向氣泡要能源

面對能源危機，許多國家都在下大力氣研究和開發利用“綠色能源”的新技術新工藝，并且取得了相當可觀的成就。最近，兩位美國科學家在實驗室的一項發現，無疑把能源新技術推到了風口浪尖。

當一項重大的科學發現公之于眾的時候，有時直覺會告訴自己：“那不太可能。”如果有誰告訴你，面前的一個燒杯里正在翻騰的氣泡內部溫度已經超過1 000萬攝氏度，你會不會認定對方的神經方面一定出了些問題。但是，目前美國一些科學家卻極為看好這些小氣泡，還聯合多所著名學府成立了一個研究集團，來開發這些小氣泡未來替代“石油、天然氣、煤炭和核能”的潛能。

探索從此起步

其實，早在1917年，著名的英國物理學家瑞利勛爵對皇家海軍艦艇老化過快的異常現象進行研究時，發現戰艦的螺旋槳在水中攪動產生大量氣泡，對船體和推進器形成強烈腐蝕。身為流體和氣體力學方面的專家，瑞利勛爵很快就找到了癥結所在：螺旋槳轉動產生的聲波在水中傳遞(即形成低壓區與高壓區)，在艦船行進的軌跡中生成大量氣泡(就好比打開香檳酒瓶后瓶內氣壓降低產生的氣泡)。根據這位英國物理學家用來描述該現象演進的方程，這些微小的氣泡首先向外膨脹，然后在瞬間向心爆裂。這樣一來，所有的能量在極小的范圍內集中釋放，導致溫度大幅上升。更有甚者，根據瑞利勛爵方程的解，這一溫度會達到無限高。然而這卻是一個不可能在實際中出現的“特例”。既然理論仿佛無法正確描述現實，解決這一疑案的任務便落到了實驗物理學家身上。

小氣泡學問大

不幸的是，最初的實驗室工作反倒加劇了這一謎團。1930年，科隆一所實驗室的德國物理學家們發現，當人耳不能察覺的超聲波(頻率在20 000Hz以上)穿過液體時，氣泡隨即坍塌到一個非常小的體積，內部的溫度將超過1 000萬攝氏度，在這一過程中會發出瞬間的閃光，這種現象被稱為“聲致發光”。這一觀察結果顯得如此不可思議，因此在當時，許多物理學家認為這些發現者是一群江湖騙子，這種被稱為“聲致發光”的現象也隨即被打入冷宮，蒙塵達幾十年之久。

轉機發生在1989年，當時，美國密西西比大學的兩位研究人員使用頻率為20 000Hz的超聲波，成功地在一瓶水中制造出一個單獨的氣泡并將它維持了些許瞬間，而且通過研究激光束照射下的氣泡陰影測出了它的體積變化。瑞利勛爵曾經預言了氣泡的膨脹、收縮與爆裂，在密西西比大學的觀察證實了這一點：氣泡緩慢膨脹，但隨即猛烈收縮。一個值得注意的細節是，收縮是如此迅速，以致氣泡壓縮產生的熱量不易散發，很可能會達到非常高的溫度。科學家認為，如果產生的氣泡越大，那么它坍塌后的溫度就越高——溫度超過1 000萬攝氏度也極易辦到，前提條件是，只能在成功地隔離出單個氣泡才能發生。

燒杯里核聚變

從那一刻起，聲致發光現象吸引了越來越多的物理學家們的注意，人人都對這個微型氣泡中發生的物理化學過程產生極大的好奇。世界上其他一些研究團隊繼續了類似的摸索，他們把凈水替換成丙酮或者硫酸，并改變超聲波的頻率，逐步對氣泡的變化過程有了全新的、精確的認識。

研究發現，氣泡在超聲波穿過凈水后出現，隨后開始膨脹，半徑從5微米增至50微米。此時，它突然開始以1 000米/秒的速度坍塌，直至半徑縮為0.5微米。這一劇烈的收縮使氣泡成了一個超級“高壓鍋”，其內部壓強可達5×109～1×1010帕(約為地球大氣壓的10萬倍)。溫度則更難估測，但肯定像地獄一般熾熱。目前，研究人員對氣泡中心內部的情況還所知甚少。

美國伊利諾阿州立大學的研究人員通過研究氣泡的發光光譜找到了第一個證據。他們依據的是一個常用的經典定律，即反映某發光物體主色調與其溫度之間聯系的黑體輻射定律。為了完成測量，兩位研究人員曾把水換成了充氬的硫酸。氬是一種惰性氣體，不會形成任何化合物，而硫酸也不像水那樣容易揮發，因此氣泡發出的光線能更準確地反映其表面溫度。測量結果：15 000℃!而這還只是表面溫度，氣泡中心的溫度肯定遠遠不止這些!所有跡象顯示，那里處于一種稠密的離子態，那里的原子在高溫及高壓的作用下，出現了部分的電離。稠密的離子態，這正是核聚變反應堆研究人員大動干戈、想通過激光與磁場達到的目標。

