人類與“永動機”的千年恩怨（四）：零點能？時間晶體？是科學還是科幻？
人類與“永動機”的千年恩怨（四）：零點能？時間晶體？是科學還是科幻？熱一和熱二的出現，似乎讓“永動機”這個話題可以休矣。其實不然，在追求“永動機”的過程中，人類已經有了更多的體會和發現；另外，我們對宇宙的認知還很膚淺，還有很多奇妙的發現在等待著我們。
低摩擦？這可是個好東西！
當科學家們回過頭去看“魔輪”等早期的“永動機”，這些東東雖然無法對外輸出能量，但它們畢竟能一直轉下去，這當然是因為其中的摩擦力很小。在實際應用中，工程師們為了降低能耗而絞盡腦汁。低摩擦？這可是個好東西啊。
金屬加工的過程中，潤滑是必備的工藝要素（圖片來源：wiki）
有人把極低摩擦力的機械稱為“第三類永動機”，這個說法並沒有得到科學界的公認。但降低摩擦提高潤滑是很多領域的關鍵課題，在這方面的研究深入對到物質表層的認知，與金屬加工等領域有極大關聯，這是另一個話題。這種機械更有意思的是可以作為一種儲能方式。
比如有一種“飛輪儲能”，先把飛輪加速至極高速度，將能量以轉動動能的形式儲存下來。根據能量守恆原理，當釋放能量時，飛輪的轉速降低；而向系統中貯存能量時，飛輪的轉速則會相應地升高。
飛輪的內部結構（圖片來源：wiki）
這種飛輪的核心部件是中間的真空室，它能最大限度地降低轉動中的摩擦，飛輪的能量效率(能量輸出/能量輸入)——也稱為往返效率——可高達90%。更先進一代的飛輪採用磁懸浮軸承，往返效率可以進一步提升到97%。
這種飛輪已經被廣泛用於機車、遊樂場、實驗室等處，甚至美國宇航局（NASA）也設計了一種G2飛輪，試圖用於航天器的研發。接下來，飛輪還有可能取代一些電池。
NASA的飛輪，可以用在航天器裡儲能（圖片來源：wiki）
龐大的發電力量：潮汐能
上一集我們提到人類夢想利用大自然裡的各種能量，卻碰到了熱力學第二定律這堵厚障壁，但人類起初的想法並不完全錯誤，只要符合自然規律，大自然中確實有很多種能量可以為我們所用。
水力發電站已經屢見不鮮，表面上看，這是在利用水的重力勢能，當我們把視野擴大，會發現，要構成一個循環，首先需要太陽普照，水汽蒸發，再通過降雨到高處地區，我們利用的水力實際是太陽能的一小部分。
在海邊，還有一種常見的“循環”，就是潮汐。我們知道，潮汐現象最主要來自太陽和月球的引力作用，太陽雖大，距離地球卻較遠，鞭長莫及；月球雖小，卻是地球的鄰居，近水樓臺，因此月球對潮汐的影響更大。
每天地球自轉一圈，每月才繞地公轉一週的月球跟不上地球的自轉速度，自身的引力就拖拽著地球表面的流體，形成潮汐。這種效應正在讓地球的自轉變慢，直到地球也被月球潮汐鎖定。這是星球級別的引力能釋放，不利用實在太可惜了。
海洋學家預估，世界上潮汐能發電總量在1TW（10的12次方瓦特）以上。早在1967年，法國就在郎斯建造了世界上第一座具有商業價值及實用價值的潮汐電站，目前每年發電量1.8 GW，輸入法國國家電網。我國也於1985年在浙江溫嶺建成了裝機容量為3.2 MW的江廈潮汐試驗電站，在央視的《大國重器》裡，我們可以看到這座世界第四大的潮汐電站。到目前為止，全球已有20多座潮汐電站，潮汐發電是技術最成熟和利用規模最大的一種海洋能轉化發電的方法。
溫嶺江廈潮汐試驗電站（圖片來源：wiki）
超流體應用：無摩擦，能耗大
我們身處一個充滿摩擦的世界。可是1938年，卡皮查發現了液氦在超低溫下會變成無摩擦力的超流體。這種神奇的流體有很多奇妙的效應，比如下圖，只要有一滴處於超流體狀態的液氦位於杯底，杯內的液氦就會在向上緩慢攀爬，攀越過杯口，然後在杯身外面向下緩慢滑落，集結在一起，形成一整滴液氦珠，最後滴落在下面的液氦裡。最終，液氦會一滴一滴的滴落，直到杯子完全流空為止。
超流體的液氦很神奇（圖片來源：wiki）
再比如下圖：
將一個杯子放進液氦II裡，杯麵高於液麵，外面的液氦II會自動流入杯子裡
很可惜，超流體爬升容器壁，不過是通過普通的毛細作用來實現的。當系統達到平衡狀態時（所有的液氦都達到同一水平），運動就停止了。更何況，製造超低溫的超流體，會花費大量能耗，因此，目前暫時還看不到大規模利用超流體的可能性。
