基本簡(jiǎn)介現代科學(xué)認為真空并不意味著(zhù)一無(wú)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(gè)非?；钴S的空間，它充滿(mǎn)時(shí)隱時(shí)現的粒子和在零點(diǎn)線(xiàn)值上漲落的能量場(chǎng)。而與這種現象 伴生的能量，被稱(chēng)為零點(diǎn)能，也就是說(shuō)，即使在絕對零度，這種真空活性仍然保持著(zhù)。

原理研究

原理設想

關(guān)于零點(diǎn)能的設想來(lái)自量子力學(xué)的一個(gè)著(zhù)名概念:海森堡測不準原理。該原理指出：不可能同時(shí)以較高的精確度得知一個(gè)粒子的位置和動(dòng)量。因此，當溫度降到絕對零度時(shí)粒子必定仍然在振動(dòng)；否則，如果粒子完全停下來(lái)，那它的動(dòng)量和位置就可以同時(shí)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(shí)的振動(dòng)（零點(diǎn)振動(dòng)）所具有的能量就是零點(diǎn)能。

原理描述

狄拉克從量子場(chǎng)論對真空態(tài)進(jìn)行了生動(dòng)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(xué)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(tài)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(mǎn)著(zhù)幾乎各種波長(cháng)的粒子，
但卡西米爾認為，如果使兩個(gè)不帶電的金屬薄盤(pán)緊緊靠在一起，較長(cháng)的波長(cháng)就會(huì )被排除出去。接著(zhù)，金屬盤(pán)外的其他波就會(huì )產(chǎn)生一種往往使它們相互聚攏的力，金屬盤(pán)越靠近，兩者之間的吸引力就越強。1996 年，物理學(xué)家首次對這種所謂的卡西米爾效應進(jìn)行了測定。華盛頓大學(xué)Lamoreaux在他的學(xué)生Dev Sen協(xié)助下，對卡西米爾效應進(jìn)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(guò)5%。Lamoreaux在他的實(shí)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(gè)靈敏扭擺的端部。如果該板向著(zhù)另外一塊板移動(dòng)，則擺就會(huì )發(fā)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(dòng)；而另一電子反饋系統則抵消這一移動(dòng)，使扭擺保持靜止。零點(diǎn)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(xué)院作的實(shí)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(jìn)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(guān)察到了異常的熱量輸出和少量的中子。該現象一經(jīng)公布就在全世界范圍內引起了一場(chǎng)軒然大波。由于當時(shí)的實(shí)驗用的是重水又是在常溫下，人們就把這種現象稱(chēng)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(fā)生氘核聚變，像常溫常電壓下的電解過(guò)程是不可能發(fā)生核反應的。而且若認為過(guò)熱是由核反應引起的，就應該觀(guān)察到大量的中子和γ射線(xiàn)，而實(shí)驗中卻未觀(guān)察到。加之，一些實(shí)驗室也聲稱(chēng)重復實(shí)驗中未能觀(guān)察到弗雷希曼和龐斯所宣布的現象。人們開(kāi)始懷疑是不是實(shí)驗中出現了人為的偏差，“ 冷核聚變”研究漸漸地進(jìn)入低潮。

零點(diǎn)能的各種形式

零點(diǎn)能量的概念出現在許多場(chǎng)合，而對這些場(chǎng)合做出區分是重要的，此外尚有許多與零點(diǎn)能量有密切關(guān)系的概念。 在普通量子力學(xué)中，零點(diǎn)能量是系統基態(tài)所具有的能量。這樣的例子中最有名的是量子諧振子基態(tài)所具有的能量。更精準地說(shuō)，零點(diǎn)能量是此系統哈密頓算符的期望值。 在量子場(chǎng)論中，空間的織構(fabric)可以視作是由場(chǎng)所組成，而場(chǎng)在時(shí)間與空間中各點(diǎn)是個(gè)量子化的簡(jiǎn)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(diǎn)都各有的貢獻，導致技術(shù)上為無(wú)限大的零點(diǎn)能量。又一次，零點(diǎn)能量是哈密頓算符的期望值，但在這里，“真空期望值”這個(gè)詞匯更常使用，而能量稱(chēng)為真空能量。 在量子微擾理論，有時(shí)候會(huì )說(shuō)：基本粒子傳遞子(propagator)的單圈(one-loop)與多圈費曼圖貢獻，是來(lái)自于真空漲落(vacuum fluctuation)或者說(shuō)來(lái)自于零點(diǎn)能量對于粒子質(zhì)量的貢獻。

