爱因斯坦的质能方程揭示了物质质量与能量的等效关系,让让们知道了质量中蕴含着巨大的能量。
著名的质能方程表达式为:E=MC^?
其中E为能量,单位为焦耳(J);M为质量,单位千克(kg);C为光速,取值约300000000米/秒(m/s)。
根据这个方程,我们可以计算出1克的物质蕴含的能量:
0.001kgx300000000?=90000000000000J
就是1克物质所蕴含的能量为900万亿焦耳。这些能量相当于2500万度电,2152吨TNT炸药的爆炸威力,30多吨煤释放的热量。
可是,人类现在质能转换的能力还很弱,目前掌握的最先进技术还只是核能,而核能的智能转化率只有:核裂变为0.13%,核聚变为0.7%。
现在人类已经掌握了可控核裂变的技术,也就是让核裂变能量持续缓慢的释放,这样就能够利用这种能源为社会生产生活服务,如核发电。
核聚变技术还停留在不可控状态,也就是制造氢弹,一爆而完,“轰”的一声就没了。要是核聚变能够缓慢释放,用于民用还有许多技术难关需要攻克,任重道远。
现在人类只知道1克反物质与1克正物质湮灭能够得到完美的质能转换,质量全部可以转化为能量。除此之外,还没有办法在实践上提升物质的质能的转化率,得到比核聚变更高的能量转化率。
因此只能转化率还是很低的。
但即便如此,人类掌握的质量转化为能量技术也远远胜过了能量转化为质量技术,可以认为,目前的人类还没有掌握把能量转化为质量的开门钥匙。
目前的认知是,能量转化为质量技术要求更高,需要比质能转化高出很多的消耗。
理论上900万亿焦耳的能量可以制造出1克物质。也就是用2500万度电,或者燃烧30多吨煤,或者用1.5颗广岛原子弹的威力,可以制造出1克物质。
但目前人类还远远没有这样的技术水平。
如果要把900万亿焦耳的能量转化为1克物质,这些能量就必须一丝都不能泄露跑掉,才能够质能守恒的将能量回归物质。
人类还完全不知道怎样才能做到这样。
即便真的能够做到这一点,能量要形成不同的物质也有不同的途径和方法,需要精准的把握不同的温度和压力。
因此迄今为止,人们既没有将1克物质全部转化为能量的能力,也没有将900万亿焦耳的能量全部转化为物质的能力。
但人类还是做过一些尝试的,在消耗巨大能量的前提下,得到那么一点微不足道的物质。
比如现在我们知道的118种元素,其中在自然界找到的只有94种,人工合成的有24种。
这24种人工合成的物质就可以认为是通过能量转化成的物质。
人造元素都是通过核聚变做加法的办法合成的。也就是说,通过核聚变,把较轻的元素融合成较重的元素。
这种方法通俗的说,就是用某种元素作为“炮弹”,去轰击另一种元素,“炮弹”要达到很高能量,才会“击穿”原子核的外壳,将自己融入到被轰击的原子核中,这样两个较轻的核就融为一个较重的核,一个新元素就制造出来了。
这个过程也叫核聚变。核聚变是需要极高温度和压力的,形成这些温度和压力当然需要很高的能量。
制造这些元素一般都是在强子对撞机中进行的。方法是将粒子加速到接近光速,轰击某个原子核,这样产生了亿度以上的高温和惊人高压,使两个原子核发生融合。
如用原子序数为5的硼轰击原子序数为98的锎,就得到了原子序数为103的元素铹;用原子序数为24的铬轰击原子序数为82的铅,得到序数为106的元素钅喜。
这些元素都是因为半衰期极短,也就是寿命太短,比如铹的半衰期只有35s,因此在自然界很难得到。
这种方式制造出的人造元素及其微量,只是原子级的,而且只会一瞬间存在。但这些存在被科学家们所捕捉就够了,就证实了这种元素的存在,从而被列入元素周期表,进入人类的认知。
人们还可以用这种方法得到黄金,也就是可以通过能量转换出黄金。
1980年美国劳伦斯伯克利研究所曾经做过一个实验,在高能加速器里用接近光速的铋原子核轰击铋原子核,结果有4个质子破核而出。
铋的原子系数为83,也就是有83个质子。在铋“炮弹”的轰击下,撞飞了靶铋的4个质子,靶标就剩下了79个质子。而金原子的系数正是79,这样,原来的铋原子就变成了金原子了。
