人类已经能够按照E=mc^2将质量转化成能量,但能否反过来用能量生成1g质量呢?

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人类已经能够按照E=mc^2将质量转化成能量,但能否反过来用能量生成1g质量呢?

质量转换成能量的例子很多,距离我们最现实的案例是核裂变,重核裂变-质量亏损-转换能量!而稍稍遥远一些的案例是核聚变,比如ITER正在埋头苦干的氘氚核聚变,希望将质子聚变的质量亏损从原子核的禁锢中释放出来,虽然距离还比较远,但这仍然是最具希望的事业!而能量转换成质量的案例,尽管理论上并没有什么问题,但事实操作起来可能还不是一般的困难!

一、一克质量需要多少能量来转换?

其实计算并不困难,因为用爱因斯坦的质能转换公式还算下即可计算出来!

E=MC^2=0.001×299792458^2=89875517873681.764J

一吨TNT的能量约为:4184000000J

那么相当于:21480.76吨TNT的能量

即需要一枚广岛原子弹的能量才能在理论上生成约1g的质量!

二、有什么途径可以将能量转换成质量?

“夸克相变温度”也许能给我们一些指导!这是一个强子物质(仍然由夸克以及反夸克与胶子组成的“普通物质”)到“夸克胶子等离子体”的温度!这个相变温度约为175MeV,相当于2万亿摄氏度!

在这个温度条件下,物质将以夸克胶子等离子体状态存在,而这个温度也足够高!夸克-反夸克可以这之中自发产生!这是一个纯能量转化质量的关键温度!在这个温度条件下,只要远远不断输入能量,那么将会转换为有质量的基本粒子。简单的说,这是一个能量与质量之间转换的门槛!

三、我们能达到这个温度吗?

其实上文的夸克相变温度就是美国布鲁克海汶国家实验室中的相对论重离子对撞机(RHIC),将两束金原子核加速到接近光速后碰撞,用采集到的净强子数分布的特征与与格点量子色动力学的计算后,以重子数密度为零的条件计算出夸克相变温度!

准确的说我们是计算出了这个温度,而在加速器的极度加速下也是用物质创造出了接近与这个温度的条件,但我们却没有技术以纯能量的形式达到这个温度,即没有物质的条件,但事实上这其实也不可能,只不过用高能粒子对撞这种条件来创造能量转换为质量的条件,是不是有种脱裤子放屁的感觉?当然不会,这也许是我们通向透彻理解宇宙大爆炸道路上的最后一个关卡,再往后是什么?


星辰大海路上的种花家


这个问题其实并非那么简单。人类已经能够按照爱因斯坦的质能方程将质量转变成能量,表面上看是对的,但是如果将核裂变反应产生的所有粒子收集在一个完全封闭的空间内,你会发现,用爱因斯坦的质能公式m=E/c^2(光子能量E=hv)推算,质量与裂变前无任何损失。同样正、反物质湮灭后产生的光子收集起来推算,也是无质量亏损。

这些所谓损失的质量是以一些看不见的中微子,伽马射线等高能粒子等形式在开放空间消失了。

其中的根本原因就是不存在所谓的纯能量,能量是物质、基本粒子的基本属性,不存在没有物质结构的纯能量。

另外,也根本不存在所谓绝对静止的静态质量,从根本上说,所谓的静态质量也是相对的,相对论本身就推翻了绝对静止的时空。特别是微观粒子,光子、独立运动的电子和质子等微观粒子的静态质量根本就没有一个恒定的值。正因为如此,在粒子物理研究中新发现粒子的质量都用能量值(GeV电子伏特)表示的。

因为这些有量子特性的微观粒子,根据量子力学原理根本不可能做到对参照系的绝对静止。所以对于独立于(惯性系)或脱离系统的微观粒子的质量只能用(m=E/c^2)粒子的能量推算!

有些人错误的把静态质量为零的光子看成纯能量,而光子显然是有物质结构的基本粒子。宇宙中不存在没有物质结构的纯能量,能量必须附着在物质上。

因此,质量亏损产生能量的说法严格地说是错误的。

很明显,反过来能量产生质量这种说法也是不科学的。能量守恒,质量也是守恒的,如果质量不守恒,能量如何守恒?质量不守恒,动量也不可能守恒。正确的能量表达方程是这样的:E^2=(mc^2)^2+(pc)^2

现在,有很多人错误的认为物体有所谓的运动质量(相对论质量)

m'=m0/(1-(v/c)^2)^0.5,有质量的物质之所以不能达到光速,是因为那个时候质量会变得无穷大。

其实这种将物质质量和能量、动量分离的演绎是完全错误的,对此爱因斯坦本人并不认同,爱因斯坦根本就没有发表过质量的相对论公式,认为这是群众(不知道爱因斯坦是不是说的民科的意思)的相对论观点,表示这会混淆质量的定义。质量还是和能量和动量结合考虑比较好。