實(shí)驗證據

要證明零點(diǎn)能量存在，量子場(chǎng)論中最簡(jiǎn)單的實(shí)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(xué)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(chǎng)?？梢栽趦蓧K板子間量測到一個(gè)很小的力，這種力——稱(chēng)之為卡西米爾力，可直接歸因于板子間電磁場(chǎng)的零點(diǎn)能量變化所造成。 卡西米爾效應一開(kāi)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(jìn)去，以其會(huì )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(shí)驗證據包括有原子或核子的光（光子）自發(fā)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(xué)

在物理宇宙學(xué)中，零點(diǎn)能量對于臆測為正值的宇宙常數提供了有意思的課題。簡(jiǎn)單說(shuō)，若此能量真的存在，則其應當會(huì )施以重力。在廣義相對論中，質(zhì)量與能量等價(jià)；任何一者都會(huì )產(chǎn)生重力場(chǎng)。 這種關(guān)系聯(lián)結其中一個(gè)最明顯的困難是真空的零點(diǎn)能量是大得荒謬。天真地說(shuō)，它是無(wú)限大的。不過(guò)可以辯稱(chēng)說(shuō)：普朗克尺度下的新物理會(huì )讓它在那樣的尺度下有個(gè)截止點(diǎn)(cut-off)。即便如此，仍會(huì )有相當大的零點(diǎn)能量使得時(shí)空有明顯的彎曲，而與現實(shí)相矛盾。對于此情形，至今沒(méi)有簡(jiǎn)單的解決辦法，而將“理論上似乎相當大的空間零點(diǎn)能量”，以及“觀(guān)測到宇宙常數為零或很小”這兩個(gè)情形作調和，是理論物理學(xué)中的重要問(wèn)題之一，而這也變?yōu)閷τ谌f(wàn)有理論候選者評比的一項標準。

推進(jìn)理論

另一個(gè)零點(diǎn)能量研究領(lǐng)域是在于如何用它來(lái)產(chǎn)生推進(jìn)。美國國家航空航天局(NASA)與英國航太公司(British Aerospace)兩個(gè)單位都有相關(guān)研究計劃，不過(guò)要做出可用的技術(shù)仍有相當遙遠的路要走。要在此領(lǐng)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(shí)驗規劃在未來(lái)要進(jìn)行。 Rueda、Haisch及Puthoff三人提出了一個(gè)加速中的質(zhì)量體會(huì )與零點(diǎn)場(chǎng)相互作用，制造出一種電磁阻滯力(electromagnetic drag force)，而產(chǎn)生了“慣性”此一現象；細節參見(jiàn)隨機電動(dòng)力學(xué)(stochastic electrodynamics)。

“免費能量”裝置

卡西米爾效應使得零點(diǎn)能量成為一個(gè)沒(méi)有爭議、且科學(xué)界普遍接受的現象。然而“零點(diǎn)能量”一詞卻已經(jīng)與一些具有爭議性的領(lǐng)域牽扯上關(guān)系：設計與發(fā)明出所謂的“免費能量”裝置("free energy" devices)，概念上與過(guò)去永動(dòng)機(perpetual motion machines)有某種程度上的相似，在發(fā)展的成功度也相類(lèi)似。在外國有許多業(yè)余愛(ài)好者投入研究，宣稱(chēng)有一定成果，甚至有專(zhuān)門(mén)討論免費能量的網(wǎng)絡(luò )論壇。這些人自創(chuàng )了一個(gè)字用來(lái)形容這類(lèi)裝置，叫做OVERUNITY，是指某個(gè)裝置的輸出能量大于輸入能量。也有許多公司宣稱(chēng)成功研發(fā)這類(lèi)裝置。但是目前科學(xué)界似乎不接受這類(lèi)發(fā)明與發(fā)現，這類(lèi)公司也被批評為詐騙集團。 相關(guān)專(zhuān)利 美國專(zhuān)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(zhuān)利(U.S. Patent) 6362718──不動(dòng)式電磁發(fā)電機(Motionless electromagnetic generator)

前景與應用

現狀

真空零點(diǎn)能（Zero point energy） 量子理論預示，真空中蘊藏著(zhù)巨大的本底能量， 它在絕對零度條件下仍然存在， 稱(chēng)為真空零點(diǎn)能。對卡西米爾（Casimir）力（一種由于真空零點(diǎn)電磁漲落產(chǎn)生的作用力）的精確測量，證實(shí)了這一物理現象。 現代科學(xué)認為真空并不意味著(zhù)一無(wú)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(guò)程的動(dòng)態(tài)能量可以作為工業(yè)能源、未來(lái)星際航行能源以及家庭生活等諸多領(lǐng)域的能源。量子真空是一個(gè)非?；钴S的空間，它充滿(mǎn)時(shí)隱時(shí)現的粒子和在零點(diǎn)線(xiàn)值上漲落的能量場(chǎng)。而與這種現象伴生的能量，被稱(chēng)為零點(diǎn)能，也就是說(shuō)，即使在絕對零度，這種真空活性仍然保持著(zhù)。早在1891年，科學(xué)家忒斯拉（Nikola Tesla）在一次演講中就提到：幾個(gè)世紀之后，也許我們可以從宇宙中的任意一點(diǎn)提取能量來(lái)驅動(dòng)我們的機械。用今天的科學(xué)語(yǔ)言解釋?zhuān)@種能源就是真空零點(diǎn)能，或稱(chēng)空間能、自由能等。 關(guān)于零點(diǎn)能的設想來(lái)自量子力學(xué)的一個(gè)著(zhù)名概念:海森堡測不準原理。該原理指出：不可能同時(shí)以較高的精確度得知一個(gè)粒子的位置和動(dòng)量。因此，當溫度降到絕對零度時(shí)粒子必定仍然在振動(dòng)；否則，如果粒子完全停下來(lái)，那它的動(dòng)量和位置就可以同時(shí)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(shí)的振動(dòng)（零點(diǎn)振動(dòng)）所具有的能量就是零點(diǎn)能。狄拉克從量子場(chǎng)論對真空態(tài)進(jìn)行了生動(dòng)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(xué)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(tài)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(mǎn)著(zhù)幾乎各種波長(cháng)的粒子，但卡西米爾認為，如果使兩個(gè)不帶電的金屬薄盤(pán)緊緊靠在一起，較長(cháng)的波長(cháng)就會(huì )被排除出去。接著(zhù)，金屬盤(pán)外的其他波就會(huì )產(chǎn)生一種往往使它們相互聚攏的力，金屬盤(pán)越靠近，兩者之間的吸引力就越強。1996 年，物理學(xué)家首次對這種所謂的卡西米爾效應進(jìn)行了測定。華盛頓大學(xué)Lamoreaux在他的學(xué)生Dev Sen協(xié)助下，對卡西米爾效應進(jìn)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(guò)5%。Lamoreaux在他的實(shí)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(gè)靈敏扭擺的端部。如果該板向著(zhù)另外一塊板移動(dòng)，則擺就會(huì )發(fā)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(dòng)；而另一電子反饋系統則抵消這一移動(dòng)，使扭擺保持靜止。零點(diǎn)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(xué)院作的實(shí)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(jìn)行的測量結果，與理論值相差不到1%。 如果零點(diǎn)能可以提取，無(wú)疑將是人類(lèi)所能夠利用的最佳能源了。它是潔凈，廉價(jià)的能源，是大自然給予人類(lèi)的“免費的午餐”。宇宙中所有的物質(zhì)都來(lái)源于零點(diǎn)電磁漲落能，我們身上的每一個(gè)物質(zhì)粒子不停地與真空零點(diǎn)能發(fā)生能量交換，也就是，沒(méi)有任何一個(gè)物理體系稱(chēng)得上是孤立體系的。根據物理真空的性質(zhì)，我們可以從空間任何一點(diǎn)提取零點(diǎn)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(yáng)系中，行星繞太陽(yáng)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(guān)于能源的啟示。

前景

如果零點(diǎn)能可以提取，無(wú)疑將是人類(lèi)所能夠利用的最佳能源了。它是潔凈，廉價(jià)的能源，是大自然給予人類(lèi)的“免費的午餐”。宇宙中所有的物質(zhì)都來(lái)源于零點(diǎn)電磁漲落能，我們身上的每一個(gè)物質(zhì)粒子不停地與真空零點(diǎn)能發(fā)生能量交換，也就是，沒(méi)有任何一個(gè)物理體系稱(chēng)得上是孤立體系的。根據物理真空的性質(zhì)，我們可以從空間任何一點(diǎn)提取零點(diǎn)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(yáng)系中，行星繞太陽(yáng)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(guān)于能源的啟示。 十幾年來(lái)對真理執著(zhù)追求的科技工作者沒(méi)有放棄這項研究。進(jìn)一步的研究發(fā)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(guān)察到“冷核聚變”現象。國際權威刊物《科學(xué)》雜志于1998年6月載文稱(chēng)：對冷核聚變不懷疑下列事實(shí)，多數裝置產(chǎn)生異常能量輸出，有些已投入市場(chǎng)，有些已取得專(zhuān)利。美國核科學(xué)協(xié)會(huì )已于1998年將電化學(xué)低能核反應列入了年會(huì )的正式討論內容。由于“冷核聚變”與人類(lèi)的能源問(wèn)題密切相關(guān)，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(lèi)型的研究。但是，目前困擾科學(xué)家們的問(wèn)題是如何解釋這些異?，F象。由于當初的實(shí)驗用的是重水和鈀電極，這很容易給人以錯覺(jué)，認為這種電化學(xué)異?，F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?zhuān)诶碚撋嫌龅搅藦姶蟮淖枇?，進(jìn)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(méi)有分析電極微觀(guān)結構的作用。北京航空航天大學(xué)的江興流教授基于實(shí)驗結果，以電極的尖端效應為突破口，分析了電化學(xué)異?，F象。江興流科研組在電解實(shí)驗中，觀(guān)察到在電極附近有高度定向的核反應，以及過(guò)熱、核嬗變、滯后效應（HeatafterDeath）。經(jīng)過(guò)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(zhù)共同的物理規律：由于電解過(guò)程中電極表面尖端效應產(chǎn)生的聚能過(guò)程，在電極表面局部產(chǎn)生氣泡和渦旋運動(dòng)，氣泡的產(chǎn)生和坍塌過(guò)程將發(fā)生動(dòng)態(tài)卡西米爾效應而提取零點(diǎn)能并以熱能的方式釋放出來(lái)；同時(shí)渦旋運動(dòng)與零點(diǎn)能形成撓場(chǎng)相干而提取零點(diǎn)能，一方面釋放熱能，另一方面形成類(lèi)星體渦旋結構，在渦旋中心產(chǎn)生高能射線(xiàn)、中子和高能粒子，并伴有高度定向的核反應?？梢?jiàn)電極表面尖端處形成遠離平衡態(tài)的非線(xiàn)性體系，滿(mǎn)足一定的條件就會(huì )形成自組織的正反饋渦旋，通過(guò)撓場(chǎng)機制提取零點(diǎn)能。從而可以看出“冷核聚變”中的“過(guò)熱”，在考慮零點(diǎn)能的提取后不應再被視為過(guò)熱，因為此時(shí)它并不違反能量守恒定律。而且，既然“冷核聚變”過(guò)程中主要發(fā)生的不是核反應，冷核聚變這個(gè)詞就已經(jīng)不再適用了，它僅僅是一個(gè)代名詞。 江興流教授認為關(guān)于“冷核聚變”研究應該將注意力轉移到提取零點(diǎn)能和撓場(chǎng)機制上面來(lái)。