冷核聚變發(fā)展歷程及相關理論討論

劉洋 趙佳星 盧歆

摘要：冷聚變自從被發(fā)現(xiàn)，就一直飽受爭議。其爭議的來源是核反應的產(chǎn)物與常規(guī)核理論不相匹配，另外是實驗可重復性差。目前熱聚變反應需要在特定的條件下，質量非常小的原子，一般指的是氘，其在高溫和超高溫下使得原子核的核外電子擺脫原子核核力的約束，從而造成兩個或兩個以上的原子核發(fā)生劇烈碰撞，碰撞所產(chǎn)生的聚合反應生成了新的，質量更大的原子核，而其中的中子在此期間從中逃逸出原子核，產(chǎn)生巨大的能量。就目前而言，實現(xiàn)熱核的可控聚變難度十分巨大。相對于熱核聚變，冷核聚變卻是理想的未來新能源，冷核聚變相對于熱核聚變制備設備來說，僅僅占地大約兩平方米，并且在反應過程中無中子產(chǎn)生，無輻射。其原材料從海水中獲取，原材料儲量巨大。因此，冷核聚變有望成為人類最理想的能源之一。

關鍵詞：冷聚變;量子隧穿;渦旋動力學;撓場理論

1 冷核聚變國內(nèi)外前景

1.1 冷聚變研究背景

M.弗萊希曼（M artin Fleischmann）和S.龐斯（Stanley Pons），在1989年3月23日，在進行電解實驗中意外發(fā)生了異常放熱現(xiàn)象，他們宣稱是低溫下的核聚變反應，從而震驚了科學界。實驗步驟，將鈀金屬作為電解陰極，鉑金屬作為電解陽極。進行重水D2O 的電解，在實驗過程中意外發(fā)生了超熱現(xiàn)象，而其產(chǎn)生的“熱”就目前所存的理論無法解釋。其既不滿足化學放熱反應，而又不滿足物理放熱現(xiàn)象。為此各國的實驗室都進行了重復性的實驗，一些實驗室給出負的結果，一些實驗室則給出正的結果。由于此實驗的重復性差，且沒有相對的理論支持，如果用熱核聚變的理論進行解釋，其反應過程卻沒有中子的產(chǎn)生，顯然這與常規(guī)理論相違背。不少熱核學者對冷核聚變持反對意見，認為其為偽科學。但是隨著近三十年的發(fā)展，實驗結果重復性不斷提升，其理論也不斷完善。

1.2 冷核聚變在國外研究現(xiàn)狀

在2008年日本大阪大學的物理學教授對外宣稱實現(xiàn)了冷聚變反應。在實驗過程中，教授首先將重氫充入到含有鈀鋅鎬的混合氧化物中，觀察到了氦原子核的產(chǎn)生，從而證實了冷核聚變產(chǎn)生的可能性。其次是意大利科學家安德烈·羅西，在2011年，利用了某種催化劑加入到電解重水的實驗中，從而產(chǎn)生了聚變反應，也同樣證實了冷聚變的可能性。但是由于二者并沒有拿出相關的數(shù)據(jù)以及實驗的具體細節(jié)，使得人們對這兩次的實驗結果產(chǎn)生質疑。

而到了2019年，冷核聚變再一次迎來了低谷期，谷歌花費大量資金招募全球相關領域專家對冷核聚變進行研究，他們在自然雜志上公布了他們的實驗結果“沒有發(fā)生異常放熱現(xiàn)象，所產(chǎn)生的熱量都是在正常范圍內(nèi)”。結論的公布再一次引發(fā)了相關領域專家的討論，冷核聚變的道路依舊坎坷。

