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回顧:只見品質轉化能量,卻不見能量轉化品質,質能真能等價交換嗎?

2024-10-16科學

當愛因史坦寫下質能方程式的那一瞬間,世界因他而發生了改變。

從那一刻開始,品質和能量有了關系,它們兩個不再是完全不相幹的兩個概念。

創造奇跡的愛因史坦

根據愛因史坦的方程式式,品質和能量之間是可以相互轉換的,人類之後的原子時代就是這個方程式最好的表達。

可是,我們似乎從來沒有看到過能量轉化為品質的,這個方程式真的可以順著、逆著推導嗎?

一起走進,品質和能量的世界。

品質和能量

潘朵拉的魔盒

1945年,當一朵蘑菇雲在日本的廣島升起時,愛因史坦透過廣播知道了這件事情,他感嘆了一句, 人類開啟了潘朵拉的魔盒

時間還要退回到 原子彈爆炸的40年前 ,1905年,愛因史坦發表了 劃時代的論文 ,第一次提出 品質和能量的關系

這其中就有一個著名的方程式 E=mc^2 ,這就是改變了人類科學發展的 質能方程式

如果沒有這個方程式,人類的科學會慢至少50年, 這一年也被稱為「奇跡年」,屬於物理的奇跡

愛因史坦和質能方程式

更讓人震驚的是, 狹義相對論 在當時是沒有實驗論證,這在物理學上也是頭一回。

以至於有不少人認為愛因史坦不是人類,他是外星人。

不過愛因史坦並沒有被眼前的成就沖昏了頭腦,10年之後,它再次以 廣義相對論 震驚世界。

一個人,創造了兩個奇跡。

愛因史坦寫下這個方程式式的時候,腦海裏 是宇宙、是世界、是各種物質 ,他並沒有想到這會和原子彈有關。

愛因史坦寫下方程式的時候想的是宇宙

1938年,德國物理學家第一次發現 核分裂 ,當時全世界都害怕德國會將這門技術用到戰爭上。

這項技術的 指導方針,就是愛因史坦的質能方程式

或許正是這個原因,後世人們一直以為,愛因史坦參與了第一枚原子彈的研制。

實際上, 愛因史坦本人沒有參與曼哈頓計劃

質能方程式也從物理奇跡變成了潘朵拉魔盒,誰能想到, 人類歷史上最厲害的武器 ,它的能量 來源於我們根本看不見的原子

參與曼哈頓計劃的歐本海默

既然質能方程式表示了 物質的品質可以轉化為能量 ,一千克物質就能產生3/7個大伊凡的能量,那麽為什麽我們的世界沒有因為品質而爆炸呢?

這是因為, 宏觀物質所具有的品質叫做靜止品質 ,它是 沒有能量的

想要實作質能方程式,必須要 讓靜止品質遺失 ,這樣才能釋放出能量。

原子的結構

一個原子,就呆在那裏,不會產生能量。

當使用一顆中子轟擊它,使它發生分裂, 原子核分裂形成兩個更小的原子 ,這個過程中,會釋放出中子。

這些中子是曾經原子的一部份,現在 已經不屬於原來的體系了 ,原子在核分裂的過程中,靜止品質發生了改變,於是 啟動了質能方程式 ,產生了巨大的能量。

既然品質可以轉化為能量,那麽為何我們沒有看見能量轉化為品質的情況呢?

核分裂的原理

能量與品質

愛因史坦的質能方程式 是可以等價轉換的 ,也就是能量是可以產生品質的,最大的例子就是 宇宙大霹靂

大霹靂之前, 沒有物質,甚至連時間都沒有 ,大霹靂產生的巨大能量,誕生了 原子、電子、中子等粒子 ,之後又誕生了 宏觀的天體 ,某種程度上, 我們人類也是宇宙大霹靂的產物

