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現(xiàn)在人類掌握質(zhì)能轉(zhuǎn)換率最高的就是核聚變。氫彈爆炸的能量驚天動(dòng)地，可以毀滅世界，這就是氫核聚變。其實(shí)核聚變質(zhì)能轉(zhuǎn)換率是極小的，約為質(zhì)量的千分之七，也就是一千克物質(zhì)只有七克轉(zhuǎn)化為能量，就如此厲害，這是為什么？

這就是質(zhì)能轉(zhuǎn)換的威力

質(zhì)能方程是愛因斯坦在一百多年前發(fā)現(xiàn)的，是人類對(duì)宇宙規(guī)律認(rèn)識(shí)的一次巨大突破。

質(zhì)能方程是描述質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量，或者能量轉(zhuǎn)化為質(zhì)量的關(guān)系式，有一系列繁雜的論證過程，作為科普這里就不列舉這些過程了，最后的結(jié)果非常簡(jiǎn)單明了，即表達(dá)為：E=MC^2。

這個(gè)公式等號(hào)左邊E表示能量，單位J（焦耳）；等號(hào)右邊表示質(zhì)量M乘以光速C的平方。質(zhì)量單位為kg（千克），光速單位為m（米），真空光速標(biāo)準(zhǔn)值為299792458m/s（米/秒），如沒有特別精確的要求，計(jì)算時(shí)為了更簡(jiǎn)單快捷，一般會(huì)將光速簡(jiǎn)化為300000000m/s。

別看這么一個(gè)簡(jiǎn)單的方程式，卻讓人類的認(rèn)識(shí)發(fā)生了突破性的進(jìn)展，從此，質(zhì)能守恒替代了過去的質(zhì)量守恒，更為精準(zhǔn)；人們知道了原來質(zhì)量里面竟蘊(yùn)含著這么巨大的能量，只要有辦法將質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量，能量就會(huì)取之不盡用之不竭。

這個(gè)方程的精髓是等價(jià)互換，這個(gè)等價(jià)是指質(zhì)量和能量是等價(jià)的，任何物質(zhì)只要質(zhì)量相同，蘊(yùn)含的能量都是相同的。1kg黃金，1kg炸藥，1kg棉花，1kg白菜，其全部轉(zhuǎn)化為能量都是一樣多，都是約9*10^16J，這些能量相當(dāng)于250億度電，或者2151萬噸TNT炸藥爆炸的威力。

幾千年來，人類獲取能量方式都是低效的化學(xué)方式

草木、煤炭、燃油通過燃燒取得的能量，都屬于化學(xué)能源，是通過化學(xué)反應(yīng)獲得能量，這種效率是極低的。比如燒煤，1kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒得到的熱能為7000大卡，約為29300962.74592J，這個(gè)能量只是質(zhì)能轉(zhuǎn)化率的0.000000000326。

因此在過去教科書中，質(zhì)量守恒就是基本正確的，因?yàn)橄牡哪屈c(diǎn)能量基本可以忽略不計(jì)了。但畢竟還是有一點(diǎn)點(diǎn)損失，因此質(zhì)量守恒只是相對(duì)準(zhǔn)確，并不是十分準(zhǔn)確，質(zhì)能守恒才真正準(zhǔn)確。

上個(gè)世紀(jì)人類發(fā)現(xiàn)了核能，核能才是通過質(zhì)能轉(zhuǎn)換獲取能量的模式，這是人類獲取能量的一次飛躍，但其轉(zhuǎn)換率也是很低的。目前人類了解的質(zhì)能轉(zhuǎn)換效率，除了正反物質(zhì)湮滅，還沒有任何技術(shù)能夠?qū)⑷抠|(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量?，F(xiàn)在最厲害的核聚變技術(shù)，也只能將0.7%的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量。

質(zhì)能轉(zhuǎn)換是等價(jià)的，那么能量能夠轉(zhuǎn)化為物質(zhì)嗎？

許多人常有疑問：既然質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量，為啥能量不能轉(zhuǎn)化為質(zhì)量呢？其實(shí)這種認(rèn)識(shí)是錯(cuò)誤的，質(zhì)能轉(zhuǎn)換并非單向，而是雙向互換，能量同樣可以轉(zhuǎn)化為質(zhì)量，同樣適用于質(zhì)能方程。

要將一點(diǎn)點(diǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量的條件都是極其苛刻的，很難的。比如要原子彈、氫彈爆炸這種極端條件，極端高溫高壓，才能轉(zhuǎn)換出一點(diǎn)點(diǎn)質(zhì)量。而將能量轉(zhuǎn)化為質(zