大的本底能量， 它在绝对零度条件下仍然存在， 称为零点能（Zero point energy）。对卡西米尔（Casimir）力（一种由于真空零点电磁涨落产生的作用力）的精确测量，证实了这一物理现象。随着物理真空理论和实验研究的推进，人类将会把处于“闲置”状态的真空作为一块“新油田”加以开发。若能将这种能量转换为可供人类应用的动力，等于为人类开启了一座永不枯竭的能源宝藏。涡旋是宇宙的引擎，作者提出瞬态涡旋动力学与挠场效应提取真空零点能的观点，用以解释异常核反应和异常能量输出的现象。当前，许多新能源发生装置不断出现，能源革命的时代已经到来。

量子真空零点能

　　现代科学认为真空并不意味着一无所有，真空是由正电子和负电子旋转波包组成的系统，这种过程的动态能量可以作为工业能源、 未来星际航行能源以及家庭生活等诸多领域的能源。量子真空是一个非常活跃的空间，它充满时隐时现的粒子和在零点线值上涨落的能量场。而与这种现象伴生的能量，被称为零点能，也就是说，即使在绝对零度，这种真空活性仍然保持着。早在1891年，科学家忒斯拉（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。用今天的科学语言解释，这种能源就是真空零点能，或称空间能、自由能等。

　　诺贝尔奖获得者李政道教授在他的《粒子物理和场论引论>（Particle Physics and Introduction to Field theory）一书中，第一次提出了真空工程（ Engineering the vacuum）的概念，他写道：“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。”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。

　　传统的观念认为物理真空是一个能量最小的系统，不能从这样一个系统中取出能量。但应该看到的是，物理真空是一个具有强烈波动的动态系统，它可能是一种能源。许多有独特见解的科学家很早就开始注意到利用卡西米尔效应作为替代的能源。休斯公司研究室的R. Forword在1984年就提出了利用带电荷薄膜导体内聚现象从真空中提取电能[Phys .Rev. B60, 14,740(1984)]。近年来，各种科学杂志和新闻媒体纷纷报道关于真空零点能的研究，尤其在精确测量卡西米尔效应之后，人们更加关注如何向真空索取能量来解除人类所面临的环境恶化、能源枯竭、臭氧层减少等严重问题。

　　真空中存在电磁零点能，并可以认为零点能起源于宇宙边界条件，或是由组成物质的带电粒子的量子涨落运动产生的。零点能推动粒子运动，粒子运动产生零点能，形成了自生宇宙反馈模式，宇宙的所有物质对真空都是开放的，零点能的涨落可以看作是具有随机状态的经典电磁辐射模式的集合。宇宙电磁涨落的能谱密度分布为：其中每个正态模式的平均能量为_________???,也就是真空中的能量是以分立的互不相干的涨落形式存在。

　　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。关于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确度得知一个粒子的位置和动量。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。狄拉克从量子场论对真空态进行了生动的描述，把真空比喻为起伏不定的能量之海。J. Wheeler估算出真空的能量密度可高达1095 g/cm3。

　　有人认为零点能来自所有各种类型的力场，包括电磁场、引力场和核力场，并可以通过几种方式表现出来。一种方式是兰姆移位，即受激原子发出的光的频率的轻微改变；另一种形式是电子和光学仪器中可记录到的一类特殊的不可避免的电平噪声。但是影响最大也最为明显的要算卡西米尔效应。1948年，荷兰物理学家卡西米尔在理论上计算出两块靠得足够近的金属板之间将会有轻微的相互吸引。原因在于金属板之间的微小距离只允许真空能量中高频电磁成分存在，其它那些较大成分则被金属板挡在外面，因而内外存在着压力差，正是这样的力使得金属板相互靠拢。这也被称为静态卡西米尔效应。尔后，许多物理学家对其进行了实验上的验证。华盛顿大学Lamoreaux在他的学生Dev Sen协助下，对卡西米尔效应进行了精确的测量。该测量结果与卡西米尔对这一特殊板间距及几何构形所预测的力相差不超过5%。Lamoreaux在他的实验中，采用镀金石英表面作为他的金属板。另外一块板固定在一个灵敏扭摆的端部。如果该板向着另外一块板移动，则摆就会发生扭转。一台激光器可以以0.01微米的精度测量扭摆的扭转。向一组压电组件施加的一股电流使卡西米尔板移动；而另一电子反馈系统则抵消这一移动，使扭摆保持静止。零点能效应就表现为保持摆的位置所需的电流量的变化。Mohideen等人在加州理工学院作的实验中，在0.1到0.9μm的范围内，用原子力显微镜对卡西米尔力进行的测量结果，与理论值相差不到1%。《Science》杂志曾载文“The Subtle Pull of Emptiness”(Vol. 275,10 Jan. 1997)称：这是一个让所有教科书都要改写的实验。

冷核聚变与提取零点能

　　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（ICCF-10， 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）分管聚变的官员（1995-2001）T.J.Dolan，在清华召开的ICCF-9国际会议上的总结会上，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Nadine 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”的，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(http://www.newenergytimes.com/)。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。

　　2002年3月8日《科学》杂志报道说，美、俄科学家通过让一个大烧杯所盛液体中微小气泡产生的爆炸，在实验室获得了相当于核聚变的效果。当时，美国橡树岭国家实验室的科学家塔利亚克汉采用氘化丙酮作为实验材料，即将丙酮分子中的氢原子都以氢同位素氘取代。他们用中子脉冲轰击丙酮液，使其内部产生微小的气泡，并利用声波促使这些气泡保持快速而稳定的增长。当声波的声压达到一定值时，丙酮液体中这些微小气泡便会在迅速膨胀后突然崩溃，产生千万摄氏度的高温与局部高压，同时伴有强大的冲击波、闪光以及巨大能量的产生，这种状态大约持续了1微微秒。这一实验现象为冷核聚变的研究提供了新的证据。早前，Roger Stringham就用声学空化法，在浸入重水中的金属薄膜表面，产生超声核聚变。最好的实验结果是15瓦声学输入功率，可得到40瓦的热能输出，但是，没有中子辐射。

　　2003年12月19日出版的《Science》杂志载文称，本年度最大的科学突破是暗能量的发现。研究表明，近73%的宇宙由神秘的暗能量组成，它是一种反重力。真空零点能是暗能量的一种表现，暗能量的证实，为冷核聚变的研究提供了新的物理依据。

江兴流的涡旋动力学提取零点能理论认为：电解过程中，电极的棱角及表面的凸起，将引起局部电场集中。如果是阴极，将出现局部高密度电子发射，而导致远离平衡态的非线性的涡旋运动，这一涡旋效应将产生挠场。由于氢（或氘）气泡的不断出射和离去，在电极尖端将出现周期性的瞬态变化过程。瞬变的气泡可以看作是带有可动边界的谐振腔，它们可能产生动态长西米尔效应而吸收零点能，并以光子的形式放出，这样，通过挠场与真空的相干作用而提取能量（零点能），导致了过热和异常核现象的出现。这一理论也成功地解释了最近Nature杂志2005年4月28日刊登的，美国加州大学洛衫矶分校用热电晶体在氘气的环境中，在温度变化不到30度时产生的核聚变。这种被称为“口袋中的核聚变”的实验结果，用了热电效应和尖端放电效应的简单方法产生核聚变中子。涡旋动力学提取零点能理论也为气泡核聚变现象提供理论依据：气泡破裂的瞬态过程，产生自收缩涡旋，通过挠场相干提取量子真空零点能而形成高度定向的能量射束。这种微细射束，可以是光束，也可能是引起核反应的高能粒子束。

　　从电解实验结果中，我们看到了挠场存在的证据，例如：通过辐射自照相法观察到的高度定向的 _ 粒子束；有时，断开电解电压后，仍能看到电极尖端处持续出现的气泡，说明该处残留的挠场仍在起作用。应该指出，国际上许多实验室观察到的停止电解后出现的持续过热现象，亦可用挠场的存在作解释。

　　从1989至今，整整16年了，在这期间，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，以下我们指出，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，Mitchell Swartz在麻省理工学院（MIT）Hagelstein教授的实验室，演示了的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，从8月24日到8月30日多次进行过。

　　美国波特兰州立大学的John.Dash教授，带领着暑期高中学生在MIT的Hagelstein的实验室也演示了过热实验。

　　“Letts-Cravens”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各自独立地观测到（Michael Mckubre, Edmund Storms, 和Mitchell Swartz）。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毫瓦时，电解池输出为1瓦。第二：这一实验重复性很好。

　　来自佛罗里达的James Patterson博士和他的同事们向公众展示了一种结构简单、坚固、构思巧妙的气相“冷聚变”反应器，该反应器能持续不间断地产生过热输出。而且该装置的全部细节均无保留地向公众公开。

　　意大利政府支持的固态低能核反应装置观察到与过热相关的4He。

　　一家以色列公司—能源技术有限公司，在美国投资者支持下，仅二年时间就得到各种过热过程，有关这些成果在ICFF-10会议上，做了介绍与演示。

　　“气泡核聚变(bubble Fusion)”和声致发光，与电化学异常核反应过程相似，都存在气泡的产生、长大和破裂的过程。气泡破裂有各种模式：球形破裂、非球形破裂和射流模型。 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10exp10 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（ ）由于能量在MeV量级，在液体中的射程很短（<1mm），不能从烧杯外部探测到。

　　在过去的16年里，诸如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，而且在一些关键性实验装置上有很好的重复性。涡旋动力学与挠场理论　　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、超导体中的涡旋点阵，到宏观的等离子体加速、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，整个宇宙通过涡旋而联系在一起。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。而且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四种相互作用加以解释，需要引入挠场或自旋场。挠场效应属于新的基本相互作用，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（torsion field）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。

　　值得注意的是,与涡旋有关的物理现象和物理过程，都没有很好的理论解释。近来，发现超导体中的涡旋点阵具有记忆效应，这使人想到挠场效应。在我们所做的电解实验结果中，看到了挠场存在的迹象。例如通过辐射自照相法观察到的高度定向的β粒子束；有时，断开电解电源后，仍然能够看到电极尖端处持续出现的气泡，说明该处残留的挠场仍在起作用；许多实验室也观察到停止电解后，会出现持续的放热现象，也可以用挠场的滞后效应加以解释。

　　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。”

　　Moray B. King坚持认为零点能是可以提取的，并在这方面做了长期的研究工作。他的专著“Tapping the zero-point energy”受到普遍欢迎。 King的依据主要来自普里高津的耗散理论。根据普里高津的理论，非线性非平衡体系在一定条件下，可以产生自组织效应，从混沌走向有序。由于挠场相干等原因，可以使随机背景电磁场产生自组织，从而提取零点能。更多的人，从电化学异常、非平衡磁场及引力场的角度出发，探索提取零点能的有效而简单的途径,并取得了一定的成就。1997年，美国航空航天局主办了一个名为“突破性推进物理”学术研讨会，据与会者称，零点能成了这些探讨何种“突破”的人的中心话题。美国航空航天局甚至制订了详细的研究开发计划。2001年1月20至22日，第一届国际“场推进”会议在英国召开。世界各地的科学家齐聚英国，研究“利用零点能推动宇宙飞船引擎”的可能性，一旦成功，人类将可在太空中自由来去，而且不需要耗费任何燃料，飞行数百年之久也没有问题。2001年6月23日,在瑞士的Weinfelden召开未来能源和引力研究国际会议，200多位科学家讨论了多种新能源和反引力研究的进展。

　　1998年6月，《Science》杂志曾载文称：对“冷核聚变”类型的装置不怀疑下列事实，多数产生异常能量输出，有的已投入市场，有的已取得专利。

　　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，使我们对大自然的认识深化了。

新能源展望

　　零点能是洁净，廉价的能源，是大自然给予人类的“免费的午餐”。宇宙中所有的物质都来源于零点电磁涨落能，我们身上的每一个物质粒子不停地与真空零点能发生能量交换，也就是，没有任何一个物理体系称得上是孤立体系的。根据物理真空的性质，我们可以从空间任何一点提取零点能，并转换成我们所需要的能量形式。原子中电子绕核转；太阳系中，行星绕太阳转，几十亿年永不停息；超导和超流现象，这些都是大自然给我们的关于能源的启示。