超流體雖然不可用，但是在超低溫下，很多物質都會出現零電阻現象，這就是超導現象。這可是真正的讓電流無 “摩擦”的暢快通行了，隨著高溫超導現象的發現，超導體的臨界溫度不斷提升，無損耗電力傳輸似乎就快夢想成真，這對人類文明真是具有革命性的意義了。
德國也在醞釀超導輸電，用液氮（Liquid Nitrogen）做冷卻劑
可控的核聚變目前還無法應用？
超導的應用遠遠不止於輸電。
我們知道，磁場一般由電磁鐵提供，電流越大，由於電阻的在，電流熱效應帶來的發熱量也更大，電阻成為建造更強磁場的瓶頸。而超導材料幾乎不存在發熱的問題，比如在核聚變神器託卡馬克用的磁約束材料、線性加速器LHC裡的加速磁場，都能見到它們的身影。
託卡馬克裡用的是鈮三錫（Nb3Sn）超導材料，臨界溫度為18.3K
既然已經說到了可控核聚變，那就不得不多說幾句，這確實是人類最期待的能源，如果這項工程被攻克，幾個世紀以內，人類都不會為能源問題所困擾，這才是真正的“永動機”！現在科學家們最主要的技術思路是託卡馬克和仿星器等，不外乎是通過磁約束等離子體，創造氘、氚實現聚變的環境和超高溫，並實現人類對聚變反應的控制。
可惜的是，從上世紀下半葉到現在，儘管有不斷的突破，但離最終的產業化還有不少的差距，因此也有人自嘲人類對可控核聚變的研究：“永遠還有50年成功！”
我國的EAST能給我們帶來驚喜嗎？
如果這時我說可控核聚變早已成功，你會不會覺得我是神經錯亂？
然而事實確實如此，上世紀60年代，美國的兩個發明家就發明了一種慣性靜電約束裝置，通過電場加速離子，讓體系溫度上升，一直加熱到可能發生核聚變的狀態。在裝置中心位置，離子濃度增高到一定程度，可能會有幾個離子發生碰撞導致核聚變，這種裝置被稱為“fusor”。
一臺正在發光的fusor，其中正有幾個離子發生了核聚變
其實，fusor真的不難做，2008年，美國年僅14歲的小男孩泰勒·威爾遜就做出了一臺fusor，成為當時全世界最年輕製造出核聚變的人。
既然fusor不難做，為什麼到現在也沒產業化呢？
還是那個問題，fusor所需輸入的能量遠大於其中核聚變輸出的能量，因此，fusor多放置在科技館裡，或者在實驗室裡當作中子源。
泰勒·威爾遜，14歲做出核聚變裝置。2014年這個記錄已經被打破
相對於託卡馬克、仿星器，fusor十分小巧。是啊，我們不僅希望實現可控核聚變，更期待著它小型化。其實，就在幾十年前，還真有科學家差點實現了這一點。
1989年，美國兩位化學家弗萊施曼和龐斯在猶他大學建立了一個實驗室，他們用一個鈀電極來電解重水，電解出的氘吸附在鈀電極中，他們觀察到一個反常現象，鈀電極的溫度竟然上升了很多。通過計算，這個升溫絕不可能是氫氣和氧氣化合而帶來的。
看到這裡，你是不是也想到什麼了？
可控核聚變！！！
弗萊施曼（左）和龐斯（右）在實驗室裡用鈀電極試驗冷核聚變
兩位化學家還是過於衝動了，他們冒冒失失的召開了一個新聞發佈會，宣佈：世界能源問題已經被解決！一時間，兩位化學家成為舉世關注的對象。
槍打出頭鳥，全球都一樣。全世界對此存疑的科學家們似乎在一夜之間變得步調一致，開始從各個方面質疑兩位化學家的實驗，圍攻他們的實驗誤差，測量手段，指責他們捏造數據等等。距離新聞發佈會僅僅40天，兩位化學家就從天堂掉入地獄，一直到現在還沒有翻身。
現在一些科學家客觀重複了弗萊施曼和龐斯的實驗，發現氫原子在鈀晶格中的活動確實不像我們想象的那麼簡單，它們可能確實有一小部分發生了核聚變反應。只是這個反應的比率還是太小了，能量輸入輸出不成比例，所以根本沒有工業化價值。
最近幾年，科學界又開始反思這一事件，尤其是英國《自然》雜誌今年（2019年）5月27日在線發表了一篇文章，對該項目進行了首次公開報道，文章表示，雖然研究並未發現冷聚變的證據，但研究結果被認為對諸多科學和技術領域具有借鑑意義。
倒黴的弗萊施曼（右下）和龐斯（右上），甚至上了紐約時報。然而，從天堂到地獄，僅僅40天
“零點能”是偽科學嗎？
許多物理學家認為，真空是全面理解自然的關鍵。越來越多的證據表明，我們所謂的“真空”其實並不空，也存在一定的能量，這種能量即使在沒有物質的空間也依然存在，因此它被稱為“真空能”。可以用量子力學裡“基態”的概念來解釋，即我們的空間存在各種各樣的場，當這些場處於“基態”時，就造成了真空。顯然，真空也有“基態”的能量，因此“真空能”也被稱為“零點能”。
