人类已经能够按照E=mc^2将质量转化成能量,但能否反过来用能量生成1g质量呢?
▍人类已经能够按照E=mc^2将质量转化成能量,但能否反过来用能量生成1g质量呢?
大家可以查一下元素周期表,表上所有原子序数比铁更大的元素,都是聚变时,吸收能量形成的。
大家知道,轻元素比如氢原子聚变时,多个原子聚变成一个重原子,原子序数增加,质量会减少,同时向外释放能量。氢弹就是用这种原理。
恒星上发生的核聚变都是这类反应,但是大质量恒星最多只能聚变到铁,因为聚变形成铁以上的元素就不是释放能量,失去质量了,而是吸收能量增加质量了。
而今天所有的重元素又都是怎么来的呢?答案是超新星爆发。只有超大质量恒星生命末期,坍缩成中子星或者黑洞以前,那大爆发,会产生出人类难以想象的能量,在这样的环境下,才诞生出各种铁(原子序数56)以后的重元素。
▍人类已经能够按照E=mc^2将质量转化成能量,但能否反过来用能量生成1g质量呢?
从爱因斯坦的狭义相对论中,可以推导出著名的质能方程:
E=mc^2
其中E为能量,m为质量,c为真空中的光速(299792458米/秒)。
从中我们知道,任何物质都蕴含着巨大的能量。通过计算可知,只要大约1.1吨的物质完全转化为能量,就相当于全人类目前一年所消耗的能量。原子弹、氢弹、恒星以及正反物质湮灭都是利用了质量转变为能量的原理,所以这些过程才会产生巨大的能量,例如,之所以太阳每秒能够产生3.8×10^26焦耳的能量,是因为每秒有大约426万吨的氢原子核转变为能量。
既然质量能够转变成能量,那么,能量反过来能否产生质量呢?
根据质能方程,质量和能量在本质上是等价的,这意味着它们之间能够互相转换,物质可以从纯能量中产生(m=E/c^2)。只是这个过程在目前十分罕见,但在宇宙的最初时刻决定了宇宙的未来。
能量转化为质量
根据宇宙学标准模型,宇宙起始于138亿年前,最初的宇宙中并没有物质和空间,只有一个拥有无限温度和密度的奇点。当宇宙诞生时,纯能量转化成各种正反粒子对。正反粒子对相遇之后,它们会发生湮灭,又再次转化为能量。
但由于某种不对称的过程,纯能量所产生的正物质粒子略多于反物质粒子,导致反物质粒子几乎被湮灭殆尽,宇宙中只剩下了一些正物质粒子。迄今为止,宇宙学家还不清楚究竟是什么原因让正粒子略多于反粒子。
随着空间的膨胀,宇宙温度逐渐下降,正物质粒子最终逐渐结合形成了中性原子。随着时间的推移,中性原子结合在一起形成了宇宙中的各种天体,乃至地球生命。也就是说,组成生命和非生命的各种原子最初都是源自于纯能量。不过,组成我们身上的原子现在很难转变为纯能量,除非与反物质的我们发生湮灭。
另外,物理学家在实验中也有可能实现能量产生质量的过程。根据布莱特-惠勒过程,如果让两个能量非常高的光子(伽马光子)互相碰撞,将会产生一对正反粒子对——电子和正电子,这意味着物质从能量中创造出来。目前,物理学家正在尝试把光转变为物质。一旦成功,意义非凡。
根据质能方程计算,如果要制造出1克物质,需要消耗大约9×10^13焦耳的能量,这相当于3070吨标准煤完全燃烧之后所产生的能量(可见化学反应的能效非常低)。基于目前的观测结果,可观测宇宙中的物质总重至少为10^53千克,这意味着宇宙最初至少有9×10^69焦耳的能量转化为物质。
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人类已经能够按照E=mc^2将质量转化成能量,但能否反过来用能量生成1g质量呢?
