质能转换有多厉害？核聚变只用了一丁点，就惊世骇俗了|原子核|核聚变|核裂变|爱因斯坦|粒子

现在人类掌握质能转换率最高的就是核聚变。氢弹爆炸的能量惊天动地，可以毁灭世界，这就是氢核聚变。其实核聚变质能转换率是极小的，约为质量的千分之七，也就是一千克物质只有七克转化为能量，就如此厉害，这是为什么？

这就是质能转换的威力

质能方程是爱因斯坦在一百多年前发现的，是人类对宇宙规律认识的一次巨大突破。

质能方程是描述质量转化为能量，或者能量转化为质量的关系式，有一系列繁杂的论证过程，作为科普这里就不列举这些过程了，最后的结果非常简单明了，即表达为：E=MC^2。

这个公式等号左边E表示能量，单位J（焦耳）；等号右边表示质量M乘以光速C的平方。质量单位为kg（千克），光速单位为m（米），真空光速标准值为299792458m/s（米/秒），如没有特别精确的要求，计算时为了更简单快捷，一般会将光速简化为300000000m/s。

别看这么一个简单的方程式，却让人类的认识发生了突破性的进展，从此，质能守恒替代了过去的质量守恒，更为精准；人们知道了原来质量里面竟蕴含着这么巨大的能量，只要有办法将质量转化为能量，能量就会取之不尽用之不竭。

这个方程的精髓是等价互换，这个等价是指质量和能量是等价的，任何物质只要质量相同，蕴含的能量都是相同的。1kg黄金，1kg炸药，1kg棉花，1kg白菜，其全部转化为能量都是一样多，都是约9*10^16J，这些能量相当于250亿度电，或者2151万吨TNT炸药爆炸的威力。

几千年来，人类获取能量方式都是低效的化学方式

草木、煤炭、燃油通过燃烧取得的能量，都属于化学能源，是通过化学反应获得能量，这种效率是极低的。比如烧煤，1kg标准煤燃烧得到的热能为7000大卡，约为29300962.74592J，这个能量只是质能转化率的0.000000000326。

因此在过去教科书中，质量守恒就是基本正确的，因为消耗的那点能量基本可以忽略不计了。但毕竟还是有一点点损失，因此质量守恒只是相对准确，并不是十分准确，质能守恒才真正准确。

上个世纪人类发现了核能，核能才是通过质能转换获取能量的模式，这是人类获取能量的一次飞跃，但其转换率也是很低的。目前人类了解的质能转换效率，除了正反物质湮灭，还没有任何技术能够将全部质量转化为能量。现在最厉害的核聚变技术，也只能将0.7%的质量转化为能量。

质能转换是等价的，那么能量能够转化为物质吗？

许多人常有疑问：既然质量可以转化为能量，为啥能量不能转化为质量呢？其实这种认识是错误的，质能转换并非单向，而是双向互换，能量同样可以转化为质量，同样适用于质能方程。

要将一点点质量转化为能量的条件都是极其苛刻的，很难的。比如要原子弹、氢弹爆炸这种极端条件，极端高温高压，才能转换出一点点质量。而将能量转化为质量的难度就更大了。

要知道，1kg物质全部转换成能量，可以得到相当于250亿度电，或2151万吨炸药爆炸的威力，这个威力相当于1655颗广岛原子弹同时爆炸威力。根据等价互换原则，就是要这么大威力的能量，一点都不浪费，全部包裹在一个容器里，才能够得到1kg物质。

其实能量转化为物质的质量一直都在发生着，我们宇宙从138亿年前大爆炸那一刻开始，就是纯能量转化为物质质量的过程。

宇宙如何从能量中诞生？

现代量子力学认为，宇宙大爆炸前是没有任何物质的，也没有时间和空间，只有本底能量，就是真空零点能，这个能量非常巨大。

这种能量蕴藏在虚无的真空中，以量子泡沫的方式存在，这些量子泡沫以虚粒子对方式随机出现，又很快湮灭。如果宇宙完全对称和守恒，我们的宇宙就不会出现，现在也就没有我们这些人类在这里瞎扯了。

早年，物理界宇称守恒理论占有统治地位，那时的人们很迷惑，正物质和反物质既然是对称的，正反物质就会随时湮灭，宇宙为什么会出现呢？现在的反物质去哪里了呢？这些疑问一直到杨振宁、李政道的宇称不守恒定律问世，才得到了解答。

原来宇宙只是基本对称守恒的，但并不是完美的，是有破缺的，由此就出现了不守恒现象，那些随时出现随时又湮灭的虚粒子对，有那么一些不守规矩，单个没有湮灭，奇点就出现了。这个奇点爆发并不断膨胀，就出现了我们的世界。

根据这个理论，不守规矩的虚粒子不可能只有我们一个，或许还有许多许多，这就是在我们宇宙之外，还有许多平行宇宙的说法依据。

随着宇宙的冷却，能量转化出我们的世界

在奇点大爆发那一刻，宇宙只有能量，那时的宇宙温度无限高、密度无限大，无法衡量。一直到了普朗克时间，也就是10^-43秒（1000亿亿亿亿亿分之一秒），温度才降到了10^32K（亿亿亿亿K），密度降到10^94g/cm^3（克/立方厘米），这个密度超过质子密度的10^78倍。

