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核能在高级文明眼中只算打火机!只有反物质,才是终极能源?
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2023.12.21 黑龙江

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根据科学家的研究得出,人类诞生于数百万年前,在200多万年前,猿类生物生活在地球上,当时地球上还生活着很多其它凶猛的生物,猿类生物为了能够长久的发展下去,它们选择了群居生活,群居生活不仅仅能够促进彼此之间相互交流的机会,还能够有效的抵抗外来侵略者,科学家经过研究发现,频繁的交流能够使猿类的大脑变得越来越聪明,由于猿类生物长期在一起生活,所以猿类的大脑变得越来越聪明,最终成功进化为人类,人类从诞生以后就开始不断的研究世界的奥秘,现在人类能够走出地球探索宇宙,这说明人类科技发展的速度很快,人类之所以能够有如此之快的发展速度,离不开地球上的资源,目前人类利用的地球资源有化石燃料、水利能、核能、风能、煤炭、石油等等。

煤炭和石油对于人类来说都是比较常见的能源,根据科学家的研究得出,煤炭是由森林演化而来的,在距今5000万年前的古生代,当时地球的气候温暖湿润,氧气含量充沛,非常适宜动植物的生长,到处都生长着大片的森林,这些植物死亡以后,随着地壳运动被慢慢埋在地底,长期和空气隔绝,在高温高压的作用下,经历了复杂的物理化学变化,逐渐转变为能够燃烧的黑色化石,这就是煤炭,目前我国的煤炭储量非常丰富,其中已经探明的煤炭储量已经达到了7241亿吨,其中生产和在建的储量大约是1868亿吨,煤炭的分布非常广泛,主要集中在山西、内蒙、陕西、宁夏、甘肃、河南等地。人类对煤炭的使用历史非常悠久,古代对于煤炭的利用能够追溯到上古时期。

相传女娲炼石补天用的就是煤炭。当时女娲设灶台以煤炭为能源,燃烧煤炭炼就补天之石,弥补天上的大洞。后来古代的学者都将女娲炼石补天尊为利用煤炭的先例,明代的顾炎武就说过此即后世烧煤之始”。虽然女娲补天是个传说并不可行,但是女娲补天的地方山西平定确实是盛产煤炭的地方,那里很早就有捡拾露天的煤块来烧火的了。早在两千五百年前的古代著作《山海经》中就有关于煤炭的记载,书中称作“石湟”。在考古发掘中发现了六千年以前的石器时代有“煤雕”,可以证明那个时候的人们就已经会使用煤炭了。后来的夏朝以及商朝因为生产力低下,基本上也是以捡煤为主,但是使用上比较普遍。

到了周朝的时候,煤炭开采初步形成,并且开始完善,之后人类对煤炭的利用越来越多,现在人类依然对煤炭进行使用,除了煤炭之外,我们平时常见的资源还有石油,关于石油的形成,在科学界有很多说法,其中一种就是生物成油说,这个说法最早是由罗蒙诺索夫提出的,他认为,在远古时期,地球上有很多动物、植物和微生物,这些动植物死亡以后就会被埋葬在地下,经过日积月累的沉淀,会形成沉淀物,然后经过地质变迁,最终就会形成沉积岩,这些沉积岩在一定的高温下,就慢慢形成了石油,除了这个说法之外,还有的科学家认为,石油并不是动植物形成的,而是 地球内部的碳氢化合物形成的,如果按照这个说法来看的话,那么地球任何区域都应该存在石油,但是目前科学家发现的最古老的油田形成于5亿年前,而这个时期正是寒武纪生命大爆发之后。

所以说,石油是地球内部的碳氢化合物形成的,这个观点有些站不住脚,石油形成的条件比较苛刻,需要经过数百万年的高温和高压作用变化才能够形成,根据科学家的研究得出,在人类文明初期的时候,就已经开始对石油进行利用了,石油被人类称为是化学燃料,主要是因为它百分之90的产量都是被用作燃料,比如说我们平时开的汽车,火车、轮船、飞机等等,化石能量其中包括石油、天然气、煤炭等等,在人类进入工业革命之后,煤炭是最重要的化石燃料,但是内燃机出现以后,石油的使用成为了人类最重要的化石燃料。不过煤炭和石油对于人类来说并不是最强大的能源,现在人类正在利用核能。

核能简单来说就是发生核反应时放出的能量,就和煤炭燃烧、天然气燃烧类似,核燃料燃烧也会释放出能量,从微观的角度来说,煤和天然气的燃烧发生了化学反应,化学反应就是分子打乱为原子重新组合的过程,在这个过程中吸热、放热,和化学反应不同的是,核能是发生于原子内部原子核量级的反应,核反应过程中,发生亏损,根据爱因斯坦的质能方程式E=mc2,亏损的质量以能量的形式释放出来,由于c等于光速,平方后能量非常大,所以亏损很少的质量就能够释放出非常巨大的能量,核能在上个世纪的时候就取得了巨大的发展,第二次世界大战的时候,核能就起到了非常重要的作用,比如说原子弹,原子弹就是利用原子核链式核反应发出的。

