冷核聚变发展历程及相关理论讨论

刘洋 赵佳星 卢歆

摘要：冷聚变自从被发现，就一直饱受争议。其争议的来源是核反应的产物与常规核理论不相匹配，另外是实验可重复性差。目前热聚变反应需要在特定的条件下，质量非常小的原子，一般指的是氘，其在高温和超高温下使得原子核的核外电子摆脱原子核核力的约束，从而造成两个或两个以上的原子核发生剧烈碰撞，碰撞所产生的聚合反应生成了新的，质量更大的原子核，而其中的中子在此期间从中逃逸出原子核，产生巨大的能量。就目前而言，实现热核的可控聚变难度十分巨大。相对于热核聚变，冷核聚变却是理想的未来新能源，冷核聚变相对于热核聚变制备设备来说，仅仅占地大约两平方米，并且在反应过程中无中子产生，无辐射。其原材料从海水中获取，原材料储量巨大。因此，冷核聚变有望成为人类最理想的能源之一。

关键词：冷聚变;量子隧穿;涡旋动力学;挠场理论

1 冷核聚变国内外前景

1.1 冷聚变研究背景

M.弗莱希曼（M artin Fleischmann）和S.庞斯（Stanley Pons），在1989年3月23日，在进行电解实验中意外发生了异常放热现象，他们宣称是低温下的核聚变反应，从而震惊了科学界。实验步骤，将钯金属作为电解阴极，铂金属作为电解阳极。进行重水D2O 的电解，在实验过程中意外发生了超热现象，而其产生的“热”就目前所存的理论无法解释。其既不满足化学放热反应，而又不满足物理放热现象。为此各国的实验室都进行了重复性的实验，一些实验室给出负的结果，一些实验室则给出正的结果。由于此实验的重复性差，且没有相对的理论支持，如果用热核聚变的理论进行解释，其反应过程却没有中子的产生，显然这与常规理论相违背。不少热核学者对冷核聚变持反对意见，认为其为伪科学。但是随着近三十年的发展，实验结果重复性不断提升，其理论也不断完善。

1.2 冷核聚变在国外研究现状

在2008年日本大阪大学的物理学教授对外宣称实现了冷聚变反应。在实验过程中，教授首先将重氢充入到含有钯锌镐的混合氧化物中，观察到了氦原子核的产生，从而证实了冷核聚变产生的可能性。其次是意大利科学家安德烈·罗西，在2011年，利用了某种催化剂加入到电解重水的实验中，从而产生了聚变反应，也同样证实了冷聚变的可能性。但是由于二者并没有拿出相关的数据以及实验的具体细节，使得人们对这两次的实验结果产生质疑。

而到了2019年，冷核聚变再一次迎来了低谷期，谷歌花费大量资金招募全球相关领域专家对冷核聚变进行研究，他们在自然杂志上公布了他们的实验结果“没有发生异常放热现象，所产生的热量都是在正常范围内”。结论的公布再一次引发了相关领域专家的讨论，冷核聚变的道路依旧坎坷。

1.3 冷核聚变在国内研究现状

我国对冷核聚变的研究始于1989年M.弗莱希曼（M artin Fleischmann）和 S.庞斯（Stanley Pons）宣称他们在进行电解实验中意外发生了冷核聚变。由于他們在公布实验报告后，并没有对他们实验过程的细节进行描述。我国的一些实验室依据他们简略的报告，尝试着重复他们的实验结果，其中有一些实验室宣称产生了超热现象，并且检测到中子的产生。但由于实验设备相对简陋，在实验中检测到的中子不排除受到外界的干扰，如宇宙射线等物质。由于产生超热现象和实验重复性低，加之国内外一些热核专家对冷聚变的质疑，我国的实验室也逐渐停止了对冷核聚变的研究。在国内许多学者一直在默默的坚守，为冷聚变的发展提供了大量实验数据以及理论支持。随着近几年来，能源问题再一次成为人民关心的话题，冷聚变再一次受到了国家支持，并且得到了国家非共识项目基金的支持，国内研究前景较好。

2 冷核聚变的相关理论

2.1 量子理论

2.1.1 量子理论的诞生

自从17世纪牛顿的力学出现后，一直到19世纪，热力及电动力，统计物理学理论的完善，形成了一套完整的经典物理学体系。这一时期，人们用其解释了大量之前人类无法解释的物理现象。一些科学家甚至断言，物理学已经趋于完善，后辈的物理学家只需要在已经完善的物理学基础上做一下完善工作就可以了，然而就当科学家用“已经完善的物理学知识”去解释黑体辐射，光电效应以及原子光谱时，却遇到了极大的瓶颈。这就像是在物理学的天空飘着几朵云彩，看似并不影响常规物理学理论，但是它却意味着物理学界的暴风雨即将到来。

随着黑体与普朗克的量子假说、光电效应与爱因斯坦的光量子假说、原子光谱与波尔量子论及德布罗意物质波的假说被证实，物理学界“暴风雨”正式来临。它独立于传统物理学之外，打开微观世界的大门，使得之前无法解释的物理学现象也得到了较为完美的解释。