爱因斯坦在广义相对论里提出引力质量与惯性质量等效的观点,根本没有提相对论质量。

之所以有广义相对论和狭义相对论,爱因斯坦是认为狭义相对论成立是有条件的,不能适用于时空“弯曲”变化的情况。


维度开拓者


应该不可以用能量转化成质量,根据方程E=mc²可知,能量等于质量乘以光速的平方,因此假设质量为零,可以推出这个方程不成立(0乘以任何数都是0),世界上不存在没有能量的东西。


月猫


质能方程的由来

要了解这个问题,我们就要先把质能方程搞明白。或者说,我们应该搞明白的是物质、质量和能量这三者的关系。

这要从1905年说起了,这一年是爱因斯坦人生当中最高光的时刻了。在这一年,爱因斯坦接连发表了多篇开创性论文。(都是超越诺奖级的发现)其中,最后两篇后来被我们统称为狭义相对论。

质能方程就是发表在这一年的最后一篇论文当中。所以,要理解质能方程的前提,就得先搞清楚狭义相对论到底是咋回事?

那我们就得把时间轴继续往前推,在爱因斯坦之前,科学家界出现了两场巨大的危机,分别是:以太和黑体辐射。

后者催生了量子力学,而前者就催生了相对论。所谓的“以太”其实是科学家假想出来的一个东西。具体来说问题就出在了光速上了,在牛顿力学中并不存在绝对的速度,也就是说,不存在在任何惯性坐标系下都跑得一样快的情况。可偏偏麦克斯韦提出的麦克斯韦方程求出来的光速是没有参考系的,也就是说,麦克斯韦理论推导出来的光速在任何惯性参考系下速度应该都一样,两者也就是相互矛盾了。

于是,科学家就假定了有“以太”是光传递的介质,以此来消除这个矛盾,可惜,许多科学家通过各种实验,最终证明了“以太”并不存在,其中比较有名的就是迈克尔孙莫雷实验。

而此时很多科学家都很纳闷,想不出到底哪出了问题。这时候爱因斯坦就在牛顿和麦克斯韦的基础上,从双方的理论体系中提炼出了两条基本假设:

  • 相对性原理
  • 光速不变原理

并仅用这两条搭建了整个狭义相对论的理论框架,整个过程有点类似于我们初中在做几何推理题。也从这时候开始,爱因斯坦颠覆了人类关于运动的认识,他发现,运动会改变一个运动物体的时间和空间,以此提出了时间膨胀和尺缩效应,并且发表了一篇论文。

后来他继续深挖,于是他又发现,运动还会改变一个物体的质量,并且通过动能定理求解,得到了质能方程。

但是得到了方程并不代表就能懂得其中的物理学含义。那该如何理解呢?

其实这部分的理解是关于相对论最大的误区,在许多科普中在描述原子弹爆炸时,都会说“质量转化了能量”。发现没有?这里直接描述成了转换关系。但是,我们要知道,爱因斯坦的这篇论文可是叫做《质能等价》,他要表述其实等价关系。也就是说,质量和能量其实是一回事,是一个物体的两个面,质量里有能量,能量里有质量,质能方程只是描述了它们之间的对应关系。(由于这个误区的根深蒂固,所以现在讲述这部分的大学教材都在着重强调,不信,你可以随意翻一本讲了质能方程的大学教材。)

也就是说,原子弹爆发,其实是损失了一部分的质量,这部分质量以能量的形式释放出来。如果,我们让一颗原子弹在一个封闭的空间里引爆,这个空间和外界没有任何的能量交换,如果有个理想的秤,我们称量这个封闭空间就会发现,它至始至终是没有发生任何变化的。

了解了这些,我们再回到物质、质量和能量,其实质量和能量都描述了物质,我们可以说

物质有多少质量,同时还可以说它含有多少能量。

所以,实际上物理学中的对于能量和质量的定义是和大多数人现象中的不同的,而能量和物质之间的关系也和大多数人想象中的不太一样。

能量和物质

所以,其实很多人纳闷的其实是,所谓的“纯能量”是不是可以转化为所谓“物质”。那我们继续拆解,物质其实是由原子构成的,原子是由电子和原子核构成的,原子核是由质子和中子构成的。当然,再往下还能分到夸克。

也就是说,其实这个问题可以变成所谓的“纯能量”或者我们说“光子”是不是可以转化成“物质粒子”。答案是:可以,只要温度足够高就行。

这其实就和宇宙大爆炸有关,在宇宙大爆炸初期,宇宙的温度很高很高,在那个环境下,光子的能量特别高,当一对光子的能量要高于一对电子和正电子的能量时,这对光子碰撞就可以产生一对电子和正电子,前提是温度达到了60亿度左右。而质子、中子、π介子等粒子也可以通过这个方式得到,只不过所要求的的温度不同,我们管这个温度称为阈值温度