伴随着强烈的光热辐射,冲击波和产生放射性的具有巨大的杀伤力和破坏性的武器,在1955年的时候美国第一次将采用压水堆核动力潜艇送入海洋,并且在1957年的时候,建成了第一个和商用核电站,由此开启了在和平年代利用核能的先河,在航天领域,核能也是航天发展的重点,几十年的航天活动中,人类最长使用的就是化学能和太阳能,不过随着升空探测的发展,这两种能源受到了很大的限制,今天核能占了世界能源中的10%。有439座核电厂,分布在31个国家。2015年大约有70座新核电厂施工中。他们所处的国家大多发展迅速。总而言之,世界上有116座新核电厂在计划中。大多数的核电厂使用25年前的老技术。有80%以上的各式轻水反应炉。

不过对于人类来说,核能并不是人类探索的终极能量,反物质才是人类目前探索的终极能源,目前制造1克反物质,成本高达62.5万亿美元,看到这里,相信很多人都会产生一个疑问,反物质到底是什么?在我们的世界中,一切物质都是由正物质构成的,所谓反物质就是和我们世界的物质相反的东西,实际上,这不只是一种猜测,而是一种真实的东西,提到反物质,就不得不说英国物理学家狄拉克,他将薛定谔方程和相对论联系在一起,研究出了狄拉克方程,在1905年的时候,爱因斯坦利用狭义相对论改变了世界,他提出了光速不变的原理,并且他将空间和时间统一起来引入了时空。爱因斯坦意识到,要描述接近光速运动的物体,我们必须将时空视为一个统一的实体。

因此我们必须平等对待空间和时间,这是薛定谔方程问题的症结所在。如果我们看一下没有任何势的薛定谔方程,也就是自由粒子的方程:

我们会看到在方程左边有一个关于空间的二阶导,由拉普拉斯算子表示。而在方程右边,我们有一个关于时间的一阶导数,因此薛定谔方程没有平等地对待空间和时间。这就是薛定谔方程不适用于描述时空的原因,因此也不适用于描述快速运动的物体。这意味着薛定谔方程无法与相对论方程兼容,不能正确描述接近光速运动的物体。为了解决这个问题,最初狄拉克提出了以下解决方案:

首先,这个方程有点像薛定谔方程,也有点像克莱因-戈登方程。因为在这种形式下,它基本上就是薛定谔方程和克莱因-戈登方程的平方根的杂交。在方程等号的左边,P表示的是动量算子,动量的定义是空间分量的一阶导数。在方程等式的右边,它看起来就像薛定谔方程,有时间分量的一阶导数。因此,在这个方程中,空间和时间都是一阶的,这正是我们需要的。这是狄拉克最初的提议,也是最初的狄拉克方程。通过狄拉克的方程,科学家预测出了反粒子,不过当时没有人相信反粒子,所以当时科学家们一致认为狄拉克方程式错误的,不过在1932年的时候,正电子和反电子被发现,完全符合了狄拉克的预测,狄拉克提出的电子运动的相对论性量子力学方程,预言了反物质的存在,为物理学世界打开了一个新大陆。

在利用这个方程研究氢原子能级分布时,考虑到自旋角动量的电子作高速运动时的相对论性效应,给出了氢原子能级的精细结构,这和后来卡尔.安德森在实验中发现的一致,在1956年的时候,美国科学家考克发现了反中子,反物质被证实真实存在,直到1955年的时候,欧洲核子研究中心首次成功研制出反氢原子,表明人类拥有了制造反物质的能力。反物质是目前人类已知物质质量转化为能力最大最完美的释放,它的转化率能够达到百分之百,世界上没有任何物质或者是技术制造出来的能量能够和反物质相媲美,现在我们人类掌握的最大质量转化技术就是核聚变。质量转化为能量的比率大约是百分之0.7,也就是1kg物质能够转化出7g的能量,只是反物质转化率的142分之一。

