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只见质量转化为能量,没见能量转化为质量,质能真能等价交换?

原子弹的爆炸,与爱因斯坦有脱不开的关系,但是很多人却以为原子弹就是爱因斯坦制造的,这个认识当然是错误的。

实际上,爱因斯坦仅仅提供了原子弹爆炸的理论基础,论证了可行性而已。而原子弹的理论基础其实可以很简单其实就来源于狭义相对论中的质能方程。

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什么是质能方程?

在我们的常识中,质量和能量是两种完全不同的属性,有质量的一点是拥有实体的物质,而能量则往往是只能感受无法触摸的光和热。

但是在物理神人爱因斯坦的眼里,质量和能量其实就是同一种东西,因此他认为质量和能量是可以互相转换的。甚至他还计算出质量和能量互相转换时是如何变化的,并将这种变化中一条方程高度概括并且表述出来,这就是大名鼎鼎的质能方程E=mc。

E就是能量,单位是焦耳(J),m是质量,单位是千克(㎏),c是一个固定的数字——真空中的光速目前人类测得的光速为299792458米每秒。

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爱因斯坦与质能方程

这个质能方程其实是用来描述物质的能量总量的,每一千克物质,会拥有等同光速的平方,换算一下就是将近9万太焦耳的能量。而人类爆炸过最大氢弹——沙皇炸弹,释放出的能量才达到21万太焦耳。

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沙皇炸弹

设想一下,下班回家买了两斤水果,结果要是有人跟你讲这两斤水果包含的能量足以毁天灭地的能量,再买三斤水果就能凑齐得到比一个沙皇炸弹还要强大的能量了,你会相信吗?答案显而易见。

当然,我们手中的水果并不会轻易变成炸弹,要实现质能方程其实是有条件的,当物质的静止质量失去的时候,才有可能释放出那么多的能量。

水果的质量并不会凭空消失,即便我们将它吃进肚子里然后消化掉,但只要将属于它的化学分子全部找回来,我们就能发现水果的质量一点都没少。

质量如何转化为能量?

水果不会凭空丢失质量,那就意味着水果蕴含着的能量实际上是很难释放的,因此我们并不需要担心它会变成大炸弹把我们炸个稀碎。

那么质量要如何转化为能量呢?答案很简单,找一堆木材,然后将其点燃,组成木材就会被转化为光和热,这些木材燃烧殆尽后,剩下木炭与灰烬的质量可能都不足原来质量的十分之一。

那么这是否意味着木材减少了十分之九的质量,却只能释放出一点点光和热,根本不像质能方程中所描述的,能释放出质量乘以光速平方的能量?于是我们是否已经推翻了爱因斯坦的质能方程了?

我们实际上并不能够成功推翻质能方程。因为如果我们有能力将木材燃烧时产生的烟雾和废气都收集起来,我们就可以发现,实际总重量与燃烧前是相差无几的。

燃烧反应释放出的光和热虽然让木材丢失了一点质量,但是这点质量太少了,几乎可以忽略不计,因此实际上燃烧反应也无法让物质流失太多质量。

前文说到,原子弹的原理就是来源于质能方程,也就是说,原子弹爆炸时产生的巨大能量,其实就是因为物质失去质量时会释放出的巨大能量。

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原子弹爆炸原理

让物质失去质量并不是一件简单的事情,因此我们必须找到一种十分重的放射性元素,然后使用高速中子撞击这种元素的重核原子,将原子核撞散,重核原子的原子核一分为二后,将会形成两个更轻的原子,于是这个重核原子的一部分质量将会被转化为能量释放出去。

如果只是一个原子失去了一部分质量,释放出来的能量可能并不会太大,但是重核原子的原子核被撞散后,并不是简单地立刻就一分为二。而是会以伽马射线的方式用强大的能量射出光子,高速撞击下一个重核原子,这种撞击会呈指数级的增长,在短时间内就会将所有的重核原子都撞烂,让所有的重核原子都释放出高强度的能量,这就是核裂变。

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受到原子弹轰炸的日本广岛

除了核裂变,核聚变也同样是利用令原子失去质量的方法让物质释放出能量,简单来说就是制造一个高温高压的环境,强行将两个很轻的原子聚合成一个更重一些的原子,比如现在的氢弹,就是用氢气的同位素氚和氘让其聚变为氦元素,聚变出来的氦元素质量低于两个氢元素质量之和,于是同样会产生巨大的能量。

而这种产生出来的能量也会帮助维持高温高压环境的环境,进一步加剧核聚变的速度,一直到产生聚变的元素全都转化为重一点的元素,聚变才会结束。

能量真的无法转化为质量吗?

