基本介紹
- 中文名：VEV
- 外文名：Vacuum Expectation Value
- 全稱：真空期望值
- 別稱：零點能量
- 領域：量子力學
基本概述,發展歷史,套用前景,研究現狀,存在形式,實驗依據,相關裝置,套用,研究領域,如何產生推進,研究宇宙常數,相關條目,
基本概述
現代科學家認為真空並不意味著一無所有，真空是由正電子和負電子旋轉波包組成的系統。而與這種現象伴生的能量，稱為零點能，也就是說，即使在絕對零度，這種真空活性仍然保持著。狄拉克從量子場論對真空態進行了描述，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1013J/cm3。
發展歷史
關於零點能的構想來自量子力學的一個著名概念：海森堡不確定性原理。該原理指出：不可能同時以較高的精確度得知一個粒子的位置和動量。因此，當溫度降到絕對零度時粒子必定仍然在振動；否則，如果粒子完全停下來，那它的動量和位置就可以同時精確的測知，而這是違反不確定性原理的。這種粒子在絕對零度時的振動（零點振動）所具有的能量就是零點能。
1948年，荷蘭物理學家亨德里克·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出現，並不斷以微小的規模形成和消失。在正常情況下。真空中充滿著幾乎各種波長的粒子，但卡西米爾認為，如果使兩個不帶電的金屬薄盤緊緊靠在一起，較長的波長就會被排除出去。接著，金屬盤外的其他波就會產生一種往往使它們相互聚攏的力，金屬盤越靠近，兩者之間的吸引力就越強。1996 年，物理學家首次對這種所謂的卡西米爾效應進行了測定。
套用前景
這種過程的動態能量可以作為工業能源、未來星際航行能源以及家庭生活等諸多領域的能源。量子真空是一個非常活躍的空間，它充滿時隱時現的粒子和在零點線值上漲落的能量場。早在1891年，科學家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）在一次演講中就提到：幾個世紀之後，也許我們可以從宇宙中的任意一點提取能量來驅動我們的機械。用今天的科學語言解釋，這種能源就是真空零點能，或稱空間能、自由能等。
華盛頓大學Lamoreaux在他的學生Dev Sen協助下，對卡西米爾效應進行了精確的測量，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5%。Lamoreaux在他的實驗中，採用鍍金石英表面作為他的金屬板。另外一塊板固定在一個靈敏扭擺的端部。如果該板向著另外一塊板移動，則擺就會發生扭轉。一台雷射器可以以0.01μm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；而另一電子反饋系統則抵消這一移動，使扭擺保持靜止。零點能效應就表現為保持擺的位置所需的電流量的變化。Mohideen等人在加州理工學院作的實驗中，在0.1到0.9μm的範圍內，用原子力顯微鏡對卡西米爾力進行的測量結果，與理論值相差不到1%。
研究現狀
十幾年來對真理執著追求的科技工作者沒有放棄這項研究。進一步的研究發現：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察到“冷核聚變”現象。國際權威刊物《科學》雜誌於1998年6月載文稱：對冷核聚變不懷疑下列事實，多數裝置產生異常能量輸出，有些已投入市場，有些已取得專利。美國核科學協會已於1998年將電化學低能核反應列入了年會的正式討論內容。由於“冷核聚變”與人類的能源問題密切相關，日本、義大利、法國等資源匱乏的國家已投巨資資助“冷核聚變”類型的研究。但是，困擾科學家們的問題是如何解釋這些異常現象。由於實驗用的是重水和鈀電極，這很容易給人以錯覺，認為這種電化學異常現象就是核現象。