根据爱因斯坦的质能方程式E=mc^2,这里的E表示能量,单位J(焦耳);M表示质量,单位kg(千克);C表示光速,单位m(米)。根据这个方程计算,1g(克)反物质全部释放的能量约9*10^13J。但反物质湮灭需要有正物质的参与,1g反物质会严格与1g正物质发生湮灭,所以就会爆发出2g的能量,即1.8*10^14J。这个能量有多大呢?每kw/h(千瓦/时,1度)电能相当于3600000J,每吨TNT炸药爆炸能量相当于4184000000J。因此1g反物质与1g正物质湮灭,就会产生相当5000万度电,或者说4.3万吨TNT炸药的爆炸威力。目前科学家在实验室中经过14年不断的努力,一共制造出了100万亿个反氢原子,数量看上去非常庞大,但是重量可以忽略不计,因为它们只有10^-10次方的重量,按照这个实验成本计算下来,制造1克反物质,需要花费62.5万亿美元。

以目前的人类认知来看,反物质就是人类的终极能源,而且反物质是一种非常清洁的能源,它和正物质碰撞湮灭的过程中,不仅仅能够释放全部的能量,而且更重要的是它不会产生大量的废弃物质,它会和正物质一起消失,不留一点痕迹,同时反物质能量也可以成为宇宙飞船的重要燃料,从而推动飞船提升速度,目前的火箭等航天器,主要还是依赖石化能源,超大的体积和重量限制了火箭的速度。如果使用反物质则可以大幅减少能源的重量和体积,而且输出功率更高。据科学家推算,使用反物质能量的飞船,最高速度可以达到光速的70%。这样的速度意味着,人类可以在45分钟内,从地球抵达火星,而不是现在的半年多时间。近地行星实现“一小时交通圈”,人类探索宇宙的范围将大幅提升。

距离地球最近的一颗比邻星,大约在4.2光年的距离,以现在航天器的速度,根本是可望不可及,而如果有了反物质能量飞船,人类可以用6年的时间抵达这个区域,轻松实现星际跨越。既然反物质如此强大,为什么科学家在宇宙中无法找到大量的反物质?按理来说,物质和反物质同时诞生于大爆炸,似乎是成对出现的,但是我们今天所能够观察到的宇宙基本上都是由物质所组成的,几乎找不到反物质的的存在,物质和反物质在宇宙中的含量如此极端,其中的原因到底是什么?按照物理学的理论,反物质和物质之间最基本的区别在于两者带有相反的电荷,比如说一个质子带一个正电荷,一个反质子带一个负电荷。如果说反物质和物质互为镜像,那么只存在电荷符号的差异,反物质世界的演变过程和我们物质世界所经历的演变过程不会有什么不同。

宇宙中的反氢和反氦会凝聚成反物质恒星,并在反物质恒星的核心中心融合出更重的反物质元素,或许宇宙中还会出现反物质生命,而事实和我们所想的不一样,反物质在宇宙中基本不存在,为了解释这个现象,科学家也做了很多努力,我国著名物理学家杨振宁和李政道解开了这个奥秘,在1956年的时候,杨振宁和李政道注意到了一些粒子衰变实验的异常,比如某些类型的β衰变(这是一种放射性衰变形式)。他们发现,如果这些过程是宇称守恒的,那么理论计算和实验结果就无法匹配。为了解释这种不一致,他们提出了一个大胆的假设:宇称在弱相互作用中可能不守恒。这个惊人的假设立即引起了物理学界的震动。当时,人们普遍认为宇称对称性是自然界的基本对称性之一,这个假设挑战了这一观点。

然后,美国物理学家吴健雄和她的团队在实验中证明了杨振宁和李政道的理论。她们研究了钴-60原子的β衰变,并发现衰变产生的电子更倾向于向一侧发射,而不是均匀分布。这个结果证明了宇称不守恒,这是一个具有里程碑意义的发现,彻底改变了物理学的面貌。宇称不守恒虽然看起来是个非常深奥的物理概念,但它实际上影响了我们生活中的许多方面。首先,它使我们对基本物理定律有了更深入的理解。宇称不守恒的发现改变了我们对宇称对称性的理解,从而促进了量子场论、粒子物理学等领域的发展。这一发现被认为是20世纪最重要的科学突破之一。其次,宇称不守恒在科学和工程领域有实际应用。例如,某些类型的放射性衰变——β衰变,涉及到弱相互作用力,因此受到宇称不守恒的影响。这一现象在核能工程、医疗设备以及许多科技产品中有广泛应用。

同时这个理论解释了宇宙中的反物质数量稀少的原因,由于宇宙中的物质并不是完全对称的,所以宇宙中的正物质数量要多于反物质,这也是为什么人类在宇宙中无法寻找到反物质的原因,在很多科幻电影中,经常会出现曲速引擎,跳跃引擎等等非,这些基本上都是以反物质作为推进能源,人类目前所掌握的能源,无法达到这种效果,只要人类掌握了大量的反物质,实现星际旅行都不是梦,曲速引擎就是将一个物体前面的空间迅速弯曲缩小,物体后面的空间快速的扩大,就像是在后面吹气球将物体挤向前,物体在曲速泡内以亚光速飞行。在进行曲速飞行的时候,正物质和反物质的湮灭,能够产生超高温度的等离子体。

