人类与“永动机”的千年恩怨(四):零点能?时间晶体?科学or科幻?

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  热一和热二的出现,似乎让“永动机”这个话题可以休矣。其实不然,在追求永动机”的过程中,人类已经有了更多的体会和发现;另外,我们对宇宙认知还很肤浅,还有很多奇妙的发现在等待着我们。

  低摩擦?这可是个好东西!

  当科学家们回过头去看“魔轮”等早期的“永动机”,这些东东虽然无法对外输出能量,但它们毕竟能一直转下去,这当然是因为其中的摩擦力很小。在实际应用中,工程师们为了降低能耗而绞尽脑汁。低摩擦?这可是个东西啊。


金属加工的过程中,润滑是必备的工艺要素(图片来源:wiki)

  有人把极低摩擦力的机械称为“第三类永动机”,这个说法并没有得到科学界的公认。但降低摩擦提高润滑是很多领域的关键课题,在这方面的研究深入对到物质表层的认知,与金属加工等领域有极大关联这是另一个话题。这种机械更有意思的是可以作为一种储能方式。

  比如有一种“飞轮储能”,先把飞轮加速至极高速度,将能量以转动动能的形式储存下来。根据能量守恒原理,当释放能量时,飞轮的转速降低;而向系统中贮存能量时,飞轮的转速则会相应地升高。


飞轮的内部结构。图片来源:wiki

  这种飞轮的核心部件是中间的真空室,它能最大限度地降低转动中的摩擦,飞轮的能量效率(能量输出/能量输入)——也称为往返效率——可高达 90%。更先进一代的飞轮采用磁悬浮轴承,往返效率可以进一步提升到 97%。

  这种飞轮已经被广泛用于机车、游乐场、实验室等处,甚至美国宇航局(NASA)也设计了一种 G2 飞轮,试图用于航天器的研发。接下来,飞轮还有可能取代一些电池


NASA 的飞轮,可以用在航天器里储能。图片来源:wiki

  庞大的发电力量:潮汐能

  上一集我们提到人类梦想利用自然里的各种能量,却碰到了热力学第二定律这堵厚障壁,但人类起初的想法并不完全错误,只要符合自然规律,大自然中确实有很多种能量可以为我们所用。

  水力发电站已经屡见不鲜,表面上看,这是在用水重力势能,当我们把视野扩大,会发现,要构成一个循环,首先需要太阳普照,水汽蒸发,再通过降雨到高处地区,我们利用的水力实际是太阳能的一小部分。

  在海边,还有一种常见的“循环”,就是潮汐。我们知道,潮汐现象最主要来自太阳和月球引力作用,太阳虽大,距离地球却较远,鞭长莫及;月球虽小,却是地球的邻居,近水楼台,因此月球对潮汐的影响更大。


中外闻名的钱塘江大潮,这么伟大的能量如果能应用起来该有多好。图片来源: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,自身的引力就拖拽着地球表面的流体,形成潮汐。这种效应正在让地球的自转变慢,直到地球也被月球潮汐锁定。这是星球级别的引力能释放,不利用实在太可惜了。

  海洋学家预估,世界上潮汐能发电总量在 1TW(10 的 12 次方瓦特)以上。早在 1967 年,法国就在郎斯建造世界上一座具有商业价值及实用价值的潮汐电站,目前每年发电量 1.8 GW,输入法国家电网。我国也于 1985 年在浙江温岭成了装机容量为 3.2 MW 的江厦潮汐试验电站,在央视的《大国重器》里,我们可以看到这座世界第四大的潮汐电站。到目前为止,全球已有 20 多座潮汐电站,潮汐发电是技术最成熟和利用规模最大的一种海洋能转化发电的方法。


温岭江厦潮汐试验电站。图片来源:wiki

  超流体应用:无摩擦,能耗大

  我们身处一个充满摩擦的世界。可是 1938 年,卡皮查发现了液氦在超低温下会变成无摩擦力的超流体。这种神奇的流体有很多奇妙的效应,比如下图,只要有一滴处于超流体状态的液氦位于杯底,杯内的液氦就会在向上缓慢攀爬,攀越过杯口,然后在杯身外面向下缓慢滑落,集结在一起,形成一整滴液氦珠,最后滴落在下面的液氦里。最终,液氦会一滴一滴的滴落,直到杯子完全流空为止。


超流体的液氦很神奇。图片来源:wiki

  再比如下图:


