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UC头条:如果能量守恒定律是正确的, 人类为什么不能用能量转化物质?
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2022.12.15 内蒙古

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能量不能凭空产生,也不能凭空消失,不同能量之间可以互相转化。能量守恒定律肯定是对的,但对的也不一定能使能量轻易变成物质质量。当然能量都对应着质量,这从爱因斯坦的质能关系式中可以看出。

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不过,爱因斯坦的质能关系式E=mC^2只是揭示了物质能量和质量之间对应的数量关系,而非指一定能转化。实际上能量和质量之间的转化很难,别说能量很难转化为质量,即使质量转化为能量也很难。大家千万不要把日常的燃烧、爆炸,简单地看成是质量转化为能量。燃烧、爆炸属于化学反应,它们遵循质量守恒定律,也就是说,这个过程中质量并没有减少,质量并没有转化为能量,只是不同能量之间的转化,是贮存在物质里的化学能转化为内能。

从质量转化为能量的转化实质显示其转化的不易

典型的质量转化为能量的例子就是核变反应。

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无论是原子弹的重核裂变,还是氢弹的轻氦聚变,都伴随着质量亏损,人们用爱因斯坦的质能关系式ΔE=ΔmC^2,来计算亏损的质量转化成了多少能量。先不说到底是不是质量转化为了能量,咱先说说核变反应的不易,首先要开采铀、钚等核裂变材料,它们是极为稀有的放射性金属元素,铀元素在地壳中的平均含量只有百万分之二,只少数国家有储量,属于战略物资。

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接下来就是提纯,就是人们常说的铀浓缩,使铀235(铀的一种同位素,可进行核裂变)相对铀238的相对丰度至少要达到3%以上,这需要大量的离心机。核材料准备好了,还要研制核反应堆,这还只是核裂变,核聚变装置更麻烦,世界上常温下的核聚变装置至今还没有研制成功,

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总之这些工程都是国家层面的,非个人能够轻易实现的。

另外,所谓出现“质量亏损”的核变反应,实际上反应前后,构成原子核的质子和中子的数量和种类一样没少,减少的是核子(质子和中子)之间以及组成核子的三个夸克之间传递强相互作用的胶子形成的束缚质量,

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胶子本身虽然没有质量,但胶子传递强相互作用产生的束缚能所形成的质量比夸克本身的质量大得多。比如说一个质子的质量为938MeV/C2,而构成质子的三个价夸克的质量仅为11MeV/C2,大部分质量都是胶子带来的。大多数重元素原子核的总质量大于组成原子核的各单个质子和中子的质量之和,这个差值就是胶子的部分束缚能质量,

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而非实物粒子本身的消失和转化,所以说到底质量在转化为能量的过程中出现的“质量亏损”,“亏损”的还是能量。由此可见,质量转化为能量是非常难的,质量守恒定律还是很有道理的。

能量转化为质量难上加难

至于能量转化为质量就更难了,因为这需要超高能和超高辐射温度。经研究计算结果,由能量生成一个电子需要的阈值温度为62亿度,而生成一个质子需要10万亿度。人工虽然可以创造数万亿度,比如说美国相对论重离子加速器2010年时曾创造4万亿氏度,

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但维持时间太短且能量有限,这种温度只能产生电子。至于所需超高能量,根据△E=mC^2,如果生成1克物质就需要8.98x10^13焦耳的能量,相当于2万吨TNT当量,比当年广岛原子弹当量都大,这是不可想象的。那在自然环境中呢?

在自然环境中,只有宇宙大爆炸初期才具有那么高的温度,像我们太阳内部核心温度只有一千多万度,这意味着绝大部分物质都应该是在宇宙诞生之初产生的。事实也的确如此,根据宇宙大爆炸理论,

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在宇宙诞生之初的普朗克时间内(10^-44秒数量级),随着宇宙的膨胀,温度从最高普朗克温度(1.416833x10^32K)开始下降,当然这时没有任何物质粒子产生,只有能量的辐射。在诞生10^-43秒时,比夸克和电子更基本的粒子产生了,在10^-34秒时,温度也下降到10^27K,这时夸克和电子产生了。

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宇宙诞生0.1到1秒时,温度也下降到1子000万亿度到100亿度,这时质子、中子和介子等组成物质的粒子种类全部诞生。在宇宙诞生3分钟时,温度也下降到10亿度,氢、氦、锂等轻元素产生了,物质正式宣告诞生。

从上面的叙述可以看出,能量生成物质的最低温度至少需要10亿度以上,我们人类目前没有办法创造像宇宙大爆炸初期的环境,因此到目前为止,人工还没有办法能大规模生成(1克以上)物质。

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目前人们只能在实验室里用一对高能光子(能量)对撞产生正负电子对(物质)来举例说明能量转化为质量。

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