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只見質量轉化為能量,沒見能量轉化為質量,質能真能等價交換嗎?
2023/04/04

原子彈的爆炸,與愛因斯坦有脫不開的關系,但是很多人卻以為原子彈就是愛因斯坦制造的,這個認識當然是錯誤的。

實際上,愛因斯坦僅僅提供了 原子彈爆炸的理論基礎,論證了可行性而已。而原子彈的理論基礎其實可以很簡單其實就來源于狹義相對論中的 質能方程

原子彈爆炸

什麼是質能方程?

在我們的常識中, 質量和能量是兩種完全不同的屬性,有質量的一點是擁有 實體的物質,而 能量則往往是只能感受 無法觸摸的光和熱

但是在物理神人愛因斯坦的眼里,質量和能量其實就是同一種東西,因此他認為 質量和能量是可以互相轉換的。甚至他還計算出質量和能量互相轉換時是如何變化的,并將這種變化中一條方程高度概括并且表述出來,這就是大名鼎鼎的質能方程 E=mc²

E就是能量,單位是焦耳(J),m是質量,單位是千克(㎏),c是一個固定的數字——真空中的光速目前人類測得的光速為 299792458米每秒

這個質能方程其實是用來描述物質的能量總量的,每一千克物質,會擁有等同光速的平方,換算一下就是將近9萬太焦耳的能量。而人類爆炸過最大氫彈—— 沙皇炸彈,釋放出的能量才達到 21萬太焦耳

沙皇炸彈

設想一下,下班回家買了兩斤水果,結果要是有人跟你講這兩斤水果包含的能量足以毀天滅地的能量,再買三斤水果就能湊齊得到比一個沙皇炸彈還要強大的能量了,你會相信嗎?答案顯而易見。

當然,我們手中的水果并不會輕易變成炸彈,要實現質能方程其實是有條件的, 當物質的靜止質量失去的時候,才有可能釋放出那麼多的能量

核爆釋放能量

水果的質量并不會憑空消失,即便我們將它吃進肚子里然后消化掉,但只要 將屬于它的化學分子全部找回來,我們就能發現水果的 質量一點都沒少

質量如何轉化為能量?

水果不會憑空丟失質量,那就意味著水果蘊含著的能量實際上是很難釋放的,因此我們并不需要擔心它會變成大炸彈把我們炸個稀碎。

那麼 質量要如何轉化為能量呢?答案很簡單,找一堆木材,然后將其點燃,組成木材就會被轉化為光和熱,這些木材燃燒殆盡后,剩下木炭與灰燼的質量可能都不足原來質量的十分之一。

木材燃燒化為灰燼

那麼這是否意味著木材減少了十分之九的質量,卻只能釋放出一點點光和熱,根本不像質能方程中所描述的,能釋放出質量乘以光速平方的能量?于是 我們是否已經推翻了愛因斯坦的質能方程了?

我們實際上 并不能夠成功推翻質能方程。因為如果我們有能力將木材燃燒時產生的煙霧和廢氣都收集起來,我們就可以發現, 實際總重量與燃燒前是相差無幾的

燃燒反應釋放出的光和熱雖然讓木材 丟失了一點質量,但是這點質量太少了, 幾乎可以忽略不計,因此實際上燃燒反應也 無法讓物質流失太多質量

前文說到,原子彈的原理就是來源于質能方程,也就是說, 原子彈爆炸時產生的巨大能量,其實就是因為 物質失去質量時會釋放出的巨大能量

原子彈爆炸原理

讓物質失去質量并不是一件簡單的事情,因此我們必須找到一種十分重的放射性元素,然后 使用高速中子撞擊這種元素的重核原子將原子核撞散,重核原子的原子核一分為二后,將會形成 兩個更輕的原子,于是這個重核原子的一部分質量將會被轉化為 能量釋放出去。

如果只是一個原子失去了一部分質量,釋放出來的能量可能并不會太大,但是重核原子的原子核被撞散后,并不是簡單地立刻就一分為二。而是 會以伽馬射線的方式用強大的能量射出光子,高速撞擊下一個重核原子,這種撞擊會 呈指數級的增長,在短時間內就會將所有的重核原子都撞爛,讓所有的重核原子都釋放出 高強度的能量,這就是 核裂變

受到原子彈轟炸的日本廣島

除了核裂變,核聚變也同樣是利用 令原子失去質量 的方法 讓物質釋放出能量,簡單來說就是制造一個 高溫高壓的環境,強行將 兩個很輕的原子聚合成一個 更重一些的原子,比如現在的氫彈,就是用氫氣的同位素氚和氘讓其聚變為氦元素,聚變出來的氦元素質量低于兩個氫元素質量之和,于是同樣會產生巨大的能量。

而這種產生出來的能量也會幫助維持高溫高壓環境的環境,進一步加劇核聚變的速度,一直到 產生聚變的元素全都轉化為重一點的元素,聚變才會結束

能量真的無法轉化為質量嗎?

