根据爱因斯坦质能转换公式,核弹实现了质量转为能量,那有什么能量转为质量的例子呢?
答案是非常多。但我要举一个最重要的例子,也是大多数人并不知道的例子。
首先我们看到的有质量的物体都是由原子组成的,原子是由原子核和电子组成的。原子核是由质子和中子组成的,而一个电子的质量约只有一个质子质量的两千分之一,可以忽略。这样有质量的物体,它的质量来源基本是原子核,即质子和中子。
好,有趣的问题来了,质子和中子分别由三个夸克组成,你们猜三个夸克的质量加起来有多少?你可能会说,一个质子(或中子)等于三个夸克,三个夸加起来的质量就是一个质子的质量嘛。我告诉你,答案是错的,三个夸克的质量加起来只有一个质子质量的7%!你没看错,只有7%!那么问题来了,剩下的93%哪里去了?
剩下的93%就是这个问题的答案,它来自于夸克之间相互作用的能量!三个夸克之间通过不断交换一种叫做"胶子"的无质量粒子,来维持质子和中子的存在。你也可以说这93%的质量来自于胶子,但胶子是无质量的,它是纯能量。这些纯能量贡献了一个原子93%的质量。
所以我们眼中的这个世界,有93%的质量是由能量直接贡献出来的。我们身体93%的质量是锁在质子和中子内部的纯能量!
更广义的来说,只要是基本粒子通过,强相互作用组成的复合粒子,其能量来源绝大部分都是相互作用能量,而不是基本粒子的质量。所以这是爱因斯坦质能方程一个非常重要的表现。
最明显的例子相信我们都听说过,那就是宇宙大爆炸!
在大爆炸之初,最后中并没有物质,当然也没有质量,而是一个纯能量体,就像一锅"浓汤"那样。温度和压力极高!
随着宇宙的冷却,宇宙开始产生最基本的元素氢,然后是氦,具体怎么由能量转化为物质的不再详述,这个过程非常漫长,并不是直接成为氢的,而是经过了一些基本粒子,比如中微子,胶子,夸克等!
所以,如今我们见到的一切都是由能量转化过来的,本质上我们都是"能量",而爱因斯坦的相对论也表明,能量和质量可以相互转换,它们本质上并没有区别!
那么在我们如今的现实世界,有没有能量转化为质量的例子呢?
在强大的粒子对撞机里就发生过这样的事情,两个接近光速飞行的粒子相撞,可以产生其他很多的微小粒子!
根据爱因斯坦的质能方程,我们都知道如果物质有质量的变化,那么必定有能量的变化,即ΔE=ΔMxc^2,这也就是原子弹的爆炸机理,通过减少质量来释放能量,但是如果反过来,有人就会觉得有点难实现;就好像这些能量神奇地变成了基本粒子一样,其实不是能量变成了粒子,而是这些能量通过粒子的组合方式被存储起来。自然界中最明显的例子就是光合作用,能量来源就是太阳光。
1:光合作用实在绿色植物的叶绿体内进行的,其过程分为光反应和暗反应两个过程,光反应的特点是在光的作用下,水分子水分子氧化释放电子,然后通过电子传送系统传送给NADP+,使它还原为NADPH。电子传递的另一结果是基质中质子被泵送到类囊体腔中,形成的跨膜质子梯度驱动ADP磷酸磷酸化生成ATP。这是第一步。
2:第二个阶段是在没有光的条件下进行的,暗反应阶段利用光反应产生的NADPH和ATP进行碳的同化作用,使气体二氧化碳还原为糖类;光合作用是一个巨型的能量转换过程,植物在同化无机碳化物的同时,将太阳释放的光能转变为化学能,这些能量存储在所形成的有机化合物中。
3:每年光合作用所同化的太阳能约为300J,约为人体所需能量的10倍。这些能量除了供植物本身和全部异养生物之用外,还可以供人类营养和活动的能来源。可见植物的光合作用就是以无机物为原料,在光的作用下,把能量转换为由质量的有机物存储起来,那么根据爱因斯坦的理论,有能量的增加,必定有质量的增加。
4:植物再一年内可以吸收二氧化碳约7e+11吨,合成有机物约5e+11吨;人类所需的粮食、油料、纤维、木材、糖、水果等,都是来自光合作用,可以毫不夸张地说,没有光合作用,人类就没有食物和各种生活用品,没有光合作用就没有人类的生存和发展。
爱因斯坦从狭义相对论中推导出的质能方程表明,质量和能量之间具有深层次的关联,连接它们的因子是一个常数,即光速的平方。从中我们可以知道质量能够转变为能量,核裂变反应(原子弹)、核聚变反应(氢弹、恒星的能量来源)、正物质和反物质发生湮灭都遵循这样的规律。既然质量和能量是等效的,前者可以转变为后者,那么,后者也是能够转化为前者。
事实上,这个过程出现在宇宙的最初时刻。时间回到138亿年前,在一次量子涨落中,宇宙从无限高的密度和温度中诞生。随着空间经历暴胀与膨胀的过程,温度逐渐下降,宇宙中的物质逐渐从纯能量中产生,我们现在所知的一切物质都可以追溯到宇宙诞生之初的纯能量。这是宇宙中能量转变为质量的第一个例子。不过,这个过程发生在138亿年前,我们都没有见证过。那么,在实验中能否实现能量转化为质量呢?
