人类与永动机的千年恩怨四零点能时间晶体科学＆科幻

文章来自“科学大院”大众号

作者：鲁超

热一和热二的呈现，好像让“永动机”这个论题能够休矣。其实不然，在寻求“永动机”的过程中，人类现已有了更多的领会和发现；别的，咱们对国际的认知还很浅薄，还有许多美妙的发现在等待着咱们。

低冲突？这可是个好东西！

当科学家们回过头去看“魔轮”等前期的“永动机”，这些东东尽管无法对外输出能量，但它们毕竟能一向转下去，这当然是因为其间的冲突力很小。在实践使用中，工程师们为了下降能耗而费尽心机。低冲突？这可是个好东西啊。

金属加工的过程中，光滑是必备的工艺要素（图片来历：wiki）

有人把极低冲突力的机械称为“第三类永动机”，这个说法并没有得到科学界的公认。但下降冲突进步光滑是许多范畴的要害课题，在这方面的研讨深化对到物质表层的认知，与金属加工等范畴有极大相关，这是另一个论题。这种机械更有意思的是能够作为一种储能办法。

比方有一种“飞轮储能”，先把飞轮加快备至高速度，将能量以滚动动能的方式储存下来。依据能量守恒原理，当开释能量时，飞轮的转速下降；而向体系中储存能量时，飞轮的转速则会相应地升高。

飞轮的内部结构（图片来历：wiki）

这种飞轮的核心部件是中心的真空室，它能最大极限地下降滚动中的冲突，飞轮的能量功率(能量输出/能量输入)——也称为往复功率——可高达90%。更先进一代的飞轮选用磁悬浮轴承，往复功率能够进一步提高到97%。

这种飞轮现已被广泛用于机车、游乐场、试验室等处，乃至美国宇航局（NASA）也规划了一种G2飞轮，企图用于航天器的研制。接下来，飞轮还有或许替代一些电池。

NASA的飞轮，能够用在航天器里储能（图片来历：wiki）

巨大的发电力气：潮汐能

上一集咱们说到人类愿望使用大天然里的各种能量，却碰到了热力学第二规律这堵厚障壁，但人类起先的主意并不彻底过错，只需契合天然规律，大天然中的确有许多种能量能够为咱们所用。

水力发电站现已层出不穷，表面上看，这是在使用水的重力势能，当咱们把视界扩展，会发现，要构成一个循环，首要需求太阳普照，水汽蒸腾，再经过降雨到高处区域，咱们使用的水力实践是太阳能的一小部分。

在海滨，还有一种常见的“循环”，便是潮汐。咱们知道，潮汐现象最主要来自太阳和月球的引力效果，太阳虽大，间隔地球却较远，力所不及；月球虽小，却是地球的街坊，近水楼台，因而月球对潮汐的影响更大。

中外出名的钱塘江大潮，这么巨大的能量假如能使用起来该有多好（图片来历：google）

每天地球自转一圈，每月才绕地公转一周的月球跟不上地球的自转速度，本身的引力就拖拽着地球表面的流体，构成潮汐。这种效应正在让地球的自转变慢，直到地球也被月球潮汐确定。这是星球等级的引力能开释，不使用实在太惋惜了。

海洋学家预估，国际上潮汐能发电总量在1TW（10的12次方瓦特）以上。早在1967年，法国就在郎斯制作了国际上第一座具有商业价值及实用价值的潮汐电站，现在每年发电量1.8 GW，输入法国国家电网。我国也于1985年在浙江温岭建成了装机容量为3.2 MW的江厦潮汐试验电站，在央视的《大国重器》里，咱们能够看到这座国际第四大的潮汐电站。到现在中止，全球已有20多座潮汐电站，潮汐发电是技能最老练和使用规划最大的一种海洋能转化发电的办法。

温岭江厦潮汐试验电站（图片来历：wiki）

超流体使用：无冲突，能耗大

咱们身处一个充溢冲突的国际。可是1938年，卡皮查发现了液氦在超低温下会变成无冲突力的超流体。这种奇特的流体有许多美妙的效应，比方下图，只需有一滴处于超流体状况的液氦坐落杯底，杯内的液氦就会在向上缓慢攀爬，攀跳过杯口，然后在杯身外面向下缓慢滑落，集结在一起，构成一整滴液氦珠，终究滴落鄙人面的液氦里。终究，液氦会一滴一滴的滴落，直到杯子彻底流空中止。

超流体的液氦很奇特（图片来历：wiki）

再比方下图：

将一个杯子放进液氦II里，杯面高于液面，外面的液氦II会主动流入杯子里（图片来历：wiki）

可是很惋惜，超流体爬高容器壁，不过是经过一般的毛细效果来完成的。当体系到达平衡状况时（一切的液氦都到达同一水平），运动就中止了。更何况，制作超低温的超流体，会花费许多能耗，因而，现在暂时还看不到大规划使用超流体的或许性。