随着宇宙的高速扩张，温度也下降很快。大爆炸后10^-12秒（1万亿分之一秒）时，温度降到了10^-15K，各种粒子开始出现，质子、中子、玻色子、中微子、电子、夸克、胶子都出现了，并稳定下来。

这就是宇宙已经从能量中转化出了物质，但这些物质还只是以轻子为主，强子还极少。在很长一段时间里，宇宙温度和密度都还极高，核力还无法束缚中子和质子，连光也无法逃逸，宇宙处于黑暗不透明时代。

一直到了38万年后，宇宙温度降低到了3000K，中性原子才开始结合生成，真正有形物质开始出现，主要是最简单的氢原子和氦原子，还有极少的锂。这些元素飘荡在宇宙空间，由于自身引力作用，开始凝聚成星云，而后生成了恒星、星系。

到这时，我们现在认知的世界出现了，这些都是从能量中转化出来的。

科学家们已经模拟了宇宙大爆炸1秒钟的状态

科学家们在欧洲大型强子对撞机里面，用1045万亿电子伏特强大能量推动，让两束铅离子在27km的地下管道中相向狂奔，当将两束铅离子速度达到光速的99.9999991%时，让它们发生对撞，瞬时产生了10万亿度的高温，出现了一个迷你版的宇宙大爆炸，还原了宇宙大爆炸1秒前的场景，那是一种高温高压下，由夸克和胶子组成浓密的“原始粒子汤”。

这个实验既印证了大爆炸理论的预期，也为能量转化为物质提供了证据。在对撞机的许多次实验中，质量和能量的相互转化都严谨符合爱因斯坦的质能方程计算，由此更证明了这个已经发现了100多年理论的伟大。

在人类世界，主要利用的是质量转化为能量

质量转化为能量的条件很苛刻，目前除了正反物质湮灭，还没有任何技术能够将全部质量转化为能量。现在人类能够掌握的质能转化率最高的技术就是核聚变技术。

人类在上世纪就掌握了核裂变和核聚变技术，但一直到现在，这种技术的可控性还只停留在核裂变上，因此可以用于民用，如核发电等，为人类解决能源问题起到了重大作用。

核聚变除了“轰”的一下氢弹爆炸，还无法做到能量可控地缓慢释放，只有做到了可控缓慢释放，才能够推上民用，造福社会。

核裂变是将重原子核分裂成更小的原子核，在分裂过程中会亏损一部分质量，这个亏损的量很小，理论上只有不到0.1%。现在核裂变技术主要采用两种原料，即铀235和钚239，铀235裂变过程质量损失约为0.0946%，钚239的损失约为0.0961%。

核能是目前人类效率最高的质能转化技术

别看1公斤铀或者钚的裂变，只有不到0.1%的质量转化为能量，但这种能量对于人类过去的化学能源来说，已经是无法比拟的了。我们按照爱因斯坦的质能方程来计算，1公斤核裂变燃料转化出约1g质量的能量，就是9*10^13J，这个能量相当于2500万度电，或25150吨炸药爆炸能量。

当然，这只是理论上完美转化达到的效率，在实际操作中，无法达到这种效率。因为燃料不可能达到100%的纯度，也不可能达到100%的全部裂变反应。比如原子弹爆炸，在裂变反应还没有完全时，就炸散了。据一些资料介绍，广岛原子弹实际效率只达到1.2%，就是这个道理。

核聚变的效率比核裂变又要高多了，太阳和一切恒星能够源源不断的辐射出能量，就是因为其核心持续的进行着核聚变。由于核聚变发生要极高的温度或高压，如何将核聚变能量控制在一个容器里持续缓慢地释放，还是一个全世界正在研究的难题。

核聚变为啥叫“人造小太阳”？

这是由于核聚变模仿的是太阳质能转换方式，因此，人们又把可控核聚变叫做“人造小太阳”。但请大家要厘清的是，人造小太阳不是制造出一个闪闪发光的小太阳照耀着人间，而是利用太阳核心这种核聚变方式获得能量，用于发电或动力，来造福人类。

事实上，人造小太阳只是一个巨大的机器，这种机器叫托卡马克装置（见上图），核聚变反应就控制在这个机器里进行。

可控核聚变要解决的最大难题有两个，一个是要将亿度高温约束在一个笼子里，而世界上没有任何物质能够耐受如此高温。现在对核聚变高温等离子体约束采用的主要有磁约束和惯性约束，过去讲过多次，这次就不细讲了。

另一个难点就是能量输入与输出比，只有输出比输入大一定数量级时，这个技术才有价值。点燃核聚变需要很高点火温度，也就需要输入很大能量，如果输入能量比输出能量还大，或者只小一点点，就没什么价值了。

现在这两个难点都在不断克服，各国都取得了不少进展，在这个领域中国走在了世界前列，约束核聚变高温等离子体的温度和时间在不断延长，现在实现了1.2亿度约束101秒的突破。

但这种指标距离可控核聚变真正实现商业应用，显然还有很大的差距。

核聚变质能转化率依然很低，未来还有更高的吗？

越重的元素核聚变条件要求越苛刻，如氦核聚变温度就至少要2亿度以上。因此现在可控核聚变还只能从最轻的元素~氢开始，因为这种聚变要求的温度条件是最低的。地球上的可控氢核聚变，通俗地说，就是在1亿℃温度条件下，氢原子核不断融合成更重的氦原子核的过程，这个过程会有0.7%的质量转化为能量，比核裂变质能转化率高出6倍。