互动科普

能量充满着真空。但是否如某些人所设想的那样，有大量的能量可供我们开发利用呢?恐怕不是这样。

不付分文就可得到收入——这就是得克萨斯州奥斯汀高级研究所为什么要摆弄那些潺潺流水、超声波换能器、测热的量热器、绘图软件以及其它技术玩意(其中有些似乎是土法上马的装置)的原因。不要把这家实验室同另一个名称相似、但名气却要大得多的机构一一新泽西州普林斯顿高级研究所——混淆起来。阿尔伯特·爱因斯坦和其他物理学家曾在普林斯顿高级研究所探索时间和空间的根本奥秘，而奥斯汀高级研究所的组成则远不那么显赫，但它的目标却是同样了不起的。该研究所的研究人员在试验一些其发明人声称可以从真空中获取能量的机器。

当然，关于永动机和其它种种自由能装置的说法，至今仍然阴魂不散，尽管这类装置无一例外地被证明是违背了至少一条热力学定律。不过，真空中存在能量却是千真万确的。现代物理学理论认为，真空盖不是空无一物的地方。即使温度降到绝对零度(在绝对零度下，所有分子运动都停止了)，真空中仍然充满了看不见的活动。

人们并不知道真空中究竟蕴藏了多少“零点能”。某些宇宙学家推测，在宇宙诞生之初——当时宇宙各处的条件比较接近于黑洞内的情况——真空能量很高，甚至可能引发了大爆炸。现在真空能量水平应当低于那时。但有少数几位乐观派认为，只要我们知道如何开发利用，仍然有丰富的能量宝藏在等待着我们。这些具有反潮流勇气的人提出，零点能可以解释“冷聚变”、惯性以及其它一些现象，有朝一日可能成为用于推进空间飞行器的“负质量”系统的一个组成部分。在为公共广播公司的“科学美国人新边疆”(Scientific American Frontiers)专题节目录制的一篇采访报导中(于1997年11月播放)，奥斯汀高级研究所所长Harold E. Puthoff指出：“对于这个领域中的狂热分子(比如我们自己)，我们认为二十一世纪可能是个零点能世纪。”

大多数物理学家不同意这个想入非非的怪念头有的人甚至认为此种乐观情绪不过是伪科学而已，它可能分散本来将会用于正经研究的科研资金。传统观念认为，真空中的能量是很少的。事实上，如果真空中蕴藏了无穷的能量，那么宇宙的性质将会大不相同：那时人们沿直线方向看出去所能看到的距离将不超过几公里。洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家Peter W．Milonni——他在1994年写了篇文章来论述这个问题。名为“量子真空”——说：“真空有些神秘之处。但人们真的得十分小心，不要过于天真地看待这个问题。"也在洛斯阿拉莫斯的Steve K．Lamoreaux说得更尖刻：那帮鼓吹零点能的家伙搞宣传和自我推销倒是能手，不过对于从事真正，有意义的科学研究就不是内行了。”

关于零点能的设想来自量子力学中的一个著名概念(量子力学就是解释接近原子尺寸的粒子行为的科学)具体地说就是，零点能来自海森堡的不确定性原理，此原理限制了测量的精度。德国物理学家维纳·海森堡在1927年确定，不可能同时以较高的精确度得知一个粒子的位置和动量。如果知道了粒子的确切位置，那么它的动量就完全不知道，反之亦然。这就是为什么当温度降到绝对零度时粒子必定仍然在振动的道理。如果粒子完全停下来，那么它的动量和位置就可以同时精确地知道，而这是违反不确定性原理的。

同位置与动量一样，能量与时间也服从海森堡的不确定性原理。因此，真空中必定存在着残余能量：要确认此能量为零，就必须永远对该空间区域进行能量测量。此外，根据爱因斯坦的质能关系式E=mc2，真空能量必定能够产生粒子。这些转瞬即逝的粒子闪电般地出现，在不确定性原理所规定的一段时间到了后又消失得无影无踪。