质量转换成能量的例子很多,距离我们最现实的案例是核裂变,重核裂变-质量亏损-转换能量!而稍稍遥远一些的案例是核聚变,比如ITER正在埋头苦干的氘氚核聚变,希望将质子聚变的质量亏损从原子核的禁锢中释放出来,虽然距离还比较远,但这仍然是最具希望的事业!而能量转换成质量的案例,尽管理论上并没有什么问题,但事实操作起来可能还不是一般的困难!
一、一克质量需要多少能量来转换?
其实计算并不困难,因为用爱因斯坦的质能转换公式还算下即可计算出来!
E=MC^2=0.001×299792458^2=89875517873681.764J
一吨TNT的能量约为:4184000000J
那么相当于:21480.76吨TNT的能量
即需要一枚广岛原子弹的能量才能在理论上生成约1g的质量!
二、有什么途径可以将能量转换成质量?
“夸克相变温度”也许能给我们一些指导!这是一个强子物质(仍然由夸克以及反夸克与胶子组成的“普通物质”)到“夸克胶子等离子体”的温度!这个相变温度约为175MeV,相当于2万亿摄氏度!
在这个温度条件下,物质将以夸克胶子等离子体状态存在,而这个温度也足够高!夸克-反夸克可以这之中自发产生!这是一个纯能量转化质量的关键温度!在这个温度条件下,只要远远不断输入能量,那么将会转换为有质量的基本粒子。简单的说,这是一个能量与质量之间转换的门槛!
三、我们能达到这个温度吗?
其实上文的夸克相变温度就是美国布鲁克海汶国家实验室中的相对论重离子对撞机(RHIC),将两束金原子核加速到接近光速后碰撞,用采集到的净强子数分布的特征与与格点量子色动力学的计算后,以重子数密度为零的条件计算出夸克相变温度!
准确的说我们是计算出了这个温度,而在加速器的极度加速下也是用物质创造出了接近与这个温度的条件,但我们却没有技术以纯能量的形式达到这个温度,即没有物质的条件,但事实上这其实也不可能,只不过用高能粒子对撞这种条件来创造能量转换为质量的条件,是不是有种脱裤子放屁的感觉?当然不会,这也许是我们通向透彻理解宇宙大爆炸道路上的最后一个关卡,再往后是什么?
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质能方程的由来
要了解这个问题,我们就要先把质能方程搞明白。或者说,我们应该搞明白的是物质、质量和能量这三者的关系。
这要从1905年说起了,这一年是爱因斯坦人生当中最高光的时刻了。在这一年,爱因斯坦接连发表了多篇开创性论文。(都是超越诺奖级的发现)其中,最后两篇后来被我们统称为狭义相对论。
质能方程就是发表在这一年的最后一篇论文当中。所以,要理解质能方程的前提,就得先搞清楚狭义相对论到底是咋回事?
那我们就得把时间轴继续往前推,在爱因斯坦之前,科学家界出现了两场巨大的危机,分别是:以太和黑体辐射。
后者催生了量子力学,而前者就催生了相对论。所谓的“以太”其实是科学家假想出来的一个东西。具体来说问题就出在了光速上了,在牛顿力学中并不存在绝对的速度,也就是说,不存在在任何惯性坐标系下都跑得一样快的情况。可偏偏麦克斯韦提出的麦克斯韦方程求出来的光速是没有参考系的,也就是说,麦克斯韦理论推导出来的光速在任何惯性参考系下速度应该都一样,两者也就是相互矛盾了。
于是,科学家就假定了有“以太”是光传递的介质,以此来消除这个矛盾,可惜,许多科学家通过各种实验,最终证明了“以太”并不存在,其中比较有名的就是迈克尔孙莫雷实验。
而此时很多科学家都很纳闷,想不出到底哪出了问题。这时候爱因斯坦就在牛顿和麦克斯韦的基础上,从双方的理论体系中提炼出了两条基本假设:
相对性原理光速不变原理并仅用这两条搭建了整个狭义相对论的理论框架,整个过程有点类似于我们初中在做几何推理题。也从这时候开始,爱因斯坦颠覆了人类关于运动的认识,他发现,运动会改变一个运动物体的时间和空间,以此提出了时间膨胀和尺缩效应,并且发表了一篇论文。
后来他继续深挖,于是他又发现,运动还会改变一个物体的质量,并且通过动能定理求解,得到了质能方程。
但是得到了方程并不代表就能懂得其中的物理学含义。那该如何理解呢?