　　我国《科技日报》于2000年4月19日刊登一篇题为《“冷核聚变”与新能源－真空能》的评论性文章。该文简述江兴流的提取真空能的理论和实验研究成果，认为真空能的大规模利用为人类描绘了一个美好的未来。五年过去了，如今这篇文章在互联网上成为关注能源问题的人们的点击率很高的一篇重要文章。江兴流等人撰写的论文“瞬态涡旋动力学与非平衡体系中的异常核现象”已被作为优秀论文收入由路甬祥为编委会主任的《中国科技发展论坛》大型文献中。

　　冷核聚变现象的研究，引起社会各界人士的广泛关注。联合国秘书长安南于今年6月13日参观了N. Moller 在瑞士的冷核聚变和飘升机实验室，以及原子氢热发生器和高效能量提升技术。他热情支持这些新能源技术实验，并认为Moller的研究结果向世界表明，清洁和新形式的能源将减少环境恶化，推进可持续发展。Moller的原子氢热发生器在法国的Naudin实验室得到重复，其能量转换效率可达347%。

　　意大利和日本联合提出利用冷核聚变的核嬗变现象处理核废料的建议，两年的研究经费为一千三百万欧元。此前，日本三菱重工的核嬗变实验研究结果在日本获奖。

　　许多发明家很早就研制成效率大于100%的能源装置，如：美国有许多类似于水泵的效率大于1的能源装置，已经申请专利（US Patent:5188090,5279262），但由于不能解释其机制，得不到科学界的承认而不能推广。还有许多类似的例子，或由于技术不成熟，或造价太高, 或发明家本人过于追求经济利益而不能产业化。美国黑光能源公司R.L. Mills研制的镍/钛电解系统，热效率可达850%,曾吸引到2000万美元的投资。他用新的氢氧化物和聚合态理论解释过量熵的出现，遭到以诺贝尔奖得主P. Anderson等人的反对。由于学术上的争执导致商业利益的损失，引起了法律诉讼。Nature杂志曾以“新氢能挑战怀疑主义（New form of hydrogen power provokes skepticism）”为标题报道了这件事。由此可见，阐明物理机制，进行科普宣传，得到广泛认同，是重要的。国外有许多学术杂志对零点能研究进行宣传报道，如Journal of New Energy, Infinite Energy, New Energy Times，New Energy Technologies等。

　　近期已经召开或即将召开的与新能源相关的国际会议有：

1．The 12th International Conference on Emerging Nuclear Energy Systems will take place Aug. 21-26, 2005, in Bruxelles, Belgium. The conference is hosted by the Belgian Nuclear Research Centre, Studiecentrum voor Kernenergie - Centre D'tude de l'Energie Nuclaire, an organization of 600 dedicated people who advance the peaceful, medical and industrial applications of nuclear energy。

2．“New Hope for Earth and Humanity”Friday Sept. 9th till Sunday Sept. 11th, 2005，Congress Hotel “Mercure”, Bregenz/Austria (near Casino)。

3．The 12th International Conference on Condensed Matter Nuclear Science (ICCF-12)。This conference takes place on Nov. 27 - Dec. 2, 2005. Please note that a new location has been selected: Shin Yokohama Prince Hotel, in Yokohama, Japan.

4．The 2005 Cold Fusion Colloquium at Massachusetts Institute of Technology。

5． 2005 ExtraOrdinary Technology Conference(July 28, 2005 - July 31, 2005)。

6． RCCNT&BL-13(September 15, 2005 - September 22, 2005)。

结语

　　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。关于宇宙具有的全息性质，量子隐形传态，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，使我们对大自然的认识深化了。据此，我们可以探索许多未知领域，为解决能源、通讯、材料、生物医学等学科中的问题，提供新思路。有人认为，二十一世纪是真空工程的世纪，物理学的发展趋势是研究宏观宇宙和微观粒子相结合，研究自旋及由自旋产生的挠场的性质，利用零点能，开发零点能。为了加速零点能的相关产业的开发过程，需要科学家，发明家和投资者联手做好信息、科普、研发和产业化的工作。可以预期，率先开发洁净廉价的真空零点能能源，建立分布式的能源网点，将使我们在二十一世纪经济发展中成为最大的赢家。