當愛因斯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,質素和能量有了關系,它們兩個不再是完全不相幹的兩個概念。
創造奇跡的愛因斯坦
根據愛因斯坦的方程式式,質素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質素的,這個方程式真的可以順著、逆著推導嗎?
一起走進,質素和能量的世界。
質素和能量
潘朵拉的魔盒
1945年,當一朵蘑菇雲在日本的廣島升起時,愛因斯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,愛因斯坦發表了 劃時代的論文 ,第一次提出 質素和能量的關系 。
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 。
愛因斯坦和質能方程式
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斯坦不是人類,他是外星人。
不過愛因斯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。
愛因斯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。
愛因斯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,就是愛因斯坦的質能方程式 。
或許正是這個原因,後世人們一直以為,愛因斯坦參與了第一枚原子彈的研制。
實際上, 愛因斯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 物質的質素可以轉化為能量 ,一千克物質就能產生3/7個大伊萬的能量,那麽為什麽我們的世界沒有因為質素而爆炸呢?
這是因為, 宏觀物質所具有的質素叫做靜止質素 ,它是 沒有能量的 。
想要實作質能方程式,必須要 讓靜止質素遺失 ,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,使它發生裂變, 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,靜止質素發生了改變,於是 啟動了質能方程式 ,產生了巨大的能量。
既然質素可以轉化為能量,那麽為何我們沒有看見能量轉化為質素的情況呢?
核分裂的原理
能量與質素
愛因斯坦的質能方程式 是可以等價轉換的 ,也就是能量是可以產生質素的,最大的例子就是 宇宙大爆炸 。
大爆炸之前, 沒有物質,甚至連時間都沒有 ,大爆炸產生的巨大能量,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爆炸的產物 。
大爆炸發生大約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 。
宇宙大爆炸
而我們在現實生活中看不見能量制造質素的情況,是因為,制造一克質素,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,宇宙大爆炸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 大爆炸之後1億年 。
也就是說, 大伊萬的爆炸會產生質素 ,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。
大爆炸產生物質的順序
質能方程式裏面的質素, 不是我們熟知的宏觀質素 。
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 , 沒有靜止質素 。
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質素轉化為能量,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 ,不管是核聚變還是核分裂。
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。
並且雖然有愛因斯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 可以真正參與裂變反應,也就是7克。
而且, 核能還具有一個副作用 ,那就是 輻射 。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?
核輻射警告標誌
當然不是, 可控核聚變 才是人類未來 最理想的能源 。核聚變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聚變形式,那麽就相當於人類擁有了 一顆永不熄滅的「太陽」 。
核聚變常用的原料是 氫原子 ,當氫原子的同位素氘和氚進行原子核的聚合,靜止質素發生改變,滿足質能方程式,引發核聚變反應生成氦原子,並釋放能量和一個中子。
理論上來講, 氫核聚變的原料是取之不盡,用之不竭的 ,因此可控核聚變無須擔心能源耗盡的一天。
人類已經實作了核聚變,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。
可控核聚變
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斯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能的,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,愛因斯坦是外星人,因為它的理論太過於超前,沒有他,人類將落後50年以上。