其实这部分的理解是关于相对论最大的误区,在许多科普中在描述原子弹爆炸时,都会说“质量转化了能量”。发现没有?这里直接描述成了转换关系。但是,我们要知道,爱因斯坦的这篇论文可是叫做《质能等价》,他要表述其实等价关系。也就是说,质量和能量其实是一回事,是一个物体的两个面,质量里有能量,能量里有质量,质能方程只是描述了它们之间的对应关系。(由于这个误区的根深蒂固,所以现在讲述这部分的大学教材都在着重强调,不信,你可以随意翻一本讲了质能方程的大学教材。)
也就是说,原子弹爆发,其实是损失了一部分的质量,这部分质量以能量的形式释放出来。如果,我们让一颗原子弹在一个封闭的空间里引爆,这个空间和外界没有任何的能量交换,如果有个理想的秤,我们称量这个封闭空间就会发现,它至始至终是没有发生任何变化的。
了解了这些,我们再回到物质、质量和能量,其实质量和能量都描述了物质,我们可以说物质有多少质量,同时还可以说它含有多少能量。
所以,实际上物理学中的对于能量和质量的定义是和大多数人现象中的不同的,而能量和物质之间的关系也和大多数人想象中的不太一样。
能量和物质
所以,其实很多人纳闷的其实是,所谓的“纯能量”是不是可以转化为所谓“物质”。那我们继续拆解,物质其实是由原子构成的,原子是由电子和原子核构成的,原子核是由质子和中子构成的。当然,再往下还能分到夸克。
也就是说,其实这个问题可以变成所谓的“纯能量”或者我们说“光子”是不是可以转化成“物质粒子”。答案是:可以,只要温度足够高就行。
这其实就和宇宙大爆炸有关,在宇宙大爆炸初期,宇宙的温度很高很高,在那个环境下,光子的能量特别高,当一对光子的能量要高于一对电子和正电子的能量时,这对光子碰撞就可以产生一对电子和正电子,前提是温度达到了60亿度左右。而质子、中子、π介子等粒子也可以通过这个方式得到,只不过所要求的的温度不同,我们管这个温度称为阈值温度。
不过,如果我们仔细看就会发现,是同时产生一堆正反粒子,也就是说,这对正反粒子其实还可以再湮灭转化成“纯能量”。
而我们如今的宇宙是正物质所主导,这是因为在宇宙早期,每10亿对正反粒子对撞,都会留下一个正粒子,不过科学家还没有搞清楚具体的原因。不过,毫不过分地说,如今构成万物的一切粒子都是10亿分之一的幸存者。
▍人类已经能够按照E=mc^2将质量转化成能量,但能否反过来用能量生成1g质量呢?
理论上可以,而且如今我们见到的宇宙万事万物都是能量转化为质量(物质)的结果。宇宙在诞生初期没有任何物质,只有纯能量,而之后的物质都是由能量转化过来的,这不就是能量转化为质量最好的见证吗?
为何如今人类很难做到把能量转化为质量呢?
很明显,人类在大自然面前太渺小了,大自然的力量是我们无法想象的。有些人经常这样问:人类科技已经能制造原子弹了,为何制造不出一粒米?
原子弹是人类科技产物,一粒米是大自然产物,两者没有任何可比性!
理论上讲,能量转化为质量的过程就是转化为能量的逆过程,这意味着需要极其庞大的能量才能转化为极少的质量,更重要的是如何操控如此庞大的能量,而是这个过程中需要的很可能不仅仅有能量!
拿核聚变为例,核聚变过程中除了纯能量,还有中微子,正电子等产生,这也意味着,把这个过程反过来,除了有纯能量,还需要有中微子,正电子等物质的参与!而且,纯理论分析,比如有恰到好处的能量才可以!
想想大自然的力量该有多么恐怖,它用能量制造了如今我们所见到的一切,而如今的人类连一粒米都制造不出来!
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