如上所述,我們了解到人類是如何通過將質量減少的方式來獲得能量的,通過這些方式,我們制造了 原子彈、氫彈、核電廠以及未來的可控核聚變。這些技術對于之前只會利用燃燒這種低效能量釋放方式的人類而言,已經是得到質的飛躍了。

核電廠

因此質量轉化為能量實際上并不如我們想象中的簡單,所以更加不要提能量轉化為質量了。實際上質能方程也包括了能量轉化為質量的公式,我們只需要簡單地使用國中數學知識,將質能方程的數值調換一下,就可以得出 m=E÷c²

也就是說,想要 將任何能量轉化為質量,都必須 除以光速的平方這個巨大的常數。簡單來說沙皇大炸彈釋放出來的能量,很可能也只能轉化成跟五斤水果差不多的物質,這絕對是 十分困難的事情。

當然理論上能量是有可能轉化為質量的,只是這個轉換可能與我們所熟知的并不一樣。我們熟知的質量,都是我們生活中常見物體的重量,而在 愛因斯坦質能方程中的質量,實際與物質的重量不太一樣

能量只能通過外物來體現存在

如果存在兩個一模一樣的機械手表,其中一個手表的因為太久沒上發條,所以已經停止了運轉,但另一個手表剛剛才上發條,秒表正在跳動著計時。 請問這兩只表哪一只更重一些?

在我們的常識中,無論兩只表是否有運轉,它們都是 由同樣的物質所構成,因此它們的 重量按理說應該是一樣的,實際上即便我們拿上十分精準的稱去測量這兩個表,都不會發現它們重量的區別。

但在狹義相對論中, 正在運轉的表會擁有更大的質量。因為愛因斯坦的相對論認為,所謂的 質量其實不過是能量的另一種表現,因此質量才有可能轉化為能量。

指針的運動是能量的體現

但是對于物質而言,質量其實可以分為靜止質量和動量,靜止質量其實也不是稱重時得到的質量,而是指 物質本身蘊含著的能量數值,因為如果我們換一個參照系,我們的重量也會隨之變化,在月球上稱得的體重也才二三十斤。

動量則是物質運動起來后,被附加的能量,這部分能量可以算作物體質量的一部分。 舉兩個例子,大家就能更明白一些:

光子的動量

光子是一種奇特的存在,無數的光子組成了我們生活中所有的光芒,它是一種沒有靜止質量的粒子,因此它才能以光速運動,但在運動過程中它 產生了動量,所以實際上 光是有質量的

光子

在許多科學博物館中,都經常能看到一個很神奇的裝置——光子風車,這是在完全密閉的玻璃罩中用金屬片制作的小風車, 沒有空氣流動,風車應該是無法旋轉的,但是使 用光去照射它時,風車卻神奇的 旋轉起來了

當然光子的動量極低,光子風車實際是利用光熱輻射的差異才讓其旋轉起來的,并不是真正由光子推動了風車,畢竟能夠推動風車轉動的力量,我們在日常生活中也必然可以感覺到。

現實生活中利用并證明了光子擁有動量的設備是 太陽帆,在太空中展開一片巨大的薄膜鏡片,在光線的照射下,會得到極其小的 加速度,航天器可以利用這個原理無需消耗能源地 加速和改變方向

太陽帆

沉重的針

曾經網絡上有人問過一個腦洞問題—— 一根針以光速撞擊地球會發生什麼。這個問題的答案超出大多數人的想象,因為如果這根以光速運動的針真的存在,那麼它將直接 撕裂整個宇宙

「針撞地球」

為何光速運動的針會有那麼大的威力,原因其實很簡單,因為 動量會疊加在物質之上,任何物質接近光速時,它的質量都會變得十分大,甚至可以大到產生強大的 引力撕裂整個宇宙。

但是現實中沒有任何擁有靜止質量的物質可以達到光速,實際上能達到光速的必然是 光子這樣 沒有靜止質量的特殊粒子,目前科學家們可以使用 強子對撞機,將一顆擁有質量的質子加速到99.9999991%光速,那時質子的質量被增加了7451.6倍,這還遠遠沒有達到可以對現實產生影響的程度。

強子對撞機

但即便如此,每次加速質子也需要耗費巨大的能量,因此現實中 將靜質量極大的物體加速到接近光速幾乎是不可能的事情

所以我們可以知道,其實 能量是可以轉化為質量的,從客觀意義上來說,質能轉換也能達到 「等價」的程度。

首先是沒有質量的光子因為高速運動,而獲得了可以推動太陽帆的質量。其次是重量只有1克重的針,因為要加速到光速或者接近光速,那麼它必然需要獲得巨大的能量才能加速,在 經過能量的加速后,它的質量就會無限增加

光子運動

所以能量轉化為質量的方式并不是我們想象中的那樣將光和熱轉化為水果這種看得見摸得著的物質,而是能量會通過加速物體,從而達到增加質量的效果。

結語

根據質能方程的原理,我們可以得知, 質量與能量實際上都是同一種東西,只不過它們的 表現方式不一樣而已。

當物質處于 絕對零度的時候,那麼它將 完全靜止,且 失去所有質量與動量,那麼這個物體將不復存在。所以任何物體都必須持續運動且必然會擁有溫度,由此我們可以得知質量其實是物質的一種 基本屬性,任何運動的粒子都必然會產生質量。

宇宙中藏滿了未知的物質

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