如果能量守恆定律是對的,人類為什麼不能用能量轉化物質?

弄潮科學


答:狹義上理解,能量和物質是分開的,兩者可以相互轉化,比如兩個高能光子相碰,就有可能產生正負電子對;廣義上理解,能量和物質則是統一的。


在核聚變與核裂變中,質量發生虧損,然後釋放巨大的能量,這也是氫彈與原子彈的爆炸原理,理論上說相反過程的反應也是可以進行的,但是難度非常大。

愛因斯坦的狹義相對論描述到,質量和能量可以相互轉化,也就是大名鼎鼎的質能方程,微小的質量可以轉化為巨大的能量,比如在廣島原子彈中,質量虧損還不到1克。

相反,能量也是可以轉化為質量的,在宇宙大爆炸初,所有物質都是能量轉化而來。


以上是對能量和質量狹義的理解,如果我們繼續深究,那麼請問何為能量?何為物質?兩者的區別又是什麼呢?

如果說有質量的就是物質,那麼光子不具備靜止質量,但是擁有動質量,在一些場合,我們可以把光子看做純能量,比如在光合反應中,光子就代表著光能;而在量子力學的一些場合,光子又看做基本粒子,也就是實實在在的物質。

如果我們深刻理解質能方程,就會得知質量和能量是統一的,兩者是同一事物的兩面,或者說能量才是本源,質量只不過是能量的一種屬性而已;比如在廣義相對論中,能量和動量的分佈決定了空間如何彎曲,而不是考慮質量的分佈。

其實,任何時候有能量的相互轉化,本質上就有質能轉化,不僅僅限於核反應;比如氫氣的燃燒過程會釋放大量熱量,表面上是化學能轉化為熱能,其實也是發生了微小的質能虧損,只是質能虧損率太小而已。


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艾伯史密斯


根據愛因斯坦的質能方程式,物質和能量是等價的,也是可以互相轉化的,物質轉化為能量相對容易,比如原子彈爆炸就是典型的物質轉化為能量,但是讓能量轉化為物質卻相對難進行多了,這是為什麼呢?



題目中說得其實有點問題,能量並非不可以轉化為物質,只是反應條件很苛刻而已。

著名的物理學家阿爾伯特•愛因斯坦於1905年發表了一篇世界聞名的論文——《物體的慣性取決於其動能嗎?》,根據愛因斯坦的質能方程式E=mc^2,質量和能量兩個看似沒有關聯的物理量是密切相關的。它告訴我們能量和質量在某種情況下可以相互轉化。

例如原子彈爆炸以及核反應就是這個公式的一個體現,它告訴我們質量可以轉化為能量,也就是說將物質轉化為能量。

但是與此同時,將這一公式逆向運用的話,卻沒有那麼容易,將能量轉化為物質,沒有那麼容易實現。至少從這個公式看來,用能量轉化為物質的話需要注入大量的能量,哪怕是轉化為很小質量的物質也需要投入很大的能量。


最開始人類的目光瞄準了電子,於是有科學家提出了用兩個光子對撞然後產生電子和正電子的現象來加以說明。

他們的思路是製造一個大型的對撞機用於光子之間的對撞,而不是質子。為了達到這一目的,第一步要做的就是用一束高能激光將電子加速到逼近光速,並讓它撞到一塊金屬板上,這樣它就會產生一束光,而這種光比太陽光要強烈幾億倍。

用同樣的方法制造另一束光,並讓兩束光相交碰撞。在這樣的碰撞中,有一些光子之間的碰撞,為有效碰撞,也就是說碰撞之後可以形成電子,以及電子的反物質粒子——正電子。所以說,這麼一個實驗,就是直接利用光,也就是能量轉化為物質的實例。


當然,除了這個方法之外,其它的一些例子也有,比如說在原子核的庫侖引力場作用下,高能伽馬光子的能量總是大於電子靜能量的兩倍,但是它卻可以在原子核的附近轉化為兩個電子,這也是一個案例。還有,宇宙誕生於一場大爆炸,而大爆炸本身就是一場巨大的能量轉化為物質的過程,大爆炸產生了大量的正反物質,同時也釋放出了大量的能量。另外,凡是吸熱反應,本質上也是在利用能量轉化為物質,只不過這裡的物質在化學反應中是以化學鍵的形式呈現的。


