科学家经常告诉我们,核聚变能量密度达 10^17 焦耳 / 立方米,是化石能源的百万倍,那么很多人会有所疑问,既然核聚变已如此强大,为何说有能源让它不配提鞋,这种宇宙最强能源又是怎么被人类找到的呢?
其实核聚变虽然是目前已知的高效能源,但物理学家们却发现了一种能量潜力远超它的存在 —— 零点能,如核心理论依据就是量子力学的不确定性原理,假如我们把一个粒子冷却到绝对零度,也就是 - 273.15℃,那么通过测量粒子的位置和动量,便可以证实零点能的存在。
如果能精确计算真空环境中的能量波动,还可以进一步确定零点能的理论储量。不过不确定性原理仅能证明其存在,而要量化和探测零点能,那么就需要借助卡西米尔效应。
所谓零点能就是量子真空状态下,粒子因不确定性原理产生的固有能量,即使在没有任何物质的绝对真空中,也存在着持续的能量波动。零点能中包含着宇宙最本源的能量信息,其能量密度由量子场的真空期望值决定,因此,零点能的探测难度反映了量子真空的特性。
物理学家在长期的研究中发现,真空能量密度越大,零点能的可利用潜力越强,同时其波动频率也越高。也就是说通过真空波动的强度就能大概的推测出零点能的储量,目前我们最常用的零点能分类模型,是美国物理学家惠勒在 20 世纪 60 年代提出的量子真空能级模型。
该模型将零点能按真空波动强度分为三个等级:
如一级零点能:真空波动振幅 10^-35 米,能量密度 10^113 焦耳 / 立方米,是核聚变的 10^96 倍以上
二级零点能:真空波动振幅 10^-20 米,能量密度 10^53 焦耳 / 立方米,是核聚变的 10^36 倍
三级零点能:真空波动振幅 10^-10 米,能量密度 10^19 焦耳 / 立方米,是核聚变的 100 倍
通过零点能等级分类我们可以得知,即使是最低级的零点能,能量密度也远超核聚变,因为一级零点能的能量密度是核聚变的 10^96 倍,所以零点能被称为宇宙最强能源实至名归。通过对零点能的分析不仅能够知道其能量强度,还能了解宇宙真空的本质。
根据物理学家的研究发现,零点能的储量与真空体积成正比关系,也就是说可观测宇宙的真空范围越大,零点能的总储量越惊人。我们知道零点能的存在基础是量子真空的非空性,由于微观世界中粒子无法完全静止,真空始终处于动态波动中,而这种波动产生的能量没有损耗,在整个宇宙中持续存在,因此零点能的总储量几乎无限。
因此一级零点能的理论储量,仅 1 立方厘米真空就相当于 10^19 吨标准煤的能量,而整个可观测宇宙的零点能总量,足以支撑宇宙膨胀数百亿年。由此通过分析零点能的等级,就能够确定其无可匹敌的能源潜力。
那么这种宇宙最强能源是如何被人类发现的呢?虽然零点能隐藏在真空之中难以探测,但我们仍可以通过很多方法证实它的存在。
第一种是卡西米尔效应实验,卡西米尔效应一般用于直接探测零点能。并且需要用到两块平行的金属板。因为金属板会限制板间的真空波动模式,而我们在实验室中测量两块板之间的吸引力,那么将吸引力的数值代入量子场论公式,就可以计算出零点能的作用强度。
第二种是真空衰变理论,真空衰变是宇宙中一种潜在的量子现象,真空状态会在高能级和低能级之间转换,这个过程我们称之为真空跃迁。并且它的跃迁幅度越大,释放的零点能就越多,而物理学家通过计算真空跃迁的能量差,就可以估算出零点能的实际储量。
第三个是量子隧穿效应,在上个世纪的 80 年代,一个来自德国的物理学家克劳斯在研究粒子隧穿时,发现了一个现象,那就是粒子穿越能量势垒时,会从真空环境中短暂借用能量,所谓量子隧穿效应是粒子在能量不足的情况下,依然能突破势垒的量子现象,反之如果粒子能量充足,就会直接越过势垒,也就是经典力学中的穿越现象。
由此当时克劳斯得出结论,粒子借用的能量正是零点能,并且还发现粒子隧穿的概率与零点能波动强度正相关。这意味着我们只要测出粒子隧穿的成功率,再结合量子场论公式,就可以知道零点能的真实强度。
因此当物理学家告诉我们,零点能是宇宙最强能源,并非是夸大其词,而是通过量子力学实验和理论推导得出来的!虽然目前还无法大规模利用零点能,但是随着科学技术的不断进步,相信未来将会实现能源革命。