不过,如果我们仔细看就会发现,是同时产生一堆正反粒子,也就是说,这对正反粒子其实还可以再湮灭转化成“纯能量”。

而我们如今的宇宙是正物质所主导,这是因为在宇宙早期,每10亿对正反粒子对撞,都会留下一个正粒子,不过科学家还没有搞清楚具体的原因。不过,毫不过分地说,如今构成万物的一切粒子都是10亿分之一的幸存者。


钟铭聊科学


能量转化为质量?诈一看好像又要涉及很多最最最前沿的知识,其实并没有大家想的那么难。OK,废话不多说,直接上证据:

先来个很简单的实验:假设有一个静止质量不打大的物体被一个恒力拉着作加速运动。ps:不考虑空间和其他作用力。接下来很简单吧,这个物体一直做线性加速,不会有其他变化。不过当它接近光速时,咳咳,重点来了,即使有着一个恒定外力作用,它的速度却不会线性增加,而是以光速为趋势线无限逼近但不会相交。

问题来了,恒力始终存在,物体一直向前运动,说明力一直在做功!可当物体接近光速时,速度变化极小,动能增加不大,那外力做的功去哪儿了?对,你没想错,就是变为了质量,当物体接近光速时,质量不断增加直到无穷大。

说到现在,你也应该想到如下这个过程:外界能量不断对小物体做功,接近光速时,由于相对论效应,物体的速度不会无限增加,多余出来的能量转化为质量增加保证能量守恒。欧克,恭喜你,完成了一次能量转化为质量😜😜

最后多说一句,这个实验不是我想出来的。这实验是为了保证“光速不变”这个现代物理学的公理和能量守恒不矛盾提出的。至于是不是老爱为了相对论和热力学基础公理不相矛盾提出的,就布吉岛了


君者勿云


从爱因斯坦的狭义相对论中,可以推导出著名的质能方程:

E=mc^2

其中E为能量,m为质量,c为真空中的光速(299792458米/秒)。

从中我们知道,任何物质都蕴含着巨大的能量。通过计算可知,只要大约1.1吨的物质完全转化为能量,就相当于全人类目前一年所消耗的能量。原子弹、氢弹、恒星以及正反物质湮灭都是利用了质量转变为能量的原理,所以这些过程才会产生巨大的能量,例如,之所以太阳每秒能够产生3.8×10^26焦耳的能量,是因为每秒有大约426吨的氢原子核转变为能量。

既然质量能够转变成能量,那么,能量反过来能否产生质量呢?

根据质能方程,质量和能量在本质上是等价的,这意味着它们之间能够互相转换,物质可以从纯能量中产生(m=E/c^2)。只是这个过程在目前十分罕见,但在宇宙的最初时刻决定了宇宙的未来。

能量转化为质量

根据宇宙学标准模型,宇宙起始于138亿年前,最初的宇宙中并没有物质和空间,只有一个拥有无限温度和密度的奇点。当宇宙诞生时,纯能量转化成各种正反粒子对。正反粒子对相遇之后,它们会发生湮灭,又再次转化为能量。

但由于某种不对称的过程,纯能量所产生的正物质粒子略多于反物质粒子,导致反物质粒子几乎被湮灭殆尽,宇宙中只剩下了一些正物质粒子。迄今为止,宇宙学家还不清楚究竟是什么原因让正粒子略多于反粒子。

随着空间的膨胀,宇宙温度逐渐下降,正物质粒子最终逐渐结合形成了中性原子。随着时间的推移,中性原子结合在一起形成了宇宙中的各种天体,乃至地球生命。也就是说,组成生命和非生命的各种原子最初都是源自于纯能量。不过,组成我们身上的原子现在很难转变为纯能量,除非与反物质的我们发生湮灭。

另外,物理学家在实验中也有可能实现能量产生质量的过程。根据布莱特-惠勒过程,如果让两个能量非常高的光子(伽马光子)互相碰撞,将会产生一对正反粒子对——电子和正电子,这意味着物质从能量中创造出来。目前,物理学家正在尝试把光转变为物质。一旦成功,意义非凡。

根据质能方程计算,如果要制造出1克物质,需要消耗大约9×10^13焦耳的能量,这相当于3070吨标准煤完全燃烧之后所产生的能量(可见化学反应的能效非常低)。基于目前的观测结果,可观测宇宙中的物质总重至少为10^53千克,这意味着宇宙最初至少有9×10^69焦耳的能量转化为物质。


火星一号


聚变啊


12386644617


在我的认知里,能量只是充当胶水,把不同的分子或原子重新组合生成新物质。在放能反应中,释放胶水,在吸能反应中吸收胶水,能量都未增加减少而守恒。物质湮灭而化成能量我想不通,我认为是转化成了别的看不见的物质(暗物质?)。

但按照中华文化中阴阳互化的哲学思想,物质和能量应该是能互相转化的。但阴阳又是平衡的,是不是物质和能量之间也是平衡的呢?