零點(diǎn)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(kāi)放非線(xiàn)性系統的混沌表現，來(lái)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(shí)空度規?；劾沼嬎懔泓c(diǎn)能的密度為1095g/cm3，也就是說(shuō)它是一個(gè)無(wú)比巨大的能源。由真空零點(diǎn)能而帶來(lái)的可以直接從實(shí)驗觀(guān)測的物理結果是卡西米爾效應。撓場(chǎng)理論最初源于愛(ài)因斯坦———康頓理論，在廣義相對論中，若要考慮物質(zhì)自旋的作用，需引入非對稱(chēng)的聯(lián)絡(luò )，即撓率不為零的情況就會(huì )導出撓場(chǎng)的存在，撓場(chǎng)的能量來(lái)源是零點(diǎn)能。眾所周知，基本粒子的“電荷”對應于電磁場(chǎng)，“質(zhì)量”對應于引力場(chǎng)，那也應有對應于“自旋”的撓場(chǎng)存在。撓場(chǎng)有許多獨特的性質(zhì)：它只改變物質(zhì)的自旋性質(zhì)；類(lèi)似于引力場(chǎng)的高穿透性；滯后效應；軸向加速效應。用撓場(chǎng)機制我們就可解釋電化學(xué)異?，F象中的過(guò)熱、核嬗變、滯后放熱等效應。 研究“冷核聚變”的意義已經(jīng)不限于其本身，它使我們意識到一個(gè)新的巨大的能源———真空能的存在。我們可以通過(guò)高能粒子的對撞激發(fā)真空，也可以通過(guò)電化學(xué)、渦旋等過(guò)程激發(fā)真空而提取零點(diǎn)能。而且后面所屬的過(guò)程并不十分復雜，這一點(diǎn)可以通過(guò)美國的許多效率大于一的專(zhuān)利看出。這就是說(shuō)大規模提取零點(diǎn)能具有很大的可行性。 然而一項創(chuàng )新的實(shí)現，總是要受到來(lái)自各方面的阻力，一方面我們在這個(gè)領(lǐng)域的理論和實(shí)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(jīng)濟格局乃至政治格局都將產(chǎn)生深重影響，傳統勢力會(huì )從學(xué)術(shù)和經(jīng)濟兩方面阻撓新能源研究的發(fā)展。 新能源———真空能的大規模利用為人類(lèi)描繪了一個(gè)美好的未來(lái)：由于零點(diǎn)能十分巨大，加上它的利用過(guò)程高效且清潔無(wú)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(huán)境污染、干旱、溫室效應等生態(tài)環(huán)境問(wèn)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(chuàng )新工程。而我國目前在這個(gè)領(lǐng)域的研究才剛剛起步，社會(huì )各方面應給與足夠的關(guān)注和支持，國家應不失時(shí)機地從系統工程的高度加強這方面的領(lǐng)導工作，以期在國家綜合實(shí)力競爭中處于優(yōu)勢地位。

應用

世界各地的科學(xué)家最近齊聚英國，研究利用“零點(diǎn)能推動(dòng)宇宙飛船引擎的可能性，一旦成功，人類(lèi)將可在太空中自由來(lái)去，而且不需要耗費任何燃料，飛行數百年之久也沒(méi)有問(wèn)題。截至目前，零點(diǎn)能只獲得初步的驗證：在實(shí)驗中兩片金屬通過(guò)零點(diǎn)能的力量結合在一起，微微發(fā)熱。雖然這和推動(dòng)太空船的動(dòng)力相差了十萬(wàn)八千里，但至少證明了利用零點(diǎn)能的構想是可行的。此外，科學(xué)家認為物理學(xué)定律中的慣性、電子繞原子核運動(dòng)的動(dòng)力，可能也是由量子振動(dòng)而來(lái)。若能想出辦法克服慣性的作用，通過(guò)原子的運動(dòng)汲取能量，太空旅行將不再是夢(mèng)想?？茖W(xué)家樂(lè )觀(guān)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(lái)更有無(wú)盡的發(fā)展可能性。