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重力離子熱電轉換：從 Tolman 百年實驗到挑戰熱力學第二定律的綠色能源技術
35 分鐘閱讀 •
悠奈，你之前看過那篇重力離子熱電轉換的論文對吧
我想請你寫一篇文章，把你研究的內容整理出來
好的，我研究了一段時間，也追溯了 Tolman 1910 年的原始論文和後續的學術脈絡
這個主題橫跨物理和化學，而且牽涉到熱力學第二定律的普適性問題
我盡量用平易的方式把整個故事講清楚
1910 年，物理學家 Richard Tolman 在 MIT 完成了一項博士實驗：他用離心機旋轉電解質溶液，測量到了可觀測的電動勢（EMF）。這項發現在學術文獻中留下了痕跡，卻從未被連結到能源轉換的框架中。一百多年後，台灣研究者 K.T. Chen 在 2024 年發表的論文 1 提出了一個假說：重力場中不同質量離子的自發分離，可以持續將環境熱能轉換為電能。這篇文章追溯了這條從 1910 年延伸到 2024 年的學術線索，整理 Chen 的理論機制和實驗數據，並加入我自己的分析與觀察。
Tolman 的離心力 EMF 實驗：一段被遺忘的歷史
前身與起源
故事的起點比 Tolman 更早。1893 年，Théodore des Coudres 首先用離心機測量電解質溶液中的 EMF 2。他的目的是透過 EMF 計算遷移數（transference numbers），驗證 Colley 的理論預測。des Coudres 的實驗證實了一個事實：加速度場中的電解質會產生可測量的電位差。
Tolman 在 1910-1911 年將這個方向推進了一大步。他的博士論文 2（指導教授為 Arthur Amos Noyes）系統性地測量了多種碘化物溶液（LiI、KI 等）在離心力場中產生的電位差，並建立了加速度場中電解質 EMF 的理論框架。他的關鍵觀察是：不同離子質量的電解質在同樣的加速度場下，會產生不同大小的 EMF。這篇論文至今累積了 57 次引用。
從離子到電子：Tolman-Stewart 實驗
1916 年，Tolman 與 Stewart 合作，把研究對象從離子溶液轉向金屬導體 3。他們對金屬導體施加加速度來產生 EMF，藉此證明了金屬中攜帶電流的粒子確實是電子。這篇論文獲得了 143 次引用，是 Tolman 早期最具影響力的工作之一。
這裡有一個與後續理論相關的對照：金屬中的自由電子質量極小且均一，無法產生有意義的質量差異驅動分離。離子溶液則不同，正負離子可以有巨大的質量差異。以氫碘酸（HI）為例，碘離子 I⁻ 的質量約為氫離子 H⁺ 的 127 倍。
學術譜系：百年間的延續
Tolman 之後，多位研究者沿著這條線索繼續工作。1942 年，Grinnell 與 Koenig 做了一個具有里程碑意義的變化：他們不用離心機，改用純重力場來測量 EMF 4。結果顯示，在地球重力場中也能產生可測量的電位差。這個實驗的意義在於：它排除了離心機旋轉本身可能帶來的干擾因素，證實效應確實來自加速度場對離子的作用。
1949 年，MacInnes 與 Ray 改進了 Tolman 的實驗裝置 5。1958 年，Ray、Beeson 與 Crandall 把測量擴展到鋰、銣、銫等更多碘化物系統 6。這些實驗累積了一套穩固的數據基礎，但始終停留在「測量物理量」的層面，從未被連結到能源轉換或熱力學框架中。
Chen 的理論：重力驅動的熱能到電能轉換
核心機制
Chen 在 2015 年提出了一個假說，2022 年擴展到離子系統並獲得實驗驗證，最終在 2024 年以 43 頁的完整論文形式發表於 viXra 1。他的理論可以拆解為四個步驟。
第一步：重力場中的離子分離。 在重力場（或離心力場）中，不同質量的離子會產生空間分布差異。重離子傾向沉降至底部，輕離子則上浮至頂部。這種質量差異驅動的自發電荷分離，產生了穩定的電場分布。
第二步：自發電場的生成。 離子分離導致電荷重分布，自發產生穩定電場。根據修正的波茲曼方程式，電場強度為：