鏡像科普


在200年前,能量與質量是兩個截然不同的概念。前者是運動的,服從熱力學定律,具有熵增的特性;而後者是靜止的,服從經典力學,其本身的存在是熵減小的結果。在當時,能量與質量是分別各自守恆的。

然而,隨著原子的衰變被發現,人們意識到能量與質量是可以轉換的。於是,能量守恆定律和質量守恆定律,被質能守恆定律所取代,使人類的認識獲得了進一步的統一。

1905年,愛因斯坦通過對光電效應的分析,認為光的本性是粒子,並由此推導出質能轉換公式,從而在定量上確定了能量與質量的轉換比例。

既然能量與質量在本質上是相同的,那麼為什麼我們看見的往往是質量轉化為能量,卻很少見到能量轉化為質量呢?

比如,原子核的聚變或裂變,都會減少質量並釋放出能量。但是,藉助粒子的轟擊使能量轉變為質量卻是比較困難的。而且,即便是形成了高質量的粒子,也會在極短的時間內衰變回低質量的粒子,又重新將能量釋放了出來。

由於我們的宇宙是由量子構成的,所以宇宙的本質是量子的運動。離散的基態量子構成空間,受到激發的量子是能量,由高能量子組成的封閉體系就是物質。

因此,能量是量子運動能力的度量,質量是被封閉的量子關於其空間效應的度量。

由於粒子開放運動的路徑遠多於粒子封閉運動的路徑,所以從概率上來說,物體以能量的形式存在是大概率事件。

這就是為什麼我們看到物質轉化為能量的事件遠遠多於能量轉化為質量的事件。後者的形成是需要特定條件的。

比如,藉助葉綠素,植物🌳可以進行光合作用,將太陽🌞能轉化為植物的生長。

此外,當宇宙的膨脹速度遠大於宇宙內部傳播的速度時,宇宙只能通過將局部高能封閉起來以實現其內部空間的平衡。

只就是物質大規模生成的原因。一旦宇宙膨脹的速度小於其內部傳播的速度,宇宙非但不再生成物質,已經產生的物質也會逐漸地解體還原為能量。從這個意義上來說,物質是宇宙演化過程中,為了平衡,而臨時生成的能量緩釋器。

總之,雖然能量與質量在本質上是相同的,它們是可以互換的,但是其具體的轉換方向,是由其外部環境決定的。


淡漠乾坤


能量不能憑空產生,也不能憑空消失,不同能量之間可以互相轉化。能量守恆定律肯定是對的,但對的也不一定能使能量輕易變成物質質量。當然能量都對應著質量,這從愛因斯坦的質能關係式中可以看出。


不過,愛因斯坦的質能關係式E=mC²只是揭示了物質能量和質量之間對應的數量關係,而非指一定能轉化。實際上能量和質量之間的轉化很難,別說能量很難轉化為質量,即使質量轉化為能量也很難。大家千萬不要把日常的燃燒、爆炸,簡單地看成是質量轉化為能量。燃燒、爆炸屬於化學反應,它們遵循質量守恆定律,也就是說,這個過程中質量並沒有減少,質量並沒有轉化為能量,只是不同能量之間的轉化,是貯存在物質裡的化學能轉化為內能。

從質量轉化為能量的實質顯示其轉化的不易

典型的質量轉化為能量的例子就是核變反應。


無論是原子彈的重核裂變,還是氫彈的輕氦聚變,都伴隨著質量虧損,人們用愛因斯坦的質能關係式ΔE=ΔmC²,來計算虧損的質量轉化成了多少能量。先不說到底是不是質量轉化為了能量,咱先說說核變反應的不易,首先要開採鈾、鈈等核裂變材料,它們是極為稀有的放射性金屬元素,鈾元素在地殼中的平均含量只有百萬分之二,只少數國家有儲量,屬於戰略物資。

接下來就是提純,就是人們常說的鈾濃縮,使鈾235(鈾的一種同位素,可進行核裂變)相對鈾238的相對丰度至少要達到3%以上,這需要大量的離心機。核材料準備好了,還要研製核反應堆,這還只是核裂變,核聚變裝置更麻煩,世界上常溫下的核聚變裝置至今還沒有研製成功,


