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融化的夸克永远不会成为能量的来源

2020-02-14

【博科园-科学科普】当涉及到清洁、高效和多产的能源的终极梦想时,很难比在原子内部的秘密做得更好。传统能源依赖于化学能源和电子的原子/分子跃迁,而核能则要高效得多。

双重魅力的重子Ξcc++包含两个魅力夸克和一个上夸克,并且首先在欧洲核子研究中心实验中发现。现在研究人员已经模拟了如何从“融化”在一起的其他魅力的重子合成它,并且能量产量是巨大的。图片版权:Daniel Dominguez, CERN

对于同样数量的质量来说,一个单独的原子核,在分裂(如铀)或熔合在一起(在氢的情况下)可以释放出高达一百万倍的燃烧反应的能量。最近“熔化的夸克”被发现比聚变反应高10倍。但是虽然核聚变和裂变都有巨大的潜力来革新世界的能量,但融化的夸克永远不会起作用,这是为什么呢?

当两个粒子在合适的条件下相遇时,它们的波函数可以重叠,从而暂时产生一个不稳定的粒子。它几乎会简单地分裂回原来的状态,但在很少的情况下会发生聚变反应,产生更重的元素。图片版权:E. Siegel / Beyond The Galaxy

核聚变的工作原理是通过稳定、束缚的夸克(如质子、中子和复合原子核),并将它们聚集在高能、高密度的条件下。当克服静电力并使这些带电的原子核足够接近时,它们的量子波函数开始重叠,这意味着它们融合成一个更重,更稳定的原子核的概率是有限的。当这种情况发生时,大量的能量释放出来:大约是初始反应物剩余质量能量的0.7%。通过爱因斯坦最著名的方程,E = mc2,质量转化为能量,这是聚变反应的最终目标。

1961年的沙皇炸弹爆炸是有史以来在地球上发生的最大的核爆炸,也许是有史以来最著名的核聚变武器,其产量远远超过其他任何发达国家。图片版权:Andy Zeigert / flickr

但是正常的核束缚态,即使是不稳定的状态,也是由上下夸克组成的,包括质子,中子,以及元素周期表上的每个元素。然而还有许多其他的可能性,因为有四种其他类型的夸克被称为:奇夸克、魅力夸克、底夸克和顶夸克。我们甚至用奇异的、迷人的、底部的夸克来模拟质子和中子。如果能把质子、中子和其他有界的夸克结合在一起,也许可以把这些奇怪的、迷人的和底部的“重子”融合在一起(重子是三个夸克的组合结合在一起)。

已知的粒子和标准模型的反粒子都已经被发现。但是任何含有奇夸克、魅力夸克、底夸克和顶夸克的含夸克粒子,最多只能存在几纳秒,在衰减之前,使这些粒子在能量上的应用非常困难。图片版权:E. Siegel

即使它们只存在于一瞬间,我们也可以对这些粒子进行详细的计算和模拟。考虑到理解物理定律,可以精确地了解它们的行为。在一项新的研究中,科学家Marek Karliner和Jonathan l . Rosner已经证明了一个空前有效的“熔化夸克”的反应是可能的。

核聚变,两个轻核融合在一起来产生一个更重的,但是最终的质量低于初始反应物,因此能量通过E = mc ^ 2释放。在“熔融夸克”的场景中,两个重夸克的结合产生一个双重子,通过同样的机制释放能量。图片版权:Gerald A. Miller / Nature

与标准的核聚变不同,两个光核融合在一起,产生一个更重的原子核,一个原子质量更高,夸克的总数更大;一个“熔融夸克”的反应,在三次中保持了夸克的数量。相反每两个反应的重子都含有一个重夸克,就像一个夸克或一个底夸克,最后形成一个重子和一个普通的质子或中子一样的重子。不同于标准的聚变反应,它们的质量大约是能量的一半,而这些“重子”之间的结合能几乎是“能量”的10倍,这导致了一个反应——高达4%的总质量转化为能量。

核聚变反应,如在太阳中发生的,不能将初始质量的1%转化为能量。在一个“熔融夸克”的场景中,这种能量可以增加近十倍,但在有意义的方式中,却有阻碍能量的障碍。图片版权:Wikimedia Commons user Kelvinsong

你的大脑可能会立即想到前所未有的应用。你可能会想:这可能会彻底改变我们的能源需求。这可能是有史以来最有效的武器。但事实是:这些只是白日梦,从来没有在物质宇宙中任何实际应用中实现。

为什么不呢?

因为这些粒子太不稳定了,它们需要的能量远比你能得到的能量大得多。

540gev的质子反质子相互作用,在流光室中显示粒子轨迹。虽然许多高能量、不稳定的粒子都是在碰撞中产生的,但它们都需要大量的能量来制造,而粒子则非常短暂。

为了创造一个有重夸克(奇夸克、魅力夸克、底夸克和顶夸克)的粒子,必须在极高的能量中相互碰撞其他粒子:足够制造等量的物质和反物质。假设需要两个重子(比如两个或两个底物),必须让他们在合适的条件下进行结合——导致聚变反应,最后得到3 - 4%的能量。

但是要使这些粒子一开始就达到100% ,它们也非常不稳定,这意味着它们会在短时间内衰变为更轻的粒子:一纳秒或更少。最后当它们衰变时以新粒子的形式和它们的动能,得到100%的能量。换句话说,没有得到任何净能量。

质子链负责产生绝大多数的太阳能量。将两个氦- 3核融合成he4,这是链条上的最后一步,可能是地球在核聚变的最大希望,也是一个清洁、丰富、可控的能量来源。图片版权:Borb / Wikimedia Commons

核聚变是能量的圣杯,因为有许多因素,包括:

1、反应物的丰度和稳定性

2、反应的可控性质

3、从聚变本身释放出的大量能量

4、以及利用能量的便利性

当谈到第三点时,融化的夸克可能会有优势,因为释放能量的增加近10倍,但它在所有其他点上的灾难性失败使它成为一种科学的好奇心。它对能源或武器潜在应用依赖于不现实的条件,需要克服其他障碍。

的确,把一个或两个光夸克替换成一个重质子(或中子),这意味着在核/粒子反应中会有更多的结合能,但还有其他的问题,否则我们都将转换成100%有效的物质-反物质湮灭。图片版权:APS/Alan Stonebraker

这仍然是一个非常重要的发现——即使是通过模拟这些束缚-夸克系统是如何结合在一起并相互作用的。重要的是要了解结合能如何工作,释放多少能量,以及当不同的不稳定粒子发生反应时需要采取什么形式。这些步骤是核和粒子物理的一个组成部分。但是熔化夸克永远不会成为能量源或武器来源,因为在这些高的、不稳定的能量上,相对于传统的核融合效率的提高远远超过了物质-反物质湮灭的100%效率。如果能制造出可以融化夸克的粒子,也可以制造反物质:宇宙中最节能的来源。但对于廉价的、丰富的、清洁的能源、核聚变,而不是熔化夸克是未来的潮流。

知识:科学无国界,博科园-科学科普

作者:Ethan Siegel(天体物理学家)

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