将一个杯子放进液氦 II 里,杯面高于液面,外面的液氦 II 会自动流入杯子里。图片来源:wiki

  然而很可惜,超流体爬升容器壁,不过是通过普通的毛细作用来实现的。当系统达到平衡状态时(所有的液氦都达到同一水平),运动就停止了。更何况,制造超低温的超流体,会花费大量能耗,因此,目前暂时还看不到大规模利用超流体的可能性。


图片来源:google

  超流体虽然不可用,但是在超低温下,很多物质都会出现零电阻现象,这就是超导现象。这可是真正的让电流无 “摩擦”的畅快通行了,随着高温超导现象的发现,超导体的临界温度不断提升,无损耗电力传输似乎就快梦想成真,这对人类文明真是具有革命性的意义了。


韩国构想中的超导输电线路。图片来源:google


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

  可控的核聚变目前还无法应用?

  超导的应用远远不止于输电。

  我们知道,磁场一般由电磁铁提供电流越大,由于电阻的在,电流热效应带来的发热量也更大,电阻成为建造更强磁场的瓶颈。而超导材料几乎不存在发热的问题,比如在核聚变神器托卡马克用的磁约束材料、线性加速器 LHC 里的加速磁场,都能见到它们的身影。


托卡马克里用的是铌三锡(Nb3Sn)超导材料,临界温度为 18.3K。图片来源:wiki

  既然已经说到了可控核聚变,那就不不多说几句,这确实是人类最期待的能源,如果这项工程被攻克,几个世纪以内,人类都不会为能源问题所困扰,这才是真正的“永动机”!现在科学家最主要的技术思路是托卡马克和仿星器等,不外乎是通过磁约束等离子体,创造氘、氚实现聚变的环境和超高温,并实现人类对聚变反应的控制

  可惜的是,从上世纪下半叶到现在,尽管有不断的突破,但离最终的产业化还有不少的差距,因此也有人自嘲人类对可控核聚变的研究:“永远还有 50 年成功!”


我国的 EAST 能给我们带来惊喜吗?图片来源:google

  如果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?

  然而事实确实如此,上世纪 60 年代,美国的两个发明家就发明了一种惯性静电约束装置,通过电场加速离子,让体系温度上升,一直加热到可能发生核聚变的状态。装置中心位置离子浓度增高到一定程度,可能会有几个离子发生碰撞导致核聚变,这种装置被称为“fusor”。


一台正在发光的 fusor,其中正有几个离子发生了核聚变。图片来源: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,成为当时全世界最年轻制造出核聚变的人

  既然 fusor 不难做,为什么到现在也没产业化呢?

  还是那个问题,fusor 所需输入的能量远大于其中核聚变输出的能量,因此,fusor 多放置在科技馆里,或者在实验室里当作中子源。


泰勒·威尔逊,14 岁做出核聚变装置。2014 年这个记录已经被打破。图片来源:wiki

  相对于托卡马克、仿星器,fusor 十分小巧。是啊,我们不仅希望实现可控核聚变,更期待着它小型化。其实,就在几十年前,还真有科学家差点实现了这一点。

  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实验室,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,钯电极的温度竟然上升了很多。通过计算,这个升温不可能氢气氧气化合而带来的。

  看到这里,你是不是也想到什么了?

  可控核聚变!!!


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

  两位化学家还是过于冲动了,他们冒冒失失的召开了一个新闻发布会,宣布:世界能源问题已经被解决!一时间,两位化学家成为举世关注的对象。

  枪打出头鸟,全球都一样。全世界对此存疑的科学家们似乎在一夜之间变得步调一致,开始从各个方面质疑两位化学家的实验,围攻他们的实验误差,测量手段,指责他们捏造数据等等。距离新闻发布会仅仅 40 天,两位化学家就从天堂掉入地狱,一直到现在还没有翻身。

  现在一些科学家客观重复了弗莱施曼和庞斯的实验,发现氢原子在钯晶格中的活动确实不像我们想象的那么简单,它们可能确实有一小部分发生了核聚变反应。只是这个反应的比率还是太小了,能量输入输出不成比例,所以根本没有工业化价值。

  最近几年,科学界又开始反思这一事件,尤其是英国《自然》杂志今年(2019 年)5 月 27 日在线发表了一篇文章,对该项目进行了首次公开报道文章表示,虽然研究并未发现冷聚变的证据,但研究结果被认为对诸多科学和技术领域具有借鉴意义。


倒霉的弗莱施曼(右下)和庞斯(右上),甚至上纽约时报。然而,从天堂到地狱,仅仅 40 天。图片来源:google

  “零点能”是伪科学吗?