總之這些工程都是國家層面的,非個人能夠輕易實現的。

另外,所謂出現“質量虧損”的核變反應,實際上反應前後,構成原子核的質子和中子的數量和種類一樣沒少,減少的是核子(質子和中子)之間以及組成核子的三個夸克之間傳遞強相互作用的膠子形成的束縛質量


膠子雖然沒質量為0,但膠子傳遞強相互作用產生的束縛能所對應的質量比夸克本身的質量大的多。比如說一個質子的質量為938MeV/C2,而構成質子的三個價夸克的質量僅為11MeV/C2,大部分質量都是膠子形成的。大多數重元素原子核的總質量大於組成原子核的各單個質子和中子的質量之和,這個差值就是膠子的部分束縛能質量

而非實物粒子本身的消失和轉化,所以說到底質量在轉化為能量的過程中出現的“質量虧損”,“虧損”的還是能量。由此可見,質量轉化為能量是非常難的,
質量守恆定律還是很有道理的。

能量轉化為質量更是難上加難

至於能量轉化為質量就更難了,因為這需要超高能和超高輻射溫度。經研究計算結果,由能量生成一個電子需要的閾值溫度為62億度,而生成一個質子需要10萬億度。人工雖然可以創造數萬億度,比如說美國相對論重離子加速器2010年時曾創造4萬億攝氏度,


但維持時間太短且能量有限,這種溫度只能產生電子。至於所需超高能量,根據△E=mC²,如果生成1克物質就需要8.98x10^13焦耳的能量,這相當於2萬噸TNT當量,比當年廣島原子彈14000噸TNT當量都大,這是不可想象的。那在自然環境中呢?

在自然環境中,只有宇宙大爆炸初期才具有那麼高的溫度,太陽內部核心溫度只有一千多萬度,這意味著絕大部分物質都應該是在宇宙誕生之初產生的。事實也的確如此,根據宇宙大爆炸理論,


在宇宙誕生之初的普朗克時間內(10^-44秒數量級),隨著宇宙的暴脹,溫度從最高普朗克溫度(1.416833x10^32K)開始下降,不過這時沒有任何物質粒子產生,只有輻射。在10^-43秒時,比夸克和電子更基本的粒子產生了,在10^-34秒時,溫度也下降到10^27K,這時夸克和電子產生了。

直到宇宙誕生0.1到1秒時,溫度也下降到1000萬億度到100億度,這時質子、中子和介子等組成物質的粒子種類全部誕生。在宇宙誕生3分鐘時,溫度也下降到10億度,氫、氦、鋰等輕元素產生了,至此物質正式宣告誕生。

從上面的敘述可以看出,

能量生成物質的最低溫度至少需要10億度以上,我們人類目前沒有辦法創造像宇宙大爆炸初期的環境,因此到目前為止,人工還沒有辦法能大規模生成(1克以上)物質。
前人們只能在實驗室裡用一對高能光子(能量)對撞產生正負電子對(物質)來舉例說明能量轉化為質量。


物原愛牛毛1


1905年,愛因斯坦提出了著名的狹義相對論,同時推導出了影響深遠的質能轉換公式E=mc²,於是有人根據它這一公式製造出了能量巨大的核彈。

我們知道宇宙誕生於138億年前的奇點爆炸,爆炸後產生了無限的能量,這能量最後轉化成了各種物質。

其實現實中,物質轉化能量也處處可見。如煤炭轉化為能量、動物獲取食物得到能量、利用水獲得電能。


質能轉換公式指明瞭能量與物質可以相互轉換。那為什麼常常會看到物質轉換為能量,而很少看到能量轉換為物質呢?