用同样的方法,也可以吧82号元素铅变成黄金。不过这种方法目前还只停留在原子阶段。
一个金原子有多大质量?3.269644763×10^-27kg,也就是亿亿亿分之一克,而制造这点微不足道的黄金所花费的能量却是巨大的,其比值实在难以估量。
因此人类现在虽然能够“点石成金”,但代价比黄金本身完全不在一个数量级。
由此可以认为,人类现在根本不具备能量转化为质量的能力。
我们再来了解一下人类制造反物质的代价。
自然界中也有反物质产生,但量及其微小,一般都是原子级以下的。
比如香蕉也会产生反物质,每75分钟会释放出1个正电子,人身上也会释放正电子。
我们知道所有的物质都是由原子组成,而原子核外围的电子都是带负电的。因此,负电子满世界都是,正电子就极少,正电子就是反物质。
反物质一遇到正物质,就会迅速发生湮灭,湮灭的同时,释放出巨大能量。
这个能量有多大呢?就是爱因斯坦质能方程中质能的完美转换,能量的全部释放。
这样如果1克反物质与正物质碰在一起,就会释放出1800万亿焦耳的能量,相当于3颗广岛原子弹爆炸的威力。
幸好我们这个世界反物质极少极少,而且极难保存。因为反物质一遇到正物质就必然湮灭,这个世界充满着正物质,不但我们看得到的都是,看不到的空气也是密密麻麻的气体分子,都是正物质。
所以电子级的反物质一出现,也就是正电子一出现,就与空气中的负电子湮灭了。
一个电子的能量有多大呢?也就是1eV,1eV=1.6×10^-19J,也就是1个电子伏特等于0.00000000000000000016焦耳。
这点能量是我们完全没办法感觉到的。
幸好在我们世界存在的反物质都是电子级的,我们感觉不到它们的湮灭过程。
如果多一点,就没有我们存在的空间了。
正因为反物质存在极少,而且一遇到正物质就会湮灭,极难保存,因此科学家们要捕捉和制造反物质也是极其困难的。
现在科学家们主要还是通过利用大型加速器、强子对撞机,用粒子高速轰击粒子的办法来制造反物质。
一对金原子碰撞理论上会产生500个粒子,其中会产生等量的反粒子。
科学家们通过两个接近光速的金原子对撞,在上万亿度的高温中,不足万亿分之一秒的瞬间,捕捉反氦-4的蛛丝马迹。
这个难度可想而知。科学家们通过对10亿次碰撞产生的5000亿个粒子筛选,探测到了18个反物质氦-4原子核信号,从而得到了迄今为止最重反粒子存在的证据。
保存反物质的办法则是通过制造超低温,这种超低温接近绝对零度,再通过磁约束制造出反物质阱,用这种磁场陷阱把处于低温状态的反物质拘禁起来。
通过几十年努力,科学家们捕捉到了多少反物质呢?
据一些资料介绍,迄今为止,制造和收集到的反物质为:费米实验室15纳克;欧洲核子研究中心(CERN)1纳克;德国电子同步加速器(DESY)2纳克。
这些加起来一共有18纳克,也就是亿分之1.8克。这些反物质全部湮灭所产生的能量,也不足以烧开一杯开水。
而制造反物质需要的能量有多大呢?根据以往制造反物质所花费的能量测算,人类目前所掌握的科学技术能力,制造1克反物质需要花费25x10^15千瓦的能量,也就是25000000000000000千瓦的能量,相当2500亿亿度电。
根据这个能量消耗量来计算,即便按照每度电成本按0.01美元(7分人民币)来计算,1克反物质的制造费用需要250万亿美元。
而全世界2017年国民生产总值才达到80.68万亿美元,也就是说要全世界人民不吃不喝的做3年,还生产不出1克反物质。
所以,那些担心有人制造出反物质来毁灭世界的人可以睡个安稳觉了。
从爱因斯坦质能方程来看,每克物质全部转化为能量可以得到2500万度电;而目前人类要把能量转化为物质,却要花费物质转化为能量的10亿倍。
所以,人类目前还没有掌握能量转化为物质的经济型可行技术,由此可见,人类文明水平还处于较低级阶段,任重道远。
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