关于这一点,物理学家布莱特和惠勒在1934年提出了布莱特-惠勒过程:两个光子互相碰撞之后会产生一个电子和一个正电子,这样就能从能量中创造出物质。由于验证布莱特-惠勒过程需要极高能量的光子,所以这个过程目前还没有被完美验证过。尽管如此,多个光子转化为物质已经在美国SLAC国家加速器实验室中观测到。
此外,有一些人可能会认为光合作用是能量转化为质量的过程,但这是错误的。光合作用是一种化学反应,遵循质量守恒定律,反应之前和之后的质量并没有发生变化,只是光能转化为化学能。因此,太阳光照射到地球上,并不会使地球的质量增加。
原创思想,恕本人直言,E=MC2是爱因斯坦此生犯的最严重的错误,能量的基本单元是光子,又有谁能够把没有质量,永恒运动的光子`变’为有质量的物质?所以,能够赋予物质以质量的唯有质量点(即所谓`最小的黑洞’),当质量点俘获并囚禁伽马光子或其它物质粒子时,赋予新的物质粒子以质量。很抱歉,整个粒子物理的理论需要彻底地修改了。质量点和能量点-光子是构成一切物质粒子的基本构件,这就是本人的`终极粒子模型’。
质量和能量可以相互转换,这是爱因斯坦首次发现的一个宇宙终极秘密。核反应已经证明了质量可以转化为巨大的能量,我们通过计算可以知道,任何原子核的质量均小于构成它们的质子与中子的静止质量之和,这是因为部分质量转化为了结合能。但是,反过来,如果我们通过某种手段完全"捣碎"原子的原子核,则得到的质子和中子质量之和就会比原来原子核的质量大,能量转换成为了质量。而"捣碎"原子核的过程,则可以通过各种大型粒子对撞机实现。
除了上面的例子之外,还有一个更好理解的例子,即光子对撞机。把能量极大的光子对撞,可以得到正反电子对,而这也是一种纯光子能量转换成物质的例子。当然了,正反物质相互碰撞,还可以再次回到纯能量状态。
还有我们熟知的质子,大家都知道质子由夸克组成,但科学家却发现组成质子的三个夸克总质量仅占质子的%5,而剩下的95%全部来源于夸克和胶子的相互作用和各自的运动。这个现象的发现更加证实了质量和能力之间存在转换关系,即爱因斯坦的职能方程。
我们再回归到超弦理论,该理论直接认为所有的粒子都是由一维的能量弦振动而形成,如果是这样的话,那么很明显质量仅仅是能量存在形式的一种度量而已,不同存在形式的能量表现为不同的质量。比如束缚在质子里面的能量就贡献了质子95%的质量数,而夸克是否也是因为某种能量被束缚而形成的,我们期待未来科学家可以给出答案。
的确,爱因斯坦的质能方程式告诉我们,质量可以转化为能量,而且很小的质量可以转化为很大的能量,也正因为此,原子弹和氢弹的制成才有了理论依据。
从质能方程式来看,质量和能量其实是等价的,核聚变反应,核裂变反应,放射性衰变以及正物质和反物质的相互湮灭的过程,都是质量转化为能量的事例。 那么既然都说了质量和能量是等价的,质能方程式也没说过是单方向成立的,所以能量也是可以转化为质量的。
但是我们却很少听说过能量转化为物质的事例,这主要是因为能量转化为物质太难以进行了。科学家也一直试图验证能量也可以转化为物质,所以科学家用了很多的大型粒子对撞机来制造新的物质。最典型的一个例子就是光子和高速运动的电子发生碰撞,这样会制造出一个光子,一个电子以及另外两个具有质量的正反粒子(比如说质子和反质子)。 这样也算是通过能量转化为物质了,但是可以看到的是,这样转化并不容易实现,而且能够转化而来的物质也是很有限的。
其实可以说宇宙中一切的物质最初都是由能量转化而来的,137亿年前宇宙在一场大爆炸中诞生,在诞生之前,宇宙是一个质量无限大,密度无限大,而体积无限小的奇点。大爆炸之后10秒,温度在30亿度,这个时候质子和中子会形成轻原子核(主要是氢原子核)。 而大爆炸之后3分钟左右,温度已经降到了10亿度左右,这个时候也就不能再产生新的原子核了,所以可以说宇宙中的物质基本就是在大爆炸之后3分钟内产生的。
我们知道常规的能量是不可以转化为质量的,而只能够在各个物体之间相互转移或者是转化。而想要把能量转化为质量的话,这就要求比较高了,一种是要求比较高的能量或者是热量,而另外一种就是借助于反物质了,这和正物质的能量存在有些相反的方式,因此从能量转化为质量应该相对简单。
小行星俯冲瞬间低空爆炸或撞击地球导致地台活化,陨石坑岩浆冲击波层流里光速流动的物质转化为金属态氢离子聚合形成二氧化硅并衍生硅酸盐;同时部分金属态氢离子还聚合形成碳酸盐、硫酸盐等等。
实际上爱因斯坦本人就给出了这个能量转换成质量的公式。
加速物体运动,其质量会不断的增大,这就相当于加速物体运动的能量不断转化为运动物体的质量。下面看公式(别跑,这个公式非常简单)。
m0指绝对质量(可以理解为静止质量),m为相对论质量(运动物体质量)。C为光速、v为物体运动速度。
由公式可以看出:
对于一个有质量的物体,其速度v不能等于或者超过光速,否则分母将会无意义或为一个虚数(光子没有静止质量,因此其速度可以达到光速)。
有质量物体运动速度越接近光速,相对论质量会变得越来越大。
当v远小于c时,m近似于m0,符合牛顿力学定律。
实际上,E=MC²也可以从上面这个公式推导出来。
既沒有质量转换为能量的例子,也没有能量转换为质量的例子,能量是质量间能差的反应,能量只能由质量间释放所得!
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