大霹靂發生大約100億後,它的能量還在繼續,誕生了太陽系,其中就有地球。

地球在之後的時間裏,先後誕生了各種什麽,在200多萬年前,人類的祖先開始出現。

如果 把人類細化 ,我們也是 由各種粒子構成的 這些粒子來源於宇宙

宇宙大霹靂

而我們在現實生活中看不見能量制造品質的情況,是因為,制造一克品質,需要的能量非常巨大,並且制造出來的物質, 宏觀上根本就看不見

這就好比,宇宙大霹靂最開始誕生的是各種粒子,雖然量很大,可這些 都不是宏觀物質

宇宙中的第一顆天體,大約誕生於 大霹靂之後1億年

也就是說, 大伊凡的爆炸會產生品質 ,但是我們看不見,並且在很長的時間裏,這些物質都會以微觀的形式存在。

大霹靂產生物質的順序

質能方程式裏面的品質, 不是我們熟知的宏觀品質

公式上來說,質能是可以等價交換的,可實際情況,質能之間無法做到100%的交換。

因為沒有物質能夠達到光速,人類制造的速度,最快只能達到光速的99.99%以上,無限逼近光速。

唯一具有光速的 光子 沒有靜止品質

光速無法突破

人類還沒有進入質能時代

人類目前所使用能源, 化石能源占據了最大頭 ,燃燒化石能源並不是品質轉化為能量,只是 讓它參與化學反應而已

這種透過燃燒產生的能量,只是能量的最初級, 本質上和燃燒木材是一回事 ,唯一不同的是,化石能源產生的熱比木材多。

此外,人類的太陽能、風能、地熱能、水能等,同樣不是質能。

真正稱得上質能的, 只有核能 ,不管是核融合還是核分裂。

煤燃燒是化學反應

然而,核能目前占據人類能源使用量的很小一部份。

並且雖然有愛因史坦的質能方程式在手,可是核能的使用率卻非常低。

使用 1千克 鈾作為原料,只有 千分之七 可以真正參與分裂反應,也就是7克。

而且, 核能還具有一個副作用 ,那就是 放射線 。一旦發生核泄漏,那麽迎接人類的,是淪陷性的災難。

核電廠的反應,是不可控的,一旦泄露出去,沒有挽救的余地。

難道人類的能源就到此為止了嗎?

核放射線警告標誌

當然不是, 可控核融合 才是人類未來 最理想的能源 。核融合是宇宙中最常見的能量來源, 是恒星發光發熱的原理

如果人類可以模擬太陽的核融合形式,那麽就相當於人類擁有了 一顆永不熄滅的「太陽」

核融合常用的原料是 氫原子 ,當氫原子的同位素氘和氚進行原子核的聚合,靜止品質發生改變,滿足質能方程式,引發核融合反應生成氦原子,並釋放能量和一個中子。

理論上來講, 氫核融合的原料是取之不盡,用之不竭的 ,因此可控核融合無須擔心能源耗盡的一天。

人類已經實作了核融合,難就難在「可控」上。實作可控之日,就是人類文明進入一級之時。

可控核融合

能源的限制

雖然核能占據人類能源的比例並不算很高,但是不可否認它釋放的能量,以及為人類做出了巨大的貢獻。

旅行者1號和2號,好奇號火星車、毅力號火星車,它們的 能量都來自核電池

核電池的壽命在大約80年,能夠保證這些探測器在沒有太陽光的情況下正常運轉。

限制 人類文明晉升道路的最大阻礙,就是能源 。人類之所以會有能源危機,就是因為 沒能在能源上實作質能自由

好奇號火星車

不可否認,人類極度依賴化石能源,然而 化石能源是有限的 ,並且無法再生,屬於一次性產品,用完就完了。

尋找新的能源之路 ,是人類唯一的自救辦法,質能方程式就是愛因史坦給人類最好的禮物,給人類以新的希望。

無法想象,若是沒有質能方程式, 人類將在能源恐懼中走向怎樣的極端

人類的未來不僅是智慧的,還是質能的。當人類可以自由使用質能方程式來獲得能量,那麽能量是無窮無盡的。

人類將突破文明的第一個級別, 步入宇宙文明的行列

宇宙文明

難怪有人會說,愛因史坦是外星人,因為它的理論太過於超前,沒有他,人類將落後50年以上。