  许多物理学家认为,真空是全面理解自然的关键。越来越多的证据表明,我们所谓的“真空”其实并不空,也存在一定的能量,这种能量即使在没有物质的空间也依然存在,因此它被称为“真空能”。可以用量子力学里“基态”的概念解释,即我们的空间存在各种各样的场,当这些场处于“基态”时,就造成了真空。显然,真空也有“基态”的能量,因此“真空能”也被称为“零点能”。


真空也有能量?图片来源:google

  起初,这种“零点能”只出现于理论中,直到卡西米尔效应的出现,使得“零点能”不再有争议,被科学界普遍接受

  1948 年,卡西米尔认为,如果“零点能”存在,将两块不带电的金属板靠到足够近,两块板会产生吸引力。后来果然被实验证实,1997 年,科学家还仔细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”还有很多奥秘等待着我们去探索。


荷兰物理学家卡西米尔。图片来源:wiki

  看起来,“零点能”真是宇宙中最最普遍,最最唾手可得的能量,因为它无处不在,遍布我们身边、甚至空无一物的太空里。如果能利用这种能量,人类还会为能源问题而头疼吗?

  有人提及被视为“创造出二十世纪的人”特斯拉说过的一段话:“按照一种违背现有理论的方法,可以生产出来一台‘自动’的引擎机器,它虽然没有生命,但却可以像生命体一样从任何地方中获取无尽的能量。”但是很可惜,特斯拉并没有制造出一台类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始“幻想”,也许特斯拉已经找到了“零点能”的利用方法,只是由于各种原因没有流传下来。


被视为“创造出二十世纪的人”——特斯拉。图片来源:wiki

  在理论物理的最前沿,如超流体、超导、暗能量、宇宙暴胀等理论中,都能找到“零点能”的影子。而除了理论部分的研究,科学家们更希望这种能可以为我们所用。据称,美国、中国俄罗斯、德国和巴西的军方都试图将它进行应用。

  1999 年,前 NASA 科学家平托在《物理评论》上发表了一篇关于“卡西米尔发动机思想实验的论文。这篇论文表明,可以从卡西米尔效应产生持续的能量输出,他甚至在摘要中说:“在没有其他解释的情况下,我们可以得出结论,它(卡西米尔效应)可以给我们带来无穷无尽的自由能源。”

  接下来十几年里,又有几篇类似的论文发表,卡西米尔效应真的可以给我们带来取之不尽用之不竭的能源吗?或者它也只是一个时代的“永动机”呢?
用水波来模拟卡西米尔效应(图片来源: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,然而有足够的证据表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”确实存在,但卡西米尔效应是“借”来的,用完还是要还给上帝的。就好比我们从楼梯上跳下来,确实可以给地板一个力,但如果想持续做功,就得重新爬上去。所以,在科学界,有关于利用“零点能”的想法都已经被归为伪科学,“卡西米尔发动机”真的沦为了新时代的“永动机”。


想利用卡西米尔力?别做梦了……图片来源:wiki

  时间也能成为晶体?

  2012 年,诺奖获得者威尔切克提出了一个“时间晶体”的概念。我们熟知三维晶体在空间上有重复结构,但随着时间的推移保持不变。而时间晶体相反,它在时间中重复自己,让晶体从一个时刻到另一个时刻发生反复变化


诺奖获得者威尔切克在巴黎克莱大学发表演讲。图片来源:wiki

  在一段时间里,主流科学界认为时间晶体不可能存在,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·门罗声称自己创造了世界上第一个时间晶体。他们首先用电磁场制造出一个离子阱,用脉冲激光轰击镱离子链,最终他们发现这个离子阱捕获了 10 个镱离子,它们进入一种稳定且重复的自旋翻转模式。

  随后,哈佛大学的米哈伊尔·卢金也宣称自己发明了时间晶体,方法是向钻石中密集充入氮气。


哈佛大学卢金团队做的时间晶体,也称为“哈佛钻石”。图片来源:google

  时间晶体概念刚刚提出的时候,就有人设想这是新一代“永动机”。但其实,时间晶体无法被分离出来,它是一个非平衡态的开放体系。因此它并不违反热力学定律,整个系统的能量是守恒的。时间晶体不会自发地把热能转化为机械功,也无法存储能量。


时间也能成为晶体?这是科学还是科幻?图片来源:google

  总之,一系列的故事告诉我们,虽然不能永恒地输出动力,但其中的研究让我们对宇宙的认知变得更加深刻,由此,人类文明也上升了好几个台阶。

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