冷核聚變發展歷程及相關理論討論

劉洋 趙佳星 盧歆

摘要：冷聚變自從被發現，就一直飽受爭議。其爭議的來源是核反應的產物與常規核理論不相匹配，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生劇烈碰撞，碰撞所產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，產生巨大的能量。就目前而言，實現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生了異常放熱現象，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生了超熱現象，而其產生的“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生，顯然這與常規理論相違背。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狀

在2008年日本大阪大學的物理學教授對外宣稱實現了冷聚變反應。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生，從而證實了冷核聚變產生的可能性。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據以及實驗的具體細節，使得人們對這兩次的實驗結果產生質疑。

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“沒有發生異常放熱現象，所產生的熱量都是在正常范圍內”。結論的公布再一次引發了相關領域專家的討論，冷核聚變的道路依舊坎坷。

1.3 冷核聚變在國內研究現狀

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進行描述。我國的一些實驗室依據他們簡略的報告，嘗試著重復他們的實驗結果，其中有一些實驗室宣稱產生了超熱現象，并且檢測到中子的產生。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。由于產生超熱現象和實驗重復性低，加之國內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。在國內許多學者一直在默默的堅守，為冷聚變的發展提供了大量實驗數據以及理論支持。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后，一直到19世紀，熱力及電動力，統計物理學理論的完善，形成了一套完整的經典物理學體系。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象。一些科學家甚至斷言，物理學已經趨于完善，后輩的物理學家只需要在已經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。所以用傳統物理學是無法解釋這種現象，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，因此想要實現核子聚變，就必須提供大量的能量，否則就無法實現核聚變反應，而在冷聚變反應過程中，擺脫了常規物理學的束縛，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象，如在熱核聚變中，聚變會激發出中子。然而冷核聚變中，一些實驗室宣稱產生了超熱現象，但是卻沒有產生中子。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生的原理，對冷核聚變的一些現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。我們不能知道現在的所有細節，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生的機理，但是冷核聚變的實驗現象出現異常放熱的概率低，也就是核聚變現象出現概率低。如果是由于真空零點能與撓場的作用下產生，那么電解實驗中所產生的核聚變應有很大的概率發生，所以它與量子隧穿理論仍然有待發展。

4 結語

從冷核聚變的發現到現在，已經經歷了三十年，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展前景，并且再一次會打破經典物理學理論，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，將為人類的發展提供巨大幫助。

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*通訊作者：盧歆。