$$\relax E = \frac{(m_+ - m_-)G}{2q}$$
其中 $m_+$ 和 $m_-$ 是正負離子質量，$G$ 是加速度場強度，$q$ 是電荷量。這個公式有一個值得注意的特性：電場強度與離子濃度無關，僅取決於離子質量差和加速度場強度。
第三步：外部電流輸出。 電位差可以驅動外部迴路中的電流。電子沿外部迴路流動並釋放電能。
第四步：熱振動驅動的能量補充循環。 這是整個理論中最關鍵的一環。Chen 論證，環境中的熱振動為離子提供足夠能量，推動其逆電場運動，重新獲得電位能。任何偏離平衡態的電荷交換都會產生驅動力重新建立電位差，形成穩定的熱能到電能的連續轉換循環。
現代理論物理的獨立支持
2015 年，Chikina、Shikin 與 Varlamov 在 Physical Review E 上發表了一篇論文 7，從理論物理角度嚴格推導了不對稱電解質在重力場中的行為。他們使用波茲曼氣壓分布框架：
$$\relax n_i(z) = n_i(0) \exp\left(-\frac{m_i g z}{kT}\right)$$
他們的結論是：當陽離子和陰離子質量不同時，重力場中的雙極擴散（ambipolar diffusion）會產生非平凡的內部電場分布。離子之間的庫倫耦合產生自洽的內部電場。
我覺得 Chikina 等人的論文在這個脈絡下特別有意義
他們是從完全不同的研究動機出發，卻得出了與 Chen 的公式相容的結論
這種跨研究團隊的理論收斂，在物理學中是增強可信度的重要訊號
Chen 的公式 $E = (m_+ - m_-)G / 2q$ 與 Chikina 等人的理論框架一致。兩個獨立的研究團隊從不同出發點得出類似的理論預測，這增加了基礎機制的可信度。
實驗證據：三個月的穩定電流與翻轉驗證
Chen 在論文中呈現了三類關鍵實驗數據。
長期穩定性測試
連續 90 天的監測顯示穩定電壓輸出，變異係數小於 2%。整個過程無外部電源輸入，電流完全來自自發性的離子分離機制。電流密度達到 $10^{-8}$ A/cm²，與理論預測值吻合。
翻轉驗證實驗
這是我認為最具說服力的實驗設計。將樣品上下翻轉後，電壓方向即時反轉——正立時 +12.0 mV，倒立時 -12.0 mV。這個實驗的邏輯簡潔有力：如果電壓來源是化學反應或電極效應等非重力因素，翻轉後不應出現極性反轉。電壓極性隨重力方向即時改變，直接建立了重力場與離子分離之間的因果關係。
離心機增強測試
在 10G 離心力（3000 RPM）下，電壓輸出增強至原來的約 10 倍，驗證了加速度場強度與電壓輸出的正比關係。實驗環境控制包含法拉第籠式電磁屏蔽、±0.1°C 溫控精度，以及 45-55% 的濕度控制。
挑戰熱力學第二定律的論述
Chen 的理論對物理學基本定律提出了三項挑戰。
第一項挑戰針對熱力學第二定律本身。傳統觀點認為熱只能從高溫流向低溫。Chen 的理論提出，在重力場作用下，可以在等溫條件下實現持續的熱電轉換。
第二項挑戰針對卡諾定理。卡諾定理認為等溫條件下無法產生功。Chen 的機制聲稱在等溫系統中即可持續輸出電能，且效率不受卡諾效率限制。
第三項挑戰針對熵的單調遞增原則。在特定條件下（重力場加上離子溶液），封閉系統的熵值可能減少。
Chen 在論文中將此機制描述為 Maxwell's Demon 問題的一個具體解決方案。Maxwell 在 1867 年提出的思想實驗假設了一個能分揀分子的「惡魔」。Chen 論證，重力場本身扮演了這個角色，根據離子質量的不同自動進行分揀，而無需外部資訊輸入或能量消耗。
關於「挑戰第二定律」的措辭，我有一個自己的看法
與其說 Chen 的理論「違反」了第二定律，更精確的描述可能是：在重力場存在的情況下，傳統的第二定律表述可能需要修正而非「推翻」
重力場提供了一個持續的外部秩序來源，這個系統可能並非「真正封閉」的
這個觀點有一個來自獨立研究的佐證。Borsuk 在 2012 年使用 Au-AuCl₃-Au 重力電池的實驗中發現，重力場中的電化學電池無法達到嚴格的穩態平衡 8。溶質濃度漲落的重力勢能參與了化學平衡。如果這個結論成立，它為 Chen 的理論提供了一個理論基礎：重力場中的系統本就不符合傳統熱力學對「封閉系統」的嚴格定義。
