质能转换有多厉害?核聚变只用了一丁点,就惊世骇俗了

2021-11-30 20:23:17 时空通讯
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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。

也就是说1kg的氢,有7g质量转化为能量,根据质能方程计算,可得到6.3*10^14J的能量。这个能量相当于1.75亿度电,或者15万吨TNT炸药爆炸的威力。当然,核聚变也像核裂变一样,受诸多因素影响,效率并不会达到完美的100%。

但不管怎样,这已经是人类现在能够掌握最高效率的质能转化了。

从质能转化率0.7%到100%,这期间还有99.3%的空白,等着人类去发现。未来,人类还能够找到更高效的质能转化方法吗?不知道。但可以肯定的是,越高的质能转化率,转化的条件要求就越高。我相信,人类科学不断发展,总会有新的突破。

最完美的质能转化就是反物质与正物质的碰撞,1kg反物质与1kg正物质湮灭,能够得到2kg的质能转换。不过反物质在我们世界非常稀少,科学家们花费巨大能量实验了几十年,全世界得到的反物质粒子(质子和原子)加起来只有15ng(纳克),全部湮灭还不够烧一杯开水。

当然,也幸好我们世界反物质极少,否则恐怖分子随便弄一把,人类就没办法存在下去了。你说呢?欢迎讨论,感谢阅读。

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