我猜想,植物应该能通过光合作用把能量部分转化成物质。这个不好验证。

地球源源不断地接收来自太阳的能量,如果转化成物质,地球应该越来越重吧?


秀发轻拢


反物物理学


用户860442191146


能量转化为物质是非常非常平常而常识的事情,只是与我们固有的观念相冲突,就视而不见而已。

物质转化为能量很好理解,有化学转化和核能转化,还有理论上的反物质与正物质湮灭的完美转化,1克物质完全转化为能量,根据爱因斯坦质能方程计算E=mc^2,得出1x10^-3x(3x10^8)^2=9x10^13J ,就是90万亿焦耳的能量。

这个能量相当于2500万度电,或约2.15万吨TNT爆炸当量,也就是相当1.5颗广岛原子弹的威力。

根据质能转换方程,爱因斯坦得出“物体的质量是它所含能量的度量”的结论,也就是说物质的质量和能量可以互相转化,质量可以转化成能量,能量也可以转化成质量,这符合能量守恒定律合质量守恒定律。

现在,质量转化为能量已经被核裂变和核聚变所证实,在大型强子对撞机里,科学家们也制造并能够短期保存微量的反物质,验证了反物质湮灭的能量。

但能量能不能转换为物质呢?理论上是可行的,而且也一直都在我们的眼皮子底下悄悄地进行着。

物质能量的释放可以在一瞬间,也可以可控的缓慢释放(可控核裂变或核聚变),但一个巨大的能量瞬间变成实实在在的物质质量,这种状态的转化的确还没有发现,人类也还不能做到。

但能量转化为物质早就已经是时空见惯的事情了,只不过人们并没有把它往质能转换去想而已。

这个司空见惯的事情就是光合作用。我们知道,绿色植物或者某些细菌的叶绿素能够吸收光能,会同二氧化碳和水等简单有机物,合成复杂的有机物,并且放出氧。

光合作用产生的有机物主要就是碳水化合物,这正是人类生存所必须的物质。如果没有阳光的照射,所有植物将在2个星期内灭绝。

光是什么?是电磁波,是阳光或者其他光源里面携带的能量,这些能量通过光合作用,在粮食、煤炭储存起来,为人类社会服务。

其实不光植物,动物和人体,都有光合作用,通过阳光的照射,动物机体里的物质才能够合成转化,保持健康状态。

据研究,每平方厘米皮肤暴露在阳光下3小时,可产生约20国际单位的维生素D,即使穿着衣服只暴露脸部,每天在阳光中1小时,也可以产生400国际单位的维生素D。

而这种元素是钙、磷吸收的辅助剂,在日常食物中是无法满足需要的,必须从阳光中获得。所以晒太阳可以补钙就是源于此。

一粒种子种在地里,在适当的元素和水分滋养下,通过光合作用,这些种子才能够生根开花结果,从一个丁点大的小花蕾,渐渐长大成一个个果实。

这些果实中就储存着太阳光的能量。

享用这些动植物微生物食物链的消费者们(包括各种动物),能够在这些食物储存的能量中,吸收获得至少10~20%的能量,光和作用还维系着地球上的碳氧循环,这是整个生态圈能够循环往复的赖以生存的关键。

这些难道不是能量转化为质量或者物质的事实吗?不是每天都在我们眼皮子地下进行着吗?只不过是复杂了些。

难道一定要放一个炮仗就出一粒豆子才是能质转换?不,那只是魔术。

那么,今后有没有可能将这种魔术变为事实呢?理论上是有可能的。

当人类文明发展到相当高级阶段时,也可以说宇宙高级文明的终极需求就是能量,有了能量就可以转化除一切物质。

我曾经有过设想,人类可以通过基因工程培育出一种无需氧气和水分就能生长的低等生物,就像青苔,只要有光照就能生长,而且生长出来是人类可以维系生命的食物和水分,这样人类在开发其他星球时,只要把这种种子带去,通过光合作用,就可以解决食物和水分问题。

这就是一种能量转化为物质的方式。当然这只是民科的想象,里面有很多科学元素没有深究,只是一种幻想。而且这种幻想只是人类发展中的过度产品,真正到了高级阶段就是能量的直接转换了。

所以,时空通讯认为,能量转化为物质(质量)是完全可行的,而且一直在进行中,今后还会越来越高级。

就是这样,欢迎讨论。

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