（图片来历：google）

超流体尽管不可用，可是在超低温下，许多物质都会呈现零电阻现象，这便是超导现象。这可是真实的让电流无 “冲突”的痛快通行了，跟着高温超导现象的发现，超导体的临界温度不断提高，无损耗电力传输好像就快愿望成真，这对人类文明真是具有革命性的含义了。

韩国想象中的超导输电线路（图片来历：google）

德国也在酝酿超导输电，用液氮（Liquid Nitrogen）做冷却剂（图片来历：google）

可控的核聚变现在还无法使用？

超导的使用远远不止于输电。

咱们知道，磁场一般由电磁铁供给，电流越大，因为电阻的在，电流热效应带来的发热量也更大，电阻成为制作更强磁场的瓶颈。而超导资料简直不存在发热的问题，比方在核聚变神器托卡马克用的磁束缚资料、线性加快器LHC里的加快磁场，都能见到它们的身影。

托卡马克里用的是铌三锡（Nb3Sn）超导资料，临界温度为18.3K（图片来历：wiki）

已然现已说到了可控核聚变，那就不得不多说几句，这的确是人类最等待的动力，假如这项工程被霸占，几个世纪以内，人类都不会为动力问题所困扰，这才是真实的“永动机”！现在科学家们最主要的技能思路是托卡马克和仿星器等，不外乎是经过磁束缚等离子体，发明氘、氚完成聚变的环境和超高温，并完成人类对聚变反响的操控。

惋惜的是，从上世纪下半叶到现在，尽管有不断的打破，但离终究的产业化还有不少的间隔，因而也有人自嘲人类对可控核聚变的研讨：“永久还有50年成功！”

我国的EAST能给咱们带来惊喜吗？（图片来历：google）

假如这时我说可控核聚变早已成功，你会不会觉得我是神经错乱？

可是现实的确如此，上世纪60年代，美国的两个发明家就发明晰一种惯性静电束缚设备，经过电场加快离子，让体系温度上升，一向加热到或许发作核聚变的状况。在设备中心方位，离子浓度增高到必定程度，或许会有几个离子发作磕碰导致核聚变，这种设备被称为“fusor”。

一台正在发光的fusor，其间正有几个离子发作了核聚变（图片来历：wiki）

其实，fusor真的不难做，2008年，美国年仅14岁的小男孩泰勒·威尔逊就做出了一台fusor，成为其时全国际最年青制作出核聚变的人。

已然fusor不难做，为什么到现在也没产业化呢？

仍是那个问题，fusor所需输入的能量远大于其间核聚变输出的能量，因而，fusor多放置在科技馆里，或许在试验室里当作中子源。

泰勒·威尔逊，14岁做出核聚变设备。2014年这个记载现已被打破（图片来历：wiki）

相对于托卡马克、仿星器，fusor非常细巧。是啊，咱们不只期望完成可控核聚变，更等待着它小型化。其实，就在几十年前，还真有科学家差点完成了这一点。

1989年，美国两位化学家弗莱施曼和庞斯在犹他大学建立了一个试验室，他们用一个钯电极来电解重水，电解出的氘吸附在钯电极中，他们观察到一个反常现象，钯电极的温度居然上升了许多。经过核算，这个升温绝不或许是氢气和氧气化合而带来的。

看到这儿，你是不是也想到什么了？

可控核聚变！！！

弗莱施曼（左）和庞斯（右）在试验室里用钯电极试验冷核聚变（图片来历：wiki）

两位化学家仍是过于冲动了，他们冒冒失失的召开了一个新闻发布会，宣告：国际动力问题现已被处理！一时刻，两位化学家成为全世界重视的目标。

枪打出头鸟，全球都相同。全国际对此存疑的科学家们好像在一夜之间变得步调一致，开端从各个方面质疑两位化学家的试验，攻击他们的试验差错，丈量手法，责备他们伪造数据等等。间隔新闻发布会仅仅40天，两位化学家就从天堂掉入阴间，一向到现在还没有翻身。

现在一些科学家客观重复了弗莱施曼和庞斯的试验，发现氢原子在钯晶格中的活动的确不像咱们梦想的那么简略，它们或许的确有一小部分发作了核聚变反响。仅仅这个反响的比率仍是太小了，能量输入输出不成比例，所以底子没有工业化价值。

最近几年，科学界又开端反思这一事情，尤其是英国《天然》杂志本年（2019年）5月27日在线宣布了一篇文章，对该项目进行了初次揭露报导，文章标明，尽管研讨并未发现冷聚变的依据，但研讨结果被以为对许多科学和技能范畴具有学习含义。

倒运的弗莱施曼（右下）和庞斯（右上），乃至上了纽约时报。可是，从天堂到阴间，仅仅40天（图片来历：google）

“零点能”是伪科学吗？

许多物理学家以为，真空是全面了解天然的要害。越来越多的依据标明，咱们所谓的“真空”其实并不空，也存在必定的能量，这种能量即便在没有物质的空间也仍然存在，因而它被称为“真空能”。能够用量子力学里“基态”的概念来解说，即咱们的空间存在各式各样的场，当这些场处于“基态”时，就造成了真空。明显，真空也有“基态”的能量，因而“真空能”也被称为“零点能”。