然后这些等离子体被输送到曲速引起舱中,在等离子体通过曲速引起舱的时候,能够产生一系列配套的能量场,这些能量场能够被操控,用于控制星舰航行的速度,而且这些能量场能够制造出一个包裹住整个星舰的曲速泡,而曲速泡内的空间并不会改变,能量场在创造曲速泡的同时,会不断的弯曲缩小星舰外部的空间,并且星际后面的空间快速的扩大,就像是在物体的后方使用作用力一样,不断的推进物体前进,就目前的概念来说,曲速引擎能够分为很多等级,比如说一级曲速引擎的速度能够达到光速,而目前最高的等级是9.9级,它的速度能够达到光速的3000多倍,也就是说飞出太阳系只需要不到3个小时就可以了,即使是飞出银河系,也只需要30多年的时间。

不过即便是这样,人类想要探索宇宙边缘的奥秘,也还是非常困难,毕竟人类的寿命有限,而银河系在宇宙中只是一个非常小的星系,目前银河系的范围达到了20万光年,比银河系大的星系还有很多,比如说本星系群、室女座超星系团、拉尼亚凯亚超星系团等等,人类现在能够观察到的宇宙直径达到了930亿光年,而这并不是宇宙的全部范围,宇宙到底有多大?目前科学家也在积极的研究当中,所以人类想要探索宇宙的奥秘,还需要继续努力才行,除非人类能够找到传说中的虫洞,相信很多人都听说过虫洞,虫洞在很早的时候就被科学家提出来了,大约在100多年前,物理学家路德维希.费莱姆就提出了虫洞的概念,之后爱因斯坦在研究引力场方程的时候做出了这样一个假设:

黑洞和白洞能够直接形成虫洞,通过穿越虫洞就能够实现时空转移和时间旅行,对于黑洞来说,相信很多人都比较了解,黑洞其实就是一个引力非常大的奇点,它能够吞噬任何物质,任何进入黑洞视界范围内的物质,都会被黑洞的引力所吞噬,而白洞的性质和黑洞完全相反,任何物质和光都无法进入黑洞,而白洞只是广义相对论中推导出来的一种洞,目前还没有任何证据来支撑它的存在,虫洞最早出现在广义相对论的史瓦西解中,科学家了解了时空并不是平坦的,而是可以弯曲的,当大质量恒星形成黑洞时,就是使得时空无限的向下坍塌,测底线几乎会和原来的时空相互垂直。于是科学家就想:黑洞内部应该会和时空的另一个部分连接起来,黑洞的另一端就是白洞,而中间连接的部分就叫做白洞。

黑洞和白洞之间由虫洞连接,可以在黑洞和白洞之间传送物质。但是还有一点要说明,物质在进入黑洞时会被完全的分解到亚原子级别,最后才能通过虫洞传送到白洞然后出来。那么白洞是不是真的存在宇宙当中?白洞是对爱因斯坦方程的史瓦西解,通过时间反演得到的数学概念,白洞的存在还会和热力学定律产生矛盾,总的来说,关于白洞是不是存在目前还是一个未知数,虫洞和白洞情况差不多,虫洞也有严格定义上的数学形式,而且关于虫洞的理论也非常多,但事实上科学家并没有在宇宙中发现虫洞的痕迹,不过目前科学家也无法否定它的存在,因为宇宙中的神秘天体实在是太多了,说不定未来的某一天,人类能够找到虫洞。

人类对于虫洞、曲速引擎来说还是比较遥远的,现在科学家还在积极的探索反物质的奥秘,虽然现在人类能够在实验室中制造出反物质来,但是人类制造出的反物质数量实在是太低了,而且这点反物质产生的能量还不足以烧开一壶热水,其次,想要制造出反物质来,需要投入大量的能量,而制备出的反物质产生的能量还不足以弥补制造反物质所消耗的能量,耗费能量花费金钱多,这是目前反物质制造过程中的难点,而且反物质的保存同样困难,毕竟反物质遇到正物质,就会发生湮灭反应,所以反物质被制造出来以后,在特殊容器中也只能够保持几秒钟的时间,只要和杯壁碰撞就会瞬间消失。

就目前的科技来说,人类想要解开反物质的奥秘,还需要不断的努力,小编认为,人类既然能够在短短几千年的时间内走出地球探索宇宙,这说明人类科技发展的速度是非常快的,只要人类能够坚持不懈的努力下去,未来随着人类科技的进步,人类或许能够制造出更多的反物质来,小编希望人类能够早日实现自己的梦想,能够早日飞出太阳系,对此,大家有什么想说的吗?

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