能量不能憑空產生,也不能憑空消失,不同能量之間可以互相轉化。能量守恒定律肯定是對的,但對的也不一定能使能量輕易變成物質質量。當然能量都對應著質量,這從愛因斯坦的質能關系式中可以看出。
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不過,愛因斯坦的質能關系式E=mC^2只是揭示了物質能量和質量之間對應的數量關系,而非指一定能轉化。實際上能量和質量之間的轉化很難,別說能量很難轉化為質量,即使質量轉化為能量也很難。大家千萬不要把日常的燃燒、爆炸,簡單地看成是質量轉化為能量。燃燒、爆炸屬于化學反應,它們遵循質量守恒定律,也就是說,這個過程中質量并沒有減少,質量并沒有轉化為能量,只是不同能量之間的轉化,是貯存在物質里的化學能轉化為內能。
從質量轉化為能量的轉化實質顯示其轉化的不易
典型的質量轉化為能量的例子就是核變反應。
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無論是原子彈的重核裂變,還是氫彈的輕氦聚變,都伴隨著質量虧損,人們用愛因斯坦的質能關系式ΔE=ΔmC^2,來計算虧損的質量轉化成了多少能量。先不說到底是不是質量轉化為了能量,咱先說說核變反應的不易,首先要開采鈾、钚等核裂變材料,它們是極為稀有的放射性金屬元素,鈾元素在地殼中的平均含量只有百萬分之二,只少數國家有儲量,屬于戰略物資。
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接下來就是提純,就是人們常說的鈾濃縮,使鈾235(鈾的一種同位素,可進行核裂變)相對鈾238的相對豐度至少要達到3%以上,這需要大量的離心機。核材料準備好了,還要研制核反應堆,這還只是核裂變,核聚變裝置更麻煩,世界上常溫下的核聚變裝置至今還沒有研制成功,
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總之這些工程都是國家層面的,非個人能夠輕易實現的。
另外,所謂出現“質量虧損”的核變反應,實際上反應前后,構成原子核的質子和中子的數量和種類一樣沒少,減少的是核子(質子和中子)之間以及組成核子的三個夸克之間傳遞強相互作用的膠子形成的束縛質量,
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膠子本身雖然沒有質量,但膠子傳遞強相互作用產生的束縛能所形成的質量比夸克本身的質量大得多。比如說一個質子的質量為938MeV/C2,而構成質子的三個價夸克的質量僅為11MeV/C2,大部分質量都是膠子帶來的。大多數重元素原子核的總質量大于組成原子核的各單個質子和中子的質量之和,這個差值就是膠子的部分束縛能質量,
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而非實物粒子本身的消失和轉化,所以說到底質量在轉化為能量的過程中出現的“質量虧損”,“虧損”的還是能量。由此可見,質量轉化為能量是非常難的,質量守恒定律還是很有道理的。
能量轉化為質量難上加難
至于能量轉化為質量就更難了,因為這需要超高能和超高輻射溫度。經研究計算結果,由能量生成一個電子需要的閾值溫度為62億度,而生成一個質子需要10萬億度。人工雖然可以創造數萬億度,比如說美國相對論重離子加速器2010年時曾創造4萬億氏度,
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但維持時間太短且能量有限,這種溫度只能產生電子。至于所需超高能量,根據△E=mC^2,如果生成1克物質就需要8.98x10^13焦耳的能量,相當于2萬噸TNT當量,比當年廣島原子彈當量都大,這是不可想象的。那在自然環境中呢?
在自然環境中,只有宇宙大爆炸初期才具有那么高的溫度,像我們太陽內部核心溫度只有一千多萬度,這意味著絕大部分物質都應該是在宇宙誕生之初產生的。事實也的確如此,根據宇宙大爆炸理論,
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在宇宙誕生之初的普朗克時間內(10^-44秒數量級),隨著宇宙的膨脹,溫度從最高普朗克溫度(1.416833x10^32K)開始下降,當然這時沒有任何物質粒子產生,只有能量的輻射。在誕生10^-43秒時,比夸克和電子更基本的粒子產生了,在10^-34秒時,溫度也下降到10^27K,這時夸克和電子產生了。
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宇宙誕生0.1到1秒時,溫度也下降到1子000萬億度到100億度,這時質子、中子和介子等組成物質的粒子種類全部誕生。在宇宙誕生3分鐘時,溫度也下降到10億度,氫、氦、鋰等輕元素產生了,物質正式宣告誕生。
從上面的敘述可以看出,能量生成物質的最低溫度至少需要10億度以上,我們人類目前沒有辦法創造像宇宙大爆炸初期的環境,因此到目前為止,人工還沒有辦法能大規模生成(1克以上)物質。
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目前人們只能在實驗室里用一對高能光子(能量)對撞產生正負電子對(物質)來舉例說明能量轉化為質量。