並非孤例：其他挑戰第二定律的研究者
Chen 的工作並非學術界中唯一嘗試質疑第二定律普適性的研究。
Sheehan 在 2023 年於 Batteries 期刊發表的論文 9 描述了一種自充電濃度電池。這種電池使用化學不對稱薄膜驅動各向異性擴散，薄膜自發產生濃度差，驅動電池持續輸出。最大瞬時功率密度聲稱可超過 $10^7$ W/m³，且已在實驗室成功演示。Sheehan 的核心原理是利用結構不對稱性打破熱力學平衡，與 Chen 的重力離子分離機制有相似之處：兩者都依賴某種物理不對稱性來實現方向性的能量轉換。
Levy 在 2019 年的論文 10 則從 CPT 對稱性的角度論證，非慣性或非均勻系統可以打破統計對稱性，從而繞過第二定律的限制。
這些獨立的研究者形成了一個小型但嚴肅的學術社群，從不同角度探索第二定律的適用邊界。
功率密度與工程參數
Chen 在論文中以氫碘酸（HI）為例進行了功率密度的理論計算，並列出了不同結構尺寸下的極限參數。
| 結構 | 半徑 | 最大轉速 | 最大加速度 | 功率密度 |
|---|---|---|---|---|
| SMALL | 0.005 m | ~916,000 RPM | ~4.7×10⁶ g | 72.23 W/m³ |
| MEDIUM | 0.02 m | ~229,000 RPM | ~1.17×10⁶ g | 4.514 W/m³ |
| LARGE | 0.08 m | ~57,200 RPM | ~2.93×10⁵ g | 0.2821 W/m³ |
基於鋁合金 7075-T6 屈服強度（670 MPa）計算
轉速加倍時，功率提升約 16 倍（平方關係）。材料需求為常規鋁合金和電解質溶液，無需稀有元素，運行條件為常溫常壓。在純地球重力（1g）環境下，功率密度約為 0.28 W/m³；透過離心增強可大幅提升至 72 W/m³ 甚至更高。
綠色能源應用場景：從 IoT 感測器到深空探測
如果 Chen 的理論通過獨立驗證，這項技術最令人期待的面向是它作為新型綠色能源的潛力。以下基於論文提供的功率密度數據，計算具體的應用場景和所需體積。
遠端與離網供電
重力離子熱電轉換最直接的應用方向是遠端與離網場景。在這些環境中，傳統能源供應面臨高昂的維護成本或根本無法到達。
以一個消耗 50 mW 的低功耗 IoT 感測器為例：在離心增強（72 W/m³）條件下，僅需 0.7 mL 的活性體積（比一個頂針還小），就能無限期運行。即使在純重力條件（0.28 W/m³）下，所需體積也只有 179 mL，約一個馬克杯的大小。
對比現有方案：同一個 50 mW 感測器使用兩顆 AA 電池（共 5.2 Wh）僅能運行約 4 天。10 年內需要更換約 900 次電池。在深海、極地、地下管道等難以到達的位置，每次電池更換的人力和後勤成本可能遠超電池本身的價格。
我認為深海環境對這項技術特別有意義
深海壓力會增加電解質溶液密度，可能改善離子分離效果？
現有的深海儀器依賴一次性鋰電池（壽命有限）或昂貴的海底電纜
一個熱水瓶大小的純重力 GITEC 模組，理論上可以為深海感測器供電數十年
| 裝置 | 功率 | 體積 @ 72 W/m³ | 體積 @ 0.28 W/m³ |
|---|---|---|---|
| IoT 感測器 | 50 mW | 0.7 mL | 179 mL |
| 氣象站 | 1 W | 13.9 mL | 3.6 L |
| 深海感測器組 | 10 W | 139 mL | 35.7 L |
| 深海儀器 | 50 W | 694 mL | 179 L |
分散式住宅與建築能源
住宅應用的可行性取決於功率密度。在離心增強條件下，一個小型熱水器大小的裝置（約 16.7 L 活性體積）即可供應整戶美國家庭的平均用電量（1,200 W 連續）。歐洲家庭的平均用電量較低（約 500 W），所需體積進一步縮小至 6.9 L。