1.3 冷核聚變在國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國對冷核聚變的研究始于1989年M.弗萊希曼（M artin Fleischmann）和 S.龐斯（Stanley Pons）宣稱他們在進行電解實驗中意外發(fā)生了冷核聚變。由于他們在公布實驗報告后，并沒有對他們實驗過程的細節(jié)進行描述。我國的一些實驗室依據(jù)他們簡略的報告，嘗試著重復他們的實驗結果，其中有一些實驗室宣稱產(chǎn)生了超熱現(xiàn)象，并且檢測到中子的產(chǎn)生。但由于實驗設備相對簡陋，在實驗中檢測到的中子不排除受到外界的干擾，如宇宙射線等物質。由于產(chǎn)生超熱現(xiàn)象和實驗重復性低，加之國內(nèi)外一些熱核專家對冷聚變的質疑，我國的實驗室也逐漸停止了對冷核聚變的研究。在國內(nèi)許多學者一直在默默的堅守，為冷聚變的發(fā)展提供了大量實驗數(shù)據(jù)以及理論支持。隨著近幾年來，能源問題再一次成為人民關心的話題，冷聚變再一次受到了國家支持，并且得到了國家非共識項目基金的支持，國內(nèi)研究前景較好。

2 冷核聚變的相關理論

2.1 量子理論

2.1.1 量子理論的誕生

自從17世紀牛頓的力學出現(xiàn)后，一直到19世紀，熱力及電動力，統(tǒng)計物理學理論的完善，形成了一套完整的經(jīng)典物理學體系。這一時期，人們用其解釋了大量之前人類無法解釋的物理現(xiàn)象。一些科學家甚至斷言，物理學已經(jīng)趨于完善，后輩的物理學家只需要在已經(jīng)完善的物理學基礎上做一下完善工作就可以了，然而就當科學家用“已經(jīng)完善的物理學知識”去解釋黑體輻射，光電效應以及原子光譜時，卻遇到了極大的瓶頸。這就像是在物理學的天空飄著幾朵云彩，看似并不影響常規(guī)物理學理論，但是它卻意味著物理學界的暴風雨即將到來。

隨著黑體與普朗克的量子假說、光電效應與愛因斯坦的光量子假說、原子光譜與波爾量子論及德布羅意物質波的假說被證實，物理學界“暴風雨”正式來臨。它獨立于傳統(tǒng)物理學之外，打開微觀世界的大門，使得之前無法解釋的物理學現(xiàn)象也得到了較為完美的解釋。

2.1.2 量子隧穿理論

量子隧穿效應是量子力學中重要理論之一，量子隧穿效應指的是與宏觀世界所不同的微觀物質運動，當電子穿越或者穿入位勢壘時，盡管其所帶的能量不足以穿越位勢壘，但電子依舊可以穿越位勢壘。所以用傳統(tǒng)物理學是無法解釋這種現(xiàn)象，而量子理論卻可以完美解釋微觀世界的行為。用宏觀進行解釋，假設一輛小車在運行過程中，突然遇到一座高山（位勢壘）它想從高山的另一邊運動到另一邊，如果按照經(jīng)典物理學，需要從山頂向兩邊引出一條道路，這樣小車就可以穿過高山（位勢壘）。但是如果小車的能量不足，那么就無法穿越高山。如果用量子力學解釋，小車有概率可以從高山之中的隧道進行通過，小車所具有的能量低于高山的位勢能量。

從常規(guī)來看，量子隧穿只是一個理想的科學假說，但正是這些科學假說，為冷聚變的理論發(fā)展打開了新的大門。通常，核子的聚變反應需要有足夠的能量來克服原子核之間的核力，因此想要實現(xiàn)核子聚變，就必須提供大量的能量，否則就無法實現(xiàn)核聚變反應，而在冷聚變反應過程中，擺脫了常規(guī)物理學的束縛，將量子理論引入到聚變反應中，盡管原子核的能量小于庫侖位勢壘的位勢，原子核依舊可以克服庫侖位勢壘，從而產(chǎn)生核聚變。

盡管量子隧穿的效應為冷核聚變提供了理論基礎，但是量子隧穿依舊無法解釋冷核聚變中的一些其他現(xiàn)象，如在熱核聚變中，聚變會激發(fā)出中子。然而冷核聚變中，一些實驗室宣稱產(chǎn)生了超熱現(xiàn)象，但是卻沒有產(chǎn)生中子。而一些實驗室說檢測到部分中子，但是卻不能排除宇宙射線及外界的影響。另外，一些科學家用量子隧穿來解釋冷核聚變，但是何種原因造成了電解實驗中的原子產(chǎn)生了量子隧穿效應的機理并不清楚。