零点能——它来自所有各种类型的力场，包括电磁场、引力场和核力场等——通过几种方式表现出来，多数方式只有物理学家才清楚。一种方式是兰姆位移即受激原子发出的光的频率的轻微改变。零点能的另一种表现形式是电子和光学仪器中可记录到的一类特殊的不可避免的低电平噪声。

然而，最明显的例子大概要算卡西米尔效应了。1948年，荷兰物理学家H．B．G．卡西米尔计算出，两块靠得足够近的金属板将会非常轻微地相互吸引。其理由在于，这两块金。属板之间的狭小距离只容许真空能量中较小的高频电磁成分(模式)存在于其间，其它那些较大的成分则被金属板挡在外面。在某种意义上，每块金属板相当于一段飞机机翼，在它的一侧造成低压，而在另一侧造成高压。作用在两侧的力之差使金属板互相靠拢。

Lamoreaux在华盛顿大学时对卡西米尔效应进行了最精确的测量。在他的学生Dev Sen的协助下，Lamoreaux采用镀金石英表面作为他的金属板。一块板固定一个灵敏的扭摆的端部。如果该板向着另外一块板移动，则摆就会发生扭转。一台激光器可以以0. 01微米的精度测量扭摆的扭转。向1组压电元件施加的一股电流使一块卡西米尔板移动：而一个电子反馈系统则抵销这一移动，使扭摆保持静止。零点能效应就表现为保持摆的位置所需的电流量的变化。Lamoreaux发现，这两块板产生了约100微达因的力(1微达因为1毫微牛顿)。Lamoreaux说，这一大小的力相当于一个血细胞在地球引力场中的重量".该结果与卡西米尔对这一特殊的板间距和几何构形所预测的力相差不超过5％。

零点装置的效果为零

证明零点能的存在是一回事，提取出有用数量的零点能又是另一回事。Puthoff研究所一他把这个研究所比喻为一个微型的标准局——在过去十年中考察了约10种装置，并发现它们全都没有作用。

有一种设想据推测依靠的是声致发光(即声音转变为光)的原理，该设想的俄国发明人声称它能够产生数千瓦的额外热量。将声波作用于水可使水中产生气泡，在适当的条件下，这样产生出的气泡将坍缩韭发出闪光。传统理论用激波来解释声致发光：坍缩气泡内发出激波，激波使气泡内部加热到发出闪光的温度。

依据已故的诺贝尔奖金获得者Julian Schwinger的研究成果，几位研究人员提出零点能是闪光的原因。基本的想法是，气泡表面应当起着类似于卡西米尔力金属板的作用：当气泡收缩时，它就开始把真空能量中较大的成份驱赶出去，这部分能量就转化为光。尽管有这样一种理论，Puthof和他的同事ScottLittle多次地试验了该装置调整了其细节，但从未发现有额外能量。

Puthoff认为，原子(而不是气泡)提供了更佳的途径。他的设想依赖于一个未经证明的假设：零点能就是使原子中的电子不停地绕核运动的能量。在经典物理学中，象轨道电子这种不停地循环运动的电荷将迎过辐射丧失能量：Puthoff认为，他电子能够保持绕核运动的能量就足电子不断吸收的零点能(量子力的最初表述形式认为原子中的电，必定具有某一最低的基态能)。

物理学家已经证明，一个足够小的空腔能够抑制被捕获的激发粒予释放一定能量，从而进人较低能态的这样一种自然倾向(见《科学》1993年8月号Serge Haroche和Jean-Michel Raimond所著“空腔的量子电动力学”一文)。概要说来就是，空腔非常小，以致能够排除某些低频真空涨落，而受激原子正是需要有这些涨落才能发射光并进入较低的能级。空腔实际上控制了真空涨落。