這是因為能量轉換為物質,往往需要比物質轉換為能量還要更多的能量。

據資料顯示,1克物質約能產生2200億千卡能量,而根據質能公式,也能通過這2200億千卡的能量生成1克物質。

首先由於物質在轉換為能量的過程非常短暫,人們又很難在短時間內釋放如此多的能量。因此,以目前的技術,想要將能量轉換為物質是非常艱難的。

其次能量轉換為物質的時候往往需要更多的能量。像宇宙誕生,就是因為奇點爆炸時產生了遠超物質所需的能量,才有了宇宙各種物質的形成。


就算人類將能量轉換為物質,也無法做到不讓物質逸散。

但是人類的發展是沒有上限的,相信未來人類,實現將能量轉換為物質的設想,那時,人類會憑藉先進的科技達到更發達的宇宙文明等級,探索宇宙更多的秘密。


弄潮科學


提問很是沒水平,能量守恆是一回事,利用能量轉化物質是另一回事!

我們知道,地球上沒有自然鋁金屬存在,但鋁金屬是我們生產、生活又在大量使用的,生產金屬鋁,普遍採用的方法就是“電解鋁”,就是氧化鋁再電解!

化學元素週期表裡面最後幾個元素,自然界不可能存在,就是科學家利用能量,聚變生成的。

我舉這倆例子,就說明了人類是在利用能量轉化物質的!


先人性後理性


改了一下。一般都是晚上寫的,喝點酒,有時候腦子在位,有時候不在。

質量與能量都是時空作用的結果,質量主要是空間佔位的結果,能量是空間運動變化的時間結果。萬物都是時空的,都是時空組合而成。物質的基本屬性就是時空,一體兩面,一方面顯示空間,另一方面顯示時間。時空又有顯隱不同,於是空間有了正負,時空也有了隱顯不同。由於時空的不同組合,形成了不同的物質。由於時空結構不同時空組合,顯示了不同的質量和能量,不同時空結構的物質相互作用導致質能的變化。

其實原則上質量不能轉換為能量的,能量也不能轉化為質量的。由於時空的相互作用,顯示出質能的變化。但是由於時間空間的特性,沒有沒有空間的物質也沒有沒有時間的物質,有時候可能為零,也是一種有。空間還有正負之分,為什麼光子質量是零,正負電子都有質量,正負電子對撞質量就是零了?不是質量轉換為能量了,是質量自己相互抵消了。抵消了以後,質量是零,只有時間一維了,所以顯示出能量大大增加了。

個人見解,可以當做民科。很多時候真相真是出乎我們自己的預料。我也不知道正確與否,願聽批評。對於原子核內部不是多瞭解,所以更多的不能繼續解釋。


迦祥時空


首先搞清楚能量那裡。這個世界上不缺物質,而卻的是有用的能量。

能量不能單獨存在的,說物質轉化為能量,或能量轉化為物質,只是一種趨勢(物質自然的變化),一種突變。


惠舒旅社老闆


質能方程

其實關於這個問題,也就是能量到物質的轉變,無論是在宇宙中,還是在人類的實踐都實現過了。但是要了解這個問題,我們要從最本質的問題出發,那就是愛因斯坦的狹義相對論。話說在1905年,愛因斯坦提出了4個具有開創性的科學理論。

其中被我們稱為狹義相對論的是後兩篇,在第一篇中,愛因斯坦統一了時間和空間。而在後一篇中,愛因斯坦統一了能量和質量。但是愛因斯坦對於能量與質量的統一是和大多數人理解得不一樣的。我們平時常常會聽到“質量轉化為能量”這樣的用法,其實這個說法並不準確。在這篇論文中,愛因斯坦提出的統一思想是這樣的,他認為

質量和能量其實是一個東西,是一體兩面的,能量裡有質量,質量裡有能量。(關於這一點,詳情可以查一查愛因斯坦當年的論文,或者可以看看大學物理學教材。)而質量和能量之間可以用質能方程E=mc^2來換算。

我們可以用一個例子來理解質量和能量。這就好比你有一筆錢,你可以把這筆錢都換成人民幣,你可以都換成美金。無論你是用人民幣還是用美金,其實你擁有的這筆錢的價值是不變的。而質量就好比這裡的人民幣,能量就好比這裡的美金,一定的人民幣的價值是等效於一定價值的美金的。但是如果你花了其中的一些錢,無論是你用人民幣還是美金都是減少了。

所以,我們才會說,能量裡還有質量,質量裡還有能量。也因此,所謂的質量守恆以及能量守恆,說白了是一個事。

那能量又是如何實現和物質之間的轉化的呢?