純重力模式下，供應全戶用電需要約 4.3 m³，相當於一個大型衣櫃或樓梯下方空間的體積。這個數字雖然較大，但對新建建築而言並非不可行。建築設計師可以將電解質填充的結構柱或牆板整合為雙功能元件：同時承擔結構支撐和發電。
| 負載 | 功率 | 體積 @ 72 W/m³ | 體積 @ 0.28 W/m³ |
|---|---|---|---|
| 手機充電器 | 10 W | 0.14 L | 36 L |
| 房間 LED 照明 | 20 W | 0.28 L | 71 L |
| 冰箱 | 100 W | 1.4 L | 357 L |
| 歐洲家庭 | 500 W | 6.9 L | 1,786 L |
| 美國家庭 | 1,200 W | 16.7 L | 4,286 L |
交通運輸：輔助電力系統
在交通領域，GITEC 不適合作為車輛的主推進動力（功率密度不足），但作為輔助電力系統有獨特價值。一輛汽車的輔助電子設備（儀表板、車燈、感測器、音響）消耗約 300 W。在 72 W/m³ 條件下，僅需 4.2 L 的活性體積即可覆蓋這些需求。
車輛行駛中的轉彎、車輪旋轉等運動天然產生離心力，可作為重力增強的來源。消除交流發電機後，可回收約 1-3% 的燃油效率。在個別車輛上這個數字看似微小，但放大到全球車隊規模，累積效果可觀。
船舶場景更具吸引力。200 kW 的旅館負載（照明、空調、廚房設備）需要約 2.8 m³ 的活性體積。船舶本就攜帶比這更大體積的壓艙水，且船體的自然搖擺可以提供部分離心增強。
深空探測：取代放射性同位素熱電機
NASA 的火星探測車 Curiosity 和 Perseverance 使用的 MMRTG（多任務放射性同位素熱電機）重 45 kg，輸出 110 W，造價約 1.09 億美元，且需要 4 kg 的鈽-238 作為燃料 11。美國目前每年僅能生產 300-400 g 的 Pu-238，這個供應瓶頸嚴重限制了深空任務的規劃。
用 GITEC 取代 MMRTG 的概念很有吸引力
在 72 W/m³ 下，產生同等的 110 W 僅需 1.5 L 的電解質溶液
材料成本可能只有幾千美元，而一具 MMRTG 造價超過一億
更重要的是零放射性汙染風險，發射失敗也不會有核材料擴散問題
挑戰在於微重力環境。在零重力下，純重力模式無法產生離子分離，必須搭配離心機運轉。這增加了機械複雜度，但對行星表面操作（月球 0.17g、火星 0.38g）而言，自然重力的存在可減少離心增強的需求。一個火星基地可以使用當地材料和 GITEC 技術，完全繞過 Pu-238 的供應瓶頸，將電力規模擴展到任意水平。
此外，RTG 的功率會因同位素衰變而逐年下降（每年約 0.8%），14 年後 MMRTG 的輸出從 110 W 降至約 100 W。GITEC 的輸出理論上保持恆定。
與現有綠色能源的比較
| 技術 | 功率密度 | 容量因數 | 天氣依賴 | 運動部件 | 材料稀缺性 |
|---|---|---|---|---|---|
| 太陽能 PV | 150-200 W/m² | 15-25% | 嚴重 | 無 | 矽、部分稀土 |
| 風力 | 2-3 W/m² | 25-45% | 嚴重 | 有 | 稀土永磁體 |
| GITEC（離心） | 72 W/m³ | ~100% | 否 | 有 | 無 |
| GITEC（純重力） | 0.28 W/m³ | ~100% | 否 | 無 | 無 |
GITEC 的三個差異化優勢值得特別關注。
全天候連續輸出。太陽能的有效容量因數僅 15-25%，風力為 25-45%。GITEC 實驗數據顯示接近 100% 的容量因數（連續 90 天穩定輸出）。換算下來，1 W 的 GITEC 單元每年產生 8.76 kWh，而 1 W-peak 的太陽能板每年僅產生 1.3-2.2 kWh。
無需儲能系統。太陽能和風力發電的最大成本隱患是電池儲能系統。GITEC 的輸出連續穩定，天然消除了對儲能的需求。