Puthoff推想道，在适当的条件下，人们实际上可以操纵真空，使一个新的、更低的基态出现。这样电子就将进入这个较低的基态——实际上原子也就变得更小——并在这一过程中释放出某些能量。Puthoff说：“这就意味着注入空腔的氢或氚可能产生额外的能量。”他指出，这一可能性或许可以用来解释冷聚变实验，换句话说，先前报导的冷聚变试验中有时出现的肯定结果可能真的是零点能的表现(而不是人们所认为的那样是研究人员一厢情愿的想法)。

但是，对空腔量子电动力学的研究在实验上本身就是非常困难的，所以并不清楚从“收缩原子”中获得的能量在多大程度上是实用的。奥斯汀研究所目前正在试验一种可以被认为是“摆弄”真空的装置，但Puthoff拒绝透露其细节，宣称他同此装置的设计者之间订有专利权保密协议。

无中能生多少有?

开发利用真空的这些尝试的基础是这样一个假定：真空巾蕴含有值得开发的足够多的能量。即使只考虑电磁力的涨落，量子力学的数学计算也表明任何给定体积的真空巾可能含有无穷多的真空能量频率——因而含有无穷大的能量。(这还没有把其它力贡献的能量计算进去)。据零点能的狂热鼓吹者们说，这一片能量的汪洋大海我们基本上是看不见的，因为它是完全均匀的，从四面八方对我们施加影响以致作用于任何物体上的净力均为零。

但是，从公式中推导出一个无穷大量并不等于实际上存在一个无穷大量。事实上，物理学家们常常对方程进行“重整化”以去掉无穷大量，这样他们就能够赋予他们的数以物理意义。这方面的一个例子是根据理论原理计算电子质量。这一计算从表面上看给出一个不现实的无穷大质量。对于真空能的计算，可能也需要玩同样的一类数学戏法。Milonni说：“反正能量为无穷的概念是过于天真了。”

事实上，若干迹象表明，真空中的能量少得不值一提。可以粗略地认为，Lamoreaux的实验从真空中取出了10-15焦耳的能量。这一微不足道的能量似乎是确凿不移的证据，证明从真空巾不可能取得很多的能量。但是Puthoff反驳说，卡西米尔板是宏观物体。为了获得实用的能量提取，需要有很多块板，比如1023块板。对于依靠微小粒子(如原子)的系统来说，这是可行的。他声称：“我们可以失之于此而收之于彼——尽管每次相互作用的能量极小，许多次棚互作用累积起来就可以达到相当大的数字了。”

Milonni对此的答复是，Lamoreaux的板本身也是由原子构成的，所以实际上已经有1023个粒子参与其中。根据他的计算，卡西米尔效应之微弱仍然表明，为了产生哪怕是只有1公斤的力，金属板的长度也需要达到几公里。况且，从互相靠近的金属板中提取能量是有代价的。Milonni说：“你还得把两块金属板再拉开。”

真空中只存在微少能量的另一个证据是，时间和空间的构造总的来说是非常平坦的，尽管在物体附近稍微有些弯曲。在空间中画一个三角形，它的三个内角之和为180度，正如在一张放平的纸上所画的三角形那样。(相反，球面上的三角形的内角和大于180度.)由于能量与质量是等价的，而质量产生引力，因此宇宙学家们预计富含能量的真空将产生一个强引力场，使我们如今所观察到的时空发生畸变，而整个宇宙将以另一种不同的方式演化。

这一论据与宇宙常数有关(宇宙常数是爱因斯坦最初提出而后又放弃了的一个概念)。在描述宇宙状态的方程中，宇宙常数——它包含了零点能——在某种意义上是一个能够抵消引力的项。天文观测表明，这个常数必定几乎为零。因此，如果零点能真的非常大，那么必定存在作为宇宙常数组成部分的另外某个力来抵消它。而正如得克萨斯大学的物理学家Steven Weinberg在他1992年的著作《终极理论之梦》(Dreams of a Final Theory)中所指出的那样，这种抵消显得极为不自然：避免了无穷大项的计算所得出的真空能量比近于零的宇宙常数值大出120个数量级，因此，这另外一种力必定与真空能相反，而其大小则直到120个小数位上都与真空能相同。