如上所述,我们了解到人类是如何通过将质量减少的方式来获得能量的,通过这些方式,我们制造了原子弹、氢弹、核电厂以及未来的可控核聚变。这些技术对于之前只会利用燃烧这种低效能量释放方式的人类而言,已经是得到质的飞跃了。

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核电厂

因此质量转化为能量实际上并不如我们想象中的简单,所以更加不要提能量转化为质量了。实际上质能方程也包括了能量转化为质量的公式,我们只需要简单地使用初中数学知识,将质能方程的数值调换一下,就可以得出m=E÷c。

也就是说,想要将任何能量转化为质量,都必须除以光速的平方这个巨大的常数。简单来说沙皇大炸弹释放出来的能量,很可能也只能转化成跟五斤水果差不多的物质,这绝对是十分困难的事情。

当然理论上能量是有可能转化为质量的,只是这个转换可能与我们所熟知的并不一样。我们熟知的质量,都是我们生活中常见物体的重量,而在爱因斯坦质能方程中的质量,实际与物质的重量不太一样。

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能量只能通过外物来体现存在

如果存在两个一模一样的机械手表,其中一个手表的因为太久没上发条,所以已经停止了运转,但另一个手表刚刚才上发条,秒表正在跳动着计时。请问这两只表哪一只更重一些?

在我们的常识中,无论两只表是否有运转,它们都是由同样的物质所构成,因此它们的重量按理说应该是一样的,实际上即便我们拿上十分精准的称去测量这两个表,都不会发现它们重量的区别。

但在狭义相对论中,正在运转的表会拥有更大的质量。因为爱因斯坦的相对论认为,所谓的质量其实不过是能量的另一种表现,因此质量才有可能转化为能量。

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指针的运动是能量的体现

但是对于物质而言,质量其实可以分为静止质量和动量,静止质量其实也不是称重时得到的质量,而是指物质本身蕴含着的能量数值,因为如果我们换一个参照系,我们的重量也会随之变化,在月球上称得的体重也才二三十斤。

动量则是物质运动起来后,被附加的能量,这部分能量可以算作物体质量的一部分。举两个例子,大家就能更明白一些:

光子的动量

光子是一种奇特的存在,无数的光子组成了我们生活中所有的光芒,它是一种没有静止质量的粒子,因此它才能以光速运动,但在运动过程中它产生了动量,所以实际上光是有质量的。

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在许多科学博物馆中,都经常能看到一个很神奇的装置——光子风车,这是在完全密闭的玻璃罩中用金属片制作的小风车,没有空气流动,风车应该是无法旋转的,但是使用光去照射它时,风车却神奇的旋转起来了。

当然光子的动量极低,光子风车实际是利用光热辐射的差异才让其旋转起来的,并不是真正由光子推动了风车,毕竟能够推动风车转动的力量,我们在日常生活中也必然可以感觉到。

现实生活中利用并证明了光子拥有动量的设备是太阳帆,在太空中展开一片巨大的薄膜镜片,在光线的照射下,会得到极其小的加速度,航天器可以利用这个原理无需消耗能源地加速和改变方向。

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沉重的针

曾经网络上有人问过一个脑洞问题——一根针以光速撞击地球会发生什么。这个问题的答案超出大多数人的想象,因为如果这根以光速运动的针真的存在,那么它将直接撕裂整个宇宙。

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为何光速运动的针会有那么大的威力,原因其实很简单,因为动量会叠加在物质之上,任何物质接近光速时,它的质量都会变得十分大,甚至可以大到产生强大的引力撕裂整个宇宙。

但是现实中没有任何拥有静止质量的物质可以达到光速,实际上能达到光速的必然是光子这样没有静止质量的特殊粒子,目前科学家们可以使用强子对撞机,将一颗拥有质量的质子加速到99.9999991%光速,那时质子的质量被增加了7451.6倍,这还远远没有达到可以对现实产生影响的程度。

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但即便如此,每次加速质子也需要耗费巨大的能量,因此现实中将静质量极大的物体加速到接近光速几乎是不可能的事情。

所以我们可以知道,其实能量是可以转化为质量的,从客观意义上来说,质能转换也能达到“等价”的程度。

首先是没有质量的光子因为高速运动,而获得了可以推动太阳帆的质量。其次是重量只有1克重的针,因为要加速到光速或者接近光速,那么它必然需要获得巨大的能量才能加速,在经过能量的加速后,它的质量就会无限增加。

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光子运动

所以能量转化为质量的方式并不是我们想象中的那样将光和热转化为水果这种看得见摸得着的物质,而是能量会通过加速物体,从而达到增加质量的效果。

结语:

根据质能方程的原理,我们可以得知,质量与能量实际上都是同一种东西,只不过它们的表现方式不一样而已。

当物质处于绝对零度的时候,那么它将完全静止,且失去所有质量与动量,那么这个物体将不复存在。所以任何物体都必须持续运动且必然会拥有温度,由此我们可以得知质量其实是物质的一种基本属性,任何运动的粒子都必然会产生质量。

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宇宙中藏满了未知的物质

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