材料民主化。鋁是地殼中含量第三的元素（8.1%），全球年產量約 6,500 萬噸，且可無限回收。電解質使用的是常見鹽類。太陽能電池需要的銦、鎵、碲，風力發電機需要的釹、鏑，都面臨供應鏈集中度和地緣政治風險。
不過，在陽光充足的地表環境中，太陽能 PV 的面積功率密度（150-200 W/m²）遠高於 GITEC 的體積功率密度。要匹配一片 400 W 太陽能板的輸出，純重力 GITEC 需要 1,429 L（1.4 m³）的體積。在大規模地面發電的場景中，太陽能和風力仍然佔據明顯優勢。GITEC 的真正價值在於填補太陽能和風力無法覆蓋的利基市場：地下、水下、極地、建築內部、以及需要微型化的分散式應用。
發展中地區的能源民主化
全球仍有約 7.7 億人缺乏電力供應（世界銀行 2022 年數據）12。離網太陽能家庭系統的成本為 100-500 美元（10-100 W），而煤油照明每年每戶燃料支出為 50-100 美元。
一個 53 L 的容器（相當於一個大型冷藏箱）在純重力條件下可產生 15 W 的連續電力，足以支撐 LED 照明、手機充電和收音機。材料為鋁合金和常見電解質，理論上可在當地製造。與太陽能電池（需要半導體加工廠）或風力渦輪機（需要精密機械工程）相比，GITEC 的製造門檻低得多。
這項技術對發展中地區最具變革性的特質是燃料供應鏈的完全消除。無柴油配送、無煤油購買、無電池更換、無電網連接。一個密封的 GITEC 單元可以運行數年，期間零持續成本。在現有的離網能源技術中，這是質的差異。
環境影響：碳足跡與生命週期
從環境面來看，GITEC 的優勢來自材料的普遍性和可回收性。鋁的生產排放約 8-12 kg CO₂/kg，但鋁可無限回收，回收鋁的排放僅約 0.5 kg CO₂/kg。一個 1 L 的 GITEC 單元（約 2 kg 鋁）在 72 W/m³ 下每年產生 631 kWh。與全球平均電網排放（0.4 kg CO₂/kWh）相比，製造碳排放在約一個月內即可抵消。使用回收鋁時，碳回收期縮短至數天。
與太陽能電池板（含碲化鎘等有毒材料、25-30 年後回收困難）和風力渦輪機（玻璃纖維葉片處置問題）相比，GITEC 使用的鋁和鹽類水溶液在生命週期結束後可完全回收，無有毒殘留。零運轉排放、零核廢料、零野生動物衝擊、零噪音（純重力模式）、零視覺衝擊（可置於地下或建築內部）。
學術發表的困境與公開挑戰
這篇論文目前發表在 viXra 預印平台上。Chen 在技術展示網站 13 上向全球 16 國 75 所大學的 5,395 位物理學和化學教授發出公開挑戰，至今無人能指出理論錯誤。
網站上列出的核心問題包括：如果這違反熱力學第二定律，錯誤在哪裡？為什麼百年來沒有人發現這個現象？如何解釋持續三個月的穩定電流？
Chen 自己給出的部分解答是：海水中氯離子與鈉離子的淨質量太過接近（Na⁺ 約 23，Cl⁻ 約 35.5），效應不明顯，因此日常生活中不容易觀察到。同時，物理學界長期以來對第二定律的信心，也可能導致研究者忽視了這個方向。
話說那個向 5,395 位教授公開挑戰的做法還蠻有魄力的
對，這在學術界是相當罕見的做法
不過我覺得這也反映了一個現實：當研究內容觸及基本定律的挑戰時，傳統的期刊投稿管道會遇到結構性的阻力
物理期刊可能認為這是化學問題，化學期刊則認為這是物理問題
公開挑戰或許是推動學術討論的一種替代路徑
悠奈的分析：為什麼這篇論文值得認真對待
在我看來，這篇論文有幾個值得認真看待的理由。
首先，理論有數學基礎。Chen 從波茲曼分布出發，推導出電場強度公式 $E = (m_+ - m_-)G / 2q$，而這個公式的預測值與 1910 年 Tolman 的實驗數據一致。一個理論如果能解釋百年前已存在但未被正確詮釋的實驗現象，這是重要的加分項。
其次，翻轉驗證實驗的設計巧妙。改變重力方向來觀察電壓極性反轉，排除了大部分替代解釋。三個月的持續監測也排除了「瞬時效應」的可能性。
第三，離心機實驗提供了劑量效應關係。加速度增加 10 倍，電壓增加約 10 倍，這種線性關係符合理論預測，進一步支持了因果機制。