因此大部分研究者都在尋求“冷核聚變”的核解釋，但在理論上遇到了強大的阻力，進展甚微。另一方面大多數的理論解釋認為“冷核聚變” 是一種體效應，沒有分析電極微觀結構的作用。北京航空航天大學的江興流教授基於實驗結果，以電極的尖端效應為突破口，分析了電化學異常現象。江興流科研組在電解實驗中，觀察到在電極附近有高度定向的核反應，以及過熱、核嬗變、滯後效應（heat after death）。經過不斷的探索總結出：氣體放電、真空擊穿及液體中的放電（電解）現象，有著共同的物理規律，即由於電解過程中電極表面尖端效應產生的聚能過程，在電極表面局部產生氣泡和渦旋運動，氣泡的產生和坍塌過程將發生動態卡西米爾效應而提取零點能並以熱能的方式釋放出來；同時渦旋運動與零點能形成撓場相干而提取零點能，一方面釋放熱能，另一方面形成類星體渦旋結構，在渦旋中心產生高能射線、中子和高能粒子，並伴有高度定向的核反應。可見電極表面尖端處形成遠離平衡態的非線性體系，滿足一定的條件就會形成自組織的正反饋渦旋，通過撓場機制提取零點能。從而可以看出“冷核聚變”中的“過熱”，在考慮零點能的提取後不應再被視為過熱，因為此時它並不違反能量守恆定律。而且，既然“冷核聚變”過程中主要發生的不是核反應，冷核聚變這個詞就已經不再適用了，它僅僅是一個代名詞。
冷核聚變
冷核聚變江興流教授認為關於“冷核聚變”研究應該將注意力轉移到提取零點能和撓場機制上面來。零點能即物理真空能，它是不確定性原理所要求的最小能量。真空能是開放非線性系統的混沌表現，來源於四維空間的電磁流的三維表現，它可扭曲我們的三維空間，從而改變時空度規。慧勒計算零點能的密度為1095g/cm3，也就是說它是一個無比巨大的能源。由真空零點能而帶來的可以直接從實驗觀測的物理結果是卡西米爾效應。撓場理論最初源於愛因斯坦———康頓理論，在廣義相對論中，若要考慮物質自旋的作用，需引入非對稱的聯絡，即撓率不為零的情況就會導出撓場的存在，撓場的能量來源是零點能。眾所周知，基本粒子的“電荷”對應於電磁場，“質量”對應於引力場，那也應有對應於“自旋”的撓場存在。撓場有許多獨特的性質：它只改變物質的自旋性質；類似於引力場的高穿透性；滯後效應；軸向加速效應。用撓場機制我們就可解釋電化學異常現象中的過熱、核嬗變、滯後放熱等效應。
研究“冷核聚變”的意義已經不限於其本身，它使我們意識到一個新的巨大的能源———真空能的存在。我們可以通過高能粒子的對撞激發真空，也可以通過電化學、渦旋等過程激發真空而提取零點能。而且後面所屬的過程並不十分複雜，這一點可以通過美國的許多效率大於一的專利看出。這就是說大規模提取零點能具有很大的可行性。
然而一項創新的實現，總是要受到來自各方面的阻力，一方面我們在這個領域的理論和實驗研究還不夠成熟；另一方面由於真空能這種新能源的廣泛套用必然引起世界能源結構的巨大變革，對世界經濟格局乃至政治格局都將產生深重影響，傳統勢力會從學術和經濟兩方面阻撓新能源研究的發展。新能源———真空能的大規模利用為人類描繪了一個美好的未來：由於零點能十分巨大，加上它的利用過程高效且清潔無污染，它的大規模利用將解決世界所面臨的能源短缺、環境污染、乾旱、溫室效應等生態環境問題。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新工程。而我國在這個領域的研究才剛剛起步，社會各方面應給與足夠的關注和支持，國家應不失時機地從系統工程的高度加強這方面的領導工作，以期在國家綜合實力競爭中處於優勢地位。
存在形式
零點能量的概念出現在許多場合，而對這些場合做出區分是重要的，此外尚有許多與零點能量有密切關係的概念。