3 渦旋動力學和撓場理論

江興流教授基于真空零點能理論和動態(tài)卡西米爾（Casimir）效應提出渦旋動力學和撓場理論，這些理論相當程度上解釋了冷核聚變產(chǎn)生的原理，對冷核聚變的一些現(xiàn)象做出了合理的解釋。

3.1 真空零點能

在人們的常識之中，真空中并不存在任何能量。但是一些科學家認為真空中存在著大量的能量，而這種能量是由正電子和負電子相互作用而組成，我們也稱其為真空零點能，并且可以理解為能量之海。

真空零點能的概念首先來源于海森堡提出的不確定原理，這個原理的具體內(nèi)容是微觀世界和宏觀世界是有著千差萬別的不同，在宏觀世界中，當知道一個粒子的初始位置和速度，那么我們就可以推測出粒子的具體位置，而在微觀世界中，我們無法測定粒子的位置以及速度。也就是說在真空的能量之海中，定存在著渦旋，雖然我們無法確定其發(fā)生位置，但是這個旋渦中心必然存在的大量能量，使原子克服勢壘發(fā)生核聚變。

用海森堡自己的話說，在因果律的陳述中，即“若確切地知道現(xiàn)在，就能預見未來”，所得出的并不是結論，而是前提。我們不能知道現(xiàn)在的所有細節(jié)，是一種原則性的事情。

3.2 撓場理論

1920年，卡坍（Cartan）第一次在廣義相對論中提到，在考慮物體由于自身旋轉而導致時空扭曲，從而產(chǎn)生了撓場，也稱其自旋場或扭場。不可否認撓場是繼萬有引力、電磁力、弱作用力、強作用力之外的另一種力，雖然這種力目前還無法探測到。

在冷核聚變中，由于電子處于真空中，其本身就處于巨大的能量場之中，由于撓場的存在，不斷給原子核加速，使原子核克服庫侖位勢壘，從而產(chǎn)生核聚變。使得核聚變在“常溫”下就可以進行，但是其理論雖然相當程度上解釋了冷核聚變所產(chǎn)生的機理，但是冷核聚變的實驗現(xiàn)象出現(xiàn)異常放熱的概率低，也就是核聚變現(xiàn)象出現(xiàn)概率低。如果是由于真空零點能與撓場的作用下產(chǎn)生，那么電解實驗中所產(chǎn)生的核聚變應有很大的概率發(fā)生，所以它與量子隧穿理論仍然有待發(fā)展。

4 結語

從冷核聚變的發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在，已經(jīng)經(jīng)歷了三十年，其理論也在逐漸趨于完善過程中。正如量子理論是經(jīng)典物理學天空飄著的幾朵云彩，那么冷核聚變也是幾朵云彩之中的一朵。相信在不久的將來，冷核聚變將會比熱核聚變更有發(fā)展前景，并且再一次會打破經(jīng)典物理學理論，建立新的理論。到那時，人類將擁有取之不盡用之不竭的能源，將為人類的發(fā)展提供巨大幫助。

參考文獻：

[1]王龍.“冷聚變”研究現(xiàn)狀[J].科技導報，1996（01）：3135.

[2]李興中.從ICCF8看冷聚變研究的進展[J].科技導報，2000（12）：67.

[3]李興中，劉斌，魏清明.氘通量在鈀中引發(fā)的異常核現(xiàn)象[J].原子核物理評論，2004（04）：419421.

[4]張武壽.冷聚變的范式特征，一種科學哲學的視角[J].前沿科學，2008（03）：7578.

[5]江興流，周曉平，王立英，賀苗，彭偉明，樂小云.“冷核聚變”現(xiàn)象與動態(tài)卡西米爾效應[J].北京石油化工學院學報，2009，17（03）：5763.

[6]盧歆.H（D）/Pd（LiPd）氣—固系統(tǒng)經(jīng)觸發(fā)引起異常發(fā)熱現(xiàn)象的實驗及理論研究[D].長春理工大學，2015.

[7]何景棠.冷聚變研究的爭論[J].科技導報，2005（09）：6971.

[8]李家全.董玉英.沈麗如.在磁約束高溫氘等離子體中氘核之間的勢壘貫穿[J].中國核科技報告，2002（00）：516518.

[9]王德云.熱核反應與室溫下的核聚變[J].現(xiàn)代物理知識，1989（06）：2324.

*通訊作者：盧歆。