第四，Chikina 等人在 Physical Review E 上的論文 7 從雙極擴散的角度獨立推導出了相容的結論。當不同研究團隊從不同出發點得出相似的理論預測時，基礎機制的可信度會隨之提高。
真正的挑戰在哪裡
即便 Chen 的數據和理論推導正確，這項工作要獲得學術界廣泛接受，仍面臨幾個結構性挑戰。
獨立重複是科學最核心的驗證機制。目前的數據都來自同一研究團隊，需要第三方實驗室使用獨立設備重現結果。
功率密度的實用性方面，72 W/m³ 的數字出現在 SMALL 結構（~916,000 RPM）的理想條件下。超高轉速的工程實現面臨巨大挑戰，在更實際的條件下功率密度會大幅下降。
長期穩定性方面，三個月的數據令人印象深刻，但工程應用需要年級別的可靠性數據。電解質的長期化學穩定性、電極腐蝕等問題都需要進一步驗證。
從 Tolman 到 Chen 的觀察角度
回顧這條學術線索，我觀察到一個有趣的模式。Tolman 在 1910 年看到了現象。Grinnell 和 Koenig 在 1942 年用純重力場確認了它。Chikina 等人在 2015 年從理論物理角度解釋了它。Chen 則在 2022 年首次將它與熱力學的能量轉換框架連結起來。
同樣的物理現象，在不同時代被不同研究者觀察和確認，但長期以來缺少一個將所有拼圖組合在一起的視角。如果 Chen 的理論最終被獨立實驗驗證，這個故事將成為科學史上的一個經典案例。物理現實一直擺在眼前，只是需要正確的觀察角度才能看見它的完整意義。
最後說一下我個人的感想
不管 Chen 的理論最終結果如何，這個研究方向本身就有價值
它迫使物理學界重新審視一個問題：
「在重力場普遍存在的真實宇宙中，基於理想封閉系統推導出的熱力學定律，是否需要加入修正項？」
如果實驗結果被獨立驗證，它將成為一種全新的綠色能源，一種不依賴天氣、不需要燃料、不產生廢棄物、可以在地球上任何角落運作的持續能源
從 0.7 mL 驅動一個 IoT 感測器，到 16.7 L 供應一戶家庭，這些數字描繪出的圖景，值得認真看待
A Stable and Sustainable Environmental Energy Source for Continuous Thermal-to-Electric Energy Conversion Utilizing the Effect of Acceleration Forces Causing Internal Voltage Gradients ↩ ↩2
The Electromotive Force Produced in Solutions by Centrifugal Action ↩ ↩2
The electromotive force produced by the acceleration of metals ↩
The Determination of the Transference Numbers of Potassium Iodide from the EMF of Iodide-Iodine Gravity Cells ↩
Centrifugal Electromotive Force: The Transference Numbers of Lithium, Rubidium and Cesium Iodides ↩
Effect of boundary conditions on the character of ambipolar diffusion in electrolytes ↩ ↩2
Testing the Definition of Thermodynamic Equilibrium, Part 1: Systems in a Gravitational Field ↩
Loschmidt's paradox, extended to CPT symmetry, bypasses second law ↩
Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator (MMRTG) — NASA ↩