真空也有能量？（圖片來源：google）
起初，這種“零點能”只出現於理論中，直到卡西米爾效應的出現，使得“零點能”不再有爭議，被科學界普遍接受。
1948年，卡西米爾認為，如果“零點能”存在，將兩塊不帶電的金屬板靠到足夠近，兩塊板會產生吸引力。後來果然被實驗證實，1997年，科學家還仔細測定了卡西米爾力有多大，發現僅有理論值的5%。看來，“零點能”還有很多奧秘等待著我們去探索。
荷蘭物理學家卡西米爾。（圖片來源：wiki）
看起來，“零點能”真是宇宙中最最普遍，最最唾手可得的能量，因為它無處不在，遍佈我們身邊、甚至空無一物的太空裡。如果能利用這種能量，人類還會為能源問題而頭疼嗎？
有人提及被視為“創造出二十世紀的人”特斯拉說過的一段話：“按照一種違背現有理論的方法，可以生產出來一臺‘自動’的引擎或機器，它雖然沒有生命，但卻可以像生命體一樣從任何地方中獲取無盡的能量。”但是很可惜，特斯拉並沒有製造出一臺類似的機器或機器模型。
關於“特斯拉”的“神話”特別多，有人因為這段話而開始“幻想”，也許特斯拉已經找到了“零點能”的利用方法，只是由於各種原因沒有流傳下來。
被視為“創造出二十世紀的人”——特斯拉（圖片來源：wiki）
在理論物理的最前沿，如超流體、超導、暗能量、宇宙暴脹等理論中，都能找到“零點能”的影子。而除了理論部分的研究，科學家們更希望這種能可以為我們所用。據稱，美國、中國、俄羅斯、德國和巴西的軍方都試圖將它進行應用。
1999年，前NASA科學家平託在《物理評論》上發表了一篇關於“卡西米爾發動機”思想實驗的論文。這篇論文表明，可以從卡西米爾效應產生持續的能量輸出，他甚至在摘要中說：“在沒有其他解釋的情況下，我們可以得出結論，它（卡西米爾效應）可以給我們帶來無窮無盡的自由能源。”
接下來十幾年裡，又有幾篇類似的論文發表，卡西米爾效應真的可以給我們帶來取之不盡用之不竭的能源嗎？或者它也只是一個新時代的“永動機”呢？
用水波來模擬卡西米爾效應（圖片來源：wiki）
美國科羅拉多大學的加內特·莫德爾教授指出：這類設備取決於假設卡西米爾力是一種非保守力，然而有足夠的證據表明卡西米爾效應是一個保守力。
這是啥意思呢？就好比是說，“零點能”確實存在，但卡西米爾效應是“借”來的，用完還是要還給上帝的。就好比我們從樓梯上跳下來，確實可以給地板一個力，但如果想持續做功，就得重新爬上去。所以，在科學界，有關於利用“零點能”的想法都已經被歸為偽科學，“卡西米爾發動機”真的淪為了新時代的“永動機”。
想利用卡西米爾力？別做夢了……（圖片來源：wiki）
時間也能成為晶體？
2012年，諾獎獲得者威爾切克提出了一個“時間晶體”的概念。我們熟知三維晶體在空間上有重複結構，但隨著時間的推移保持不變。而時間晶體相反，它在時間中重複自己，讓晶體從一個時刻到另一個時刻發生反覆變化。
諾獎獲得者威爾切克在巴黎薩克萊大學發表演講（圖片來源：wiki）
在一段時間裡，主流科學界認為時間晶體不可能存在，但科學家還真的把它“搞”出來了。2016年10月，馬里蘭大學的克里斯托弗·門羅聲稱自己創造了世界上第一個時間晶體。他們首先用電磁場製造出一個離子阱，用脈衝激光轟擊鐿離子鏈，最終他們發現這個離子阱捕獲了10個鐿離子，它們進入一種穩定且重複的自旋翻轉模式。
隨後，哈佛大學的米哈伊爾·盧金也宣稱自己發明了時間晶體，方法是向鑽石中密集充入氮氣。
哈佛大學盧金團隊做的時間晶體，也稱為“哈佛鑽石”（圖片來源：google）
時間晶體概念剛剛提出的時候，就有人設想這是新一代“永動機”。但其實，時間晶體無法被分離出來，它是一個非平衡態的開放體系。因此它並不違反熱力學定律，整個系統的能量是守恆的。時間晶體不會自發地把熱能轉化為機械功，也無法存儲能量。
時間也能成為晶體？這是科學還是科幻？（圖片來源：google）
總之，一系列的故事告訴我們，雖然不能永恆地輸出動力，但其中的研究讓我們對宇宙的認知變得更加深刻，由此，人類文明也上升了好幾個臺階。
下期請看：人類與“永動機”的千年恩怨（五）如何避免掉入“永動機”陷阱？
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