真空也有能量？（图片来历：google）

起先，这种“零点能”只呈现于理论中，直到卡西米尔效应的呈现，使得“零点能”不再有争议，被科学界遍及承受。

1948年，卡西米尔以为，假如“零点能”存在，将两块不带电的金属板靠到满足近，两块板会发作吸引力。后来公然被试验证明，1997年，科学家还细心测定了卡西米尔力有多大，发现仅有理论值的5%。看来，“零点能”还有许多奥妙等待着咱们去探究。

荷兰物理学家卡西米尔。（图片来历：wiki）

看起来，“零点能”真是国际中最最遍及，最最垂手而得的能量，因为它无处不在，遍及咱们身边、乃至空无一物的太空里。假如能使用这种能量，人类还会为动力问题而头疼吗？

有人提及被视为“发明出二十世纪的人”特斯拉说过的一段话：“依照一种违背现有理论的办法，能够出产出来一台‘主动’的引擎或机器，它尽管没有生命，但却能够像生命体相同从任何地方中获取无尽的能量。”可是很惋惜，特斯拉并没有制作出一台相似的机器或机器模型。

关于“特斯拉”的“神话”特别多，有人因为这段话而开端“梦想”，或许特斯拉现已找到了“零点能”的使用办法，仅仅因为各种原因没有撒播下来。

被视为“发明出二十世纪的人”——特斯拉（图片来历：wiki）

在理论物理的最前沿，如超流体、超导、暗能量、国际暴胀等理论中，都能找到“零点能”的影子。而除了理论部分的研讨，科学家们更期望这种能能够为咱们所用。据称，美国、我国、俄罗斯、德国和巴西的军方都企图将它进行使用。

1999年，前NASA科学家平托在《物理谈论》上宣布了一篇关于“卡西米尔发动机”思维试验的论文。这篇论文标明，能够从卡西米尔效应发作继续的能量输出，他乃至在摘要中说：“在没有其他解说的情况下，咱们能够得出结论，它（卡西米尔效应）能够给咱们带来无穷无尽的自在动力。”

接下来十几年里，又有几篇相似的论文宣布，卡西米尔效应真的能够给咱们带来取之不尽用之不竭的动力吗？或许它也仅仅一个新时代的“永动机”呢？

用水波来模仿卡西米尔效应（图片来历：wiki）

美国科罗拉多大学的加内特·莫德尔教授指出：这类设备取决于假设卡西米尔力是一种非保守力，可是有满足的依据标明卡西米尔效应是一个保守力。

这是啥意思呢？就好比是说，“零点能”的确存在，但卡西米尔效应是“借”来的，用完仍是要还给天主的。就好比咱们从楼梯上跳下来，的确能够给地板一个力，但假如想继续做功，就得从头爬上去。所以，在科学界，有关于使用“零点能”的主意都现已被归为伪科学，“卡西米尔发动机”真的沦为了新时代的“永动机”。

想使用卡西米尔力？别做梦了……（图片来历：wiki）

时刻也能成为晶体？

2012年，诺奖获得者威尔切克提出了一个“时刻晶体”的概念。咱们熟知三维晶体在空间上有重复结构，但跟着时刻的推移坚持不变。而时刻晶体相反，它在时刻中重复自己，让晶体从一个时刻到另一个时刻发作重复改变。

诺奖获得者威尔切克在巴黎萨克莱大学宣布讲演（图片来历：wiki）

在一段时刻里，干流科学界以为时刻晶体不或许存在，但科学家还真的把它“搞”出来了。2016年10月，马里兰大学的克里斯托弗·门罗声称自己发明晰国际上第一个时刻晶体。他们首要用电磁场制作出一个离子阱，用脉冲激光炮击镱离子链，终究他们发现这个离子阱捕获了10个镱离子，它们进入一种安稳且重复的自旋翻转形式。

随后，哈佛大学的米哈伊尔·卢金也声称自己发明晰时刻晶体，办法是向钻石中密布充入氮气。

哈佛大学卢金团队做的时刻晶体，也称为“哈佛钻石”（图片来历：google）

时刻晶体概念刚刚提出的时分，就有人想象这是新一代“永动机”。但其实，时刻晶体无法被分离出来，它是一个非平衡态的敞开体系。因而它并不违背热力学规律，整个体系的能量是守恒的。时刻晶体不会自发地把热能转化为机械功，也无法存储能量。

时刻也能成为晶体？这是科学仍是科幻？（图片来历：google）

总归，一系列的故事告知咱们，尽管不能永久地输出动力，但其间的研讨让咱们对国际的认知变得愈加深入，由此，人类文明也上升了好几个台阶。

下期请看：人类与“永动机”的千年恩怨（五）怎么防止掉入“永动机”圈套？

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