事實上，兩位美國科學家在報告說，使用聲致發光的方法，他們在燒杯里面實現了核聚變。在實驗的燒杯中盛入特殊的丙酮。之所以說“特殊”，是因為丙酮分子中的氫原子全都被氘原子代替。在燒杯的另一旁放置了中子源——科學家認為這樣有助于產生更大的氣泡。經過實驗，科學家發現液體中的氚元素含量升高，通過觀測實驗產生的中子，科學家認為核聚變確實發生了，這被稱為“氣泡核聚變”。

奇跡還是鬧劇

根據科學家在橡樹嶺國家實驗室進行的研究，微型氣泡的中心溫度應該高達1 000萬攝氏度，然而這一溫度足以引發核聚變反應。這一論斷自然在學術界引起了軒然大波。“氣泡核聚變”要么是奇跡，要么就是一場鬧劇。

核聚變是較輕的原子核“聚合”成較重的原子核的核反應。太陽50億年以來一直在進行著核聚變：兩個氫原子核聚變成一個氘原子核，外加一個正電子和中子，同時釋放出0.42兆電子伏的能量。而反應產生的氘原子核最終會聚變成氦原子核。這個過程聽起來簡單，實現起來卻不那么容易。原子核全都帶正電，只有在極高的溫度、壓強和密度下它們才能靠近、融合。核聚變可以作為一種能源加以利用，比如太陽能其實就是核聚變產生的能量——那也是我們賴以生存的能量。但是要在地球上利用核聚變產生能量卻不容易，核聚變要求的溫度太高，在技術上目前還無法實現可控的大規模應用。一個成功的核聚變例子是氫彈，然而它的反應尚不能控制。

研究人員認為這一能源極有希望成為全球電力的新來源。在“氣泡核聚變”過程中，燃料主要是水，建造并開發此類電站的成本將只是其他能源開發成本的一個零頭。但是目前，這些“氣泡核聚變”反應堆還遠遠不能以經濟的方式生產能量。要生產能量，高溫高壓的持續時間就必須大大超過單個氣泡的壽命。而保持這種極端條件的代價使我們離產出盈余能量的目標還差很遠。要想把“氣泡核聚變”搬入辦公桌一角的試管中畢竟不是朝夕之間便可辦到的。

微型氣泡中心達到如此高溫意味著氣泡收縮時所有能量全都轉化為熱量。“充有氘的丙酮有利于這種轉化。”參與這項實驗的研究人員解釋道，“我們獲得的氣泡直徑只有在水中獲得的氣泡的1/100。可是水中的氣泡在爆裂前只膨脹10倍，而我們的氣泡則膨脹近10萬倍，因此壓縮時應該產生百億倍于通常氣泡的能量，壓強會高達地球大氣壓的10億倍。”核聚變出現了嗎？的確，在氣泡消失后，研究人員發現了核聚變的產物，包括特征性的2.5兆電子伏中子。錦上添花的是，他們還發現了同量的氚，這是氫的一種放射性極強的同位素。我們知道，熱核聚變反應是現在能夠制造出氚的唯一真正可行方法。

現在，我們找到了科學家們感到興奮的原因：因為如果真的有聚變發生的話，那就是一個新的能量來源。裂變式核電是沒有出路的，放射性污染威脅，全球鈾礦儲量根本不足以維持其長期運轉，廢料處理成本高昂（其實是根本無法處理），長期的心理壓力，甚至將影響當地和國家的經濟發展。清潔無污染的聚變式電站才是出路。

發展前景廣闊

爭論持續至今，越來越多的物理學家開始承認微型氣泡中這種“氣泡核聚變”的存在。但它蘊藏的風險也漸漸顯露：它會產生氚，哪怕為數不多，總歸是為氫彈(主要配方就是氚和氘)的制造提供了便利。不過還好，引爆氫彈所需的核裂變反應來自原子彈，這并不是人人都能擁有的。盡管如此，這還是引起了美國國防部高級研究計劃局(DARPA)的擔心。該機構推出了一個資助計劃，希望所有支持及質疑“氣泡核聚變”的研究團隊都來解答這樣一個問題：以簡陋的設備、不到100萬美元的資金獲得制造氫彈所需的氚，可能嗎？答案將在幾年后揭曉。不過在那一刻來臨之前，這些小氣泡仍將繼續激起層層波瀾。

另外，在開發聲致發光現象的能源潛力之前，物理學家們已為它找到了其他應用領域。這些小氣泡將首先服務于醫學：從消除腎結石到去脂手術，再到醫學成像，不乏用武之地。這些應用的根本依據就在于人體飽含液體，為超聲波的傳遞提供了良好的條件。因此，我們便可以利用蘊涵在這些小氣泡中的能量消除某些組織，比如粉碎腎結石，摧毀脂肪細胞等。目前棘手的是人體各個器官對超聲波的吸收程度不一，很難把超聲波聚焦到某個特定的組織區域。