2.1.2 量子隧穿理论

量子隧穿效应是量子力学中重要理论之一，量子隧穿效应指的是与宏观世界所不同的微观物质运动，当电子穿越或者穿入位势垒时，尽管其所带的能量不足以穿越位势垒，但电子依旧可以穿越位势垒。所以用传统物理学是无法解释这种现象，而量子理论却可以完美解释微观世界的行为。用宏观进行解释，假设一辆小车在运行过程中，突然遇到一座高山（位势垒）它想从高山的另一边运动到另一边，如果按照经典物理学，需要从山顶向两边引出一条道路，这样小车就可以穿过高山（位势垒）。但是如果小车的能量不足，那么就无法穿越高山。如果用量子力学解释，小车有概率可以从高山之中的隧道进行通过，小车所具有的能量低于高山的位势能量。

从常规来看，量子隧穿只是一个理想的科学假说，但正是这些科学假说，为冷聚变的理论发展打开了新的大门。通常，核子的聚变反应需要有足够的能量来克服原子核之间的核力，因此想要实现核子聚变，就必须提供大量的能量，否则就无法实现核聚变反应，而在冷聚变反应过程中，摆脱了常规物理学的束缚，将量子理论引入到聚变反应中，尽管原子核的能量小于库仑位势垒的位势，原子核依旧可以克服库仑位势垒，从而产生核聚变。

尽管量子隧穿的效应为冷核聚变提供了理论基础，但是量子隧穿依旧无法解释冷核聚变中的一些其他现象，如在热核聚变中，聚变会激发出中子。然而冷核聚变中，一些实验室宣称产生了超热现象，但是却没有产生中子。而一些实验室说检测到部分中子，但是却不能排除宇宙射线及外界的影响。另外，一些科学家用量子隧穿来解释冷核聚变，但是何种原因造成了电解实验中的原子产生了量子隧穿效应的机理并不清楚。

3 涡旋动力学和挠场理论

江兴流教授基于真空零点能理论和动态卡西米尔（Casimir）效应提出涡旋动力学和挠场理论，这些理论相当程度上解释了冷核聚变产生的原理，对冷核聚变的一些现象做出了合理的解释。

3.1 真空零点能

在人们的常识之中，真空中并不存在任何能量。但是一些科学家认为真空中存在着大量的能量，而这种能量是由正电子和负电子相互作用而组成，我们也称其为真空零点能，并且可以理解为能量之海。

真空零点能的概念首先来源于海森堡提出的不确定原理，这个原理的具体内容是微观世界和宏观世界是有着千差万别的不同，在宏观世界中，当知道一个粒子的初始位置和速度，那么我们就可以推测出粒子的具体位置，而在微观世界中，我们无法测定粒子的位置以及速度。也就是说在真空的能量之海中，定存在着涡旋，虽然我们无法确定其发生位置，但是这个旋涡中心必然存在的大量能量，使原子克服势垒发生核聚变。

用海森堡自己的话说，在因果律的陈述中，即“若确切地知道现在，就能预见未来”，所得出的并不是结论，而是前提。我们不能知道现在的所有细节，是一种原则性的事情。

3.2 挠场理论

1920年，卡坍（Cartan）第一次在广义相对论中提到，在考虑物体由于自身旋转而导致时空扭曲，从而产生了挠场，也称其自旋场或扭场。不可否认挠场是继万有引力、电磁力、弱作用力、强作用力之外的另一种力，虽然这种力目前还无法探测到。

在冷核聚变中，由于电子处于真空中，其本身就处于巨大的能量场之中，由于挠场的存在，不断给原子核加速，使原子核克服库仑位势垒，从而产生核聚变。使得核聚变在“常温”下就可以进行，但是其理论虽然相当程度上解释了冷核聚变所产生的机理，但是冷核聚变的实验现象出现异常放热的概率低，也就是核聚变现象出现概率低。如果是由于真空零点能与挠场的作用下产生，那么电解实验中所产生的核聚变应有很大的概率发生，所以它与量子隧穿理论仍然有待发展。

4 结语

从冷核聚变的发现到现在，已经经历了三十年，其理论也在逐渐趋于完善过程中。正如量子理论是经典物理学天空飘着的几朵云彩，那么冷核聚变也是几朵云彩之中的一朵。相信在不久的将来，冷核聚变将会比热核聚变更有发展前景，并且再一次会打破经典物理学理论，建立新的理论。到那时，人类将拥有取之不盡用之不竭的能源，将为人类的发展提供巨大帮助。

参考文献：

[1]王龙.“冷聚变”研究现状[J].科技导报，1996（01）：3135.

[2]李兴中.从ICCF8看冷聚变研究的进展[J].科技导报，2000（12）：67.

[3]李兴中，刘斌，魏清明.氘通量在钯中引发的异常核现象[J].原子核物理评论，2004（04）：419421.

[4]张武寿.冷聚变的范式特征，一种科学哲学的视角[J].前沿科学，2008（03）：7578.

[5]江兴流，周晓平，王立英，贺苗，彭伟明，乐小云.“冷核聚变”现象与动态卡西米尔效应[J].北京石油化工学院学报，2009，17（03）：5763.

[6]卢歆.H（D）/Pd（LiPd）气—固系统经触发引起异常发热现象的实验及理论研究[D].长春理工大学，2015.

[7]何景棠.冷聚变研究的争论[J].科技导报，2005（09）：6971.

[8]李家全.董玉英.沈丽如.在磁约束高温氘等离子体中氘核之间的势垒贯穿[J].中国核科技报告，2002（00）：516518.

[9]王德云.热核反应与室温下的核聚变[J].现代物理知识，1989（06）：2324.

*通讯作者：卢歆。