Puthoff回答说，宇宙常数与真空能量之间的关系比人们通常意识到的更复杂。他认为：“很明显，零点能问题和宇宙常数尽管有联系，但却真正是不同的问题”，并且指出，量子力学的预言已经一而再、再而三地被证明是正确的，宇宙学家们的思想中必定还漏掉了什么东西。

科学界中这样的争论是司空见惯的，特别是鉴于人们对零点能的确切了解还非常之少。但是这些认为开发零点能是一项值得尝试的事情的未来电力巨头们却激怒了某些主流派科学家。Lamo­reaux在公布了他关于卡西米尔效应的实验结果后，被零点能的狂热鼓吹者们捧到明星的地位。对此他说：“我竟受到了在我看来一帮十分古怪的人的注意，这令我深为失望。这些人滥用了我的研究成果，使其变成浅薄无聊的东西。”不过，他指责说，更加令人烦恼的是，“这些伪科学家们还获得了经费——大概是政府拨款——来进行他们的研究工作。”

Puthoff的研究所得到了少许的政府资助，但他们的资金大部分来自同私营公司签订的合同。其他人则更明显地得到了政府资金的资助。1997年8月，国家航空航天局主办了一个名为“突破性推进物理学研讨会”的会议。据与会者们说，零点能成了那些试图确定应当探索何种“突破”的人的热门话题。

零点能在推进上的应用与Puthoff洛克希德公司帕洛阿尔托研究实验室的Bernhard Haisch以及长滩加利福尼亚州立大学的Alfonso Rueda在1994年提出的一项猜想有关。他们认为，惯性一一即物体在受到加速时表现出的抵抗加速的现象——来自于物体在穿过零点场运动时的阻力效应。Puthoff推想，由于零点场在量子实验中是可以操纵的，因此，应当能够设法减小一个物体的惯性，从而(对火箭来说)可以减少燃料负担。Puthoff和他的同事们一直在尝试证明这一惯性起源假说一一一个灵敏的摆应当能检测出运动物体留下的零点能"尾波"一一但Puthoff宣称他们尚未能把他们的系统隔离得足够充分以证明此假说.

传统科学家们严厉抨击航空航天局把钱花在这样一个没有多少正经科学气味的会议上。Milonni抱怨说：“我们几乎不谈论这些方案的物理学依据。”他又补充说，在一次会议上，“有个家伙谈论什么星际投射(astral projection)。”

那些看来新颖古怪但可能具有革命性意义的设想肯定应该占有一席之地，但不应该以牺牲正经科研为代价。Milonni最后说：“人们应当解放思想，但我至今看到的这类想法都是违背能量守恒的。”在评估零点能方案时，最好是记住一条古老的教训：如果某件事听起来好得不象真的，那么它可能就不是真的。

图l 虚拟粒子可以自发地从量子涨落的能量中产生。这些粒子以物质-反物质对的形式出现，它们可以相互作用，但是，根据海森堡的不确定性原理，它们必定在普朗克常数h所规定的一段时间内消失。

图3 卡西米尔效应是真空中量子涨落所引起的两块平行金属板的运动。这两块金属板靠得非常近。以致在它们之间只能容纳小的涨落。较大的涨落模式被挡在外面(上)。较大的涨落给金属板施加的总的力比较小的涨落大，因此推动金属板彼此靠近。现在在洛斯阿拉莫斯国家实验室的Steve K. Lamoream (依靠一个扭摆观察到了卡西米尔效应(左)。向压电堆施加的电流倾向于使扭摆上的卡西米尔板移动。而补偿板则使扭摆保持静止，防止摆的扭转所需的电E就作为量度卡西米尔效应的一个数值。

图4 据称从一台利用超声生成气泡的机器获取了零点能(右)。得克萨斯州奥斯汀高级研究所所长Harolcl E. Puthoff (下)在对这类装置进行试验。至今尚未发现任何装置产生出净能量收益。