宇宙大爆炸

我們都知道物質其實是粒子構成的,比如:夸克,電子等。而宇宙其實起源於138億年前的一場大爆炸。

今年,獲得諾貝爾獎的吉姆·皮布爾斯其實就是相關方面的研究者。他和一批傑出的科學家一起完成了標準宇宙學模型,而這個模型就是基於大爆炸理論建立起來的。

而宇宙大爆炸初期,溫度特別高,當時幾乎沒有什麼物質粒子,主要就是電磁波,也就是我們說的光子。不過這個時候的光子和我們平時常見的光子是有很大區別的。這時候的光子應該叫做高能光子,也就是具有非常高能量的光子。

我們都知道,物質都有自己的反物質,比如:電子的反物質就是正電子,質子的反物質就是反質子。光子的反物質其實是它本身。而正物質和反物質碰撞之後會發生湮滅。

當然,你可能要問了,真的存在“反物質”麼?實際上,科學家還真的發現了,在高能的宇宙射線就找到過,而且科學家在實驗室裡也實現過。

那光子和自己的反物質“光子”碰撞會如何呢?常識告訴我們並不會有什麼。但實際上,這種觀念是錯的。這是因為我們平時生活的環境溫度相對低。如果在超級高溫的情況下,比如:幾十億度時,那情況就不一樣了。科學家發現,光子碰撞前,如果它們所具有的的能量要大於一對電子所具有的能量,碰撞之後可以產生一對正反電子,而這對應的溫度就是59.3億度。(我們把可以形成某種粒子的溫度叫做閾值溫度。)不同的粒子其實具有不同的閾值溫度。

如果光子的能量要稍微多一些,那這些能量就會轉化為粒子運動的能量。因此,在大爆炸初期,物質粒子就是光子這樣碰撞出來的。

實驗中實現過麼?

實際上也確實有,人類在高溫的征途上也確實做了不少,美國原子能委員會擁有一臺質子對撞設備,叫做相對論重離子對撞機。它可以把任意的原子核加速到十分接近於光速,然後實現對撞,這產生的能量能達到1萬億度的黑體輻射的水平。只不過,這個過程很短暫。但這還不是最猛的。

歐洲核子研究中心擁有一臺大型強子對撞機,這臺設備不斷升級,只是為了找到上帝粒子“希格斯玻色子”,在執行任務過程中,他們做到了局部溫度相當於10萬億度的黑體輻射的水平。

但無論是上面的哪一個,所能維持的時間都很短,也確實產生了些許的電子。但沒有辦法實現大規模地創造物質粒子。

最後,我們來總結一下,只要溫度給夠,高能光子的碰撞是可以產生物質粒子的。如今宇宙中的物質就是在宇宙早期溫度還很高時形成的。至於人類是否可以做到?目前來說,科學家只能在實驗室當中實現極為短暫的高溫環境。因此,根本沒有辦法大規模地創造物質粒子。


鍾銘聊科學


首先,不用“如果”,能量守恆定律確實是對的,起碼以目前的科學認知來看沒有任何問題,當然任何科學理論都具有“可證偽性”(可證偽性並不意味著一定會被證偽),所以如果未來能量守恆定律“被證偽”了,那也是另一回事情了!

其次,要搞清楚能量守恆定律的本質,它與質能守恆有本質區別,而是否能用能量轉化為物質與能量守恆定律也沒有關係。

再者,人類並非不能用能量轉化為物質,只是很難轉化為物質,尤其是肉眼能看見的宏觀物質,目前人類並不具備這樣的科技實力。

比如用,用現代大型粒子對撞機讓兩個高能光子相撞,就可能產生電子和負電子,而光子就是能量,電子和負電子就是物質,這是能量轉化為物質的最好例子。

那麼為何能量轉化為物質很困難呢?

因為需要大量的能量才能轉化為很少一部分物質,人類很難聚集如此多的能量,1克物質大約能產生2200億千卡能量,這只是理論上分析。實際上,即使有如此多的能量,我們也需要等多的能量才能把能量轉化為物種,這就需要更高的科技。

事實上,愛因斯坦的質能方程早已經表明,能量和物質本質上是同一種東西,是一種東西的兩面性。通俗地理解就是,能量的聚合就形成了物質,物質的離散就形成了能量!


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