在量子場論中，空間的織構（fabric）可以視作是由場所組成，而場在時間與空間中各點是個量子化的簡諧振子，並且有相鄰振子的相互作用。在這情況下，空間中各點都各有的貢獻，導致技術上為無限大的零點能量。又一次，零點能量是哈密頓算符的期望值，但在這裡，“真空期望值”這個辭彙更常使用，而能量稱為真空能量。 在量子微擾理論，有時候會說：基本粒子傳遞子（propagator）的單圈（one-loop）與多圈費曼圖貢獻，是來自於真空漲落（vacuum fluctuation）或者說來自於零點能量對於粒子質量的貢獻。
實驗依據
要證明零點能量存在，量子場論中最簡單的實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。可以在兩塊板子間量測到一個很小的力（卡西米爾力），可直接歸因於板子間電磁場的零點能量變化所造成。
卡西米爾效應一開始被視作不易探測，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製程中，此一效應的影響也逐漸需要被考慮進去，以其會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。
其他的實驗證據包括有原子或核子的光（光子）自發放射（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。
相關裝置
卡西米爾效應使得零點能量成為一個沒有爭議、且科學界普遍接受的現象。然而“零點能量”一詞卻已經與一些具有爭議性的領域牽扯上關係：設計與發明出所謂的“免費能量”裝置（'free energy' devices），概念上與過去永動機（perpetual motion machines）有某種程度上的相似，在發展的成功度也相類似。在外國有許多業餘愛好者投入研究，宣稱有一定成果，甚至有專門討論免費能量的網路論壇。這些人自創了一個字用來形容這類裝置，叫做OVERUNITY，是指某個裝置的輸出能量大於輸入能量。也有許多公司宣稱成功研發這類裝置。但是科學界似乎不接受這類發明與發現，這類公司也被批評為詐欺集團。
套用
世界各地的科學家齊聚英國，研究利用“零點能推動宇宙飛船引擎的可能性，一旦成功，人類將可在太空中自由來去，而且不需要耗費任何燃料，飛行數百年之久也沒有問題。截至目前，零點能只獲得初步的驗證：在實驗中兩片金屬通過零點能的力量結合在一起，微微發熱。雖然這和推動太空船的動力相差了十萬八千里，但至少證明了利用零點能的構想是可行的。此外，科學家認為物理學定律中的慣性、電子繞原子核運動的動力，可能也是由量子振動而來。若能想出辦法克服慣性的作用，通過原子的運動汲取能量，太空旅行將不再是夢想。科學家樂觀地相信，若假設正確，則5年內就可以製造出新型火箭與人造衛星，未來更有無盡的發展可能性。
研究領域
如何產生推進
零點能量研究領域是在於如何用它來產生推進。美國國家航空航天局（NASA）與英國航太公司（British Aerospace）兩個單位都有相關研究計畫，不過要做出可用的技術仍有相當遙遠的路要走。要在此領域中取得任何的成功，就必須能做到對量子真空製造出斥力效應（repulsive effec）。根據理論是可能的，而製造以及測量出這樣效應的實驗規劃在未來要進行。
Rueda、Haisch及Puthoff三人提出了一個加速中的質量體會與零點場相互作用，製造出一種電磁阻滯力（electromagnetic drag force），而產生了“慣性”此一現象。
研究宇宙常數
這種關係聯結其中一個最明顯的困難是真空的零點能量是大得荒謬。普朗克尺度下的新物理會讓它在那樣的尺度下有個截止點（cut-off）。即便如此，仍會有相當大的零點能量使得時空有明顯的彎曲，而與現實相矛盾。對於此情形，至今沒有簡單的解決辦法，而將“理論上似乎相當大的空間零點能量”，以及“觀測到宇宙常數為零或很小”這兩個情形作調和，是理論物理學中的重要問題之一，而這也變為對於萬有理論候選者評比的一項標準。
相關條目
- 隨機電動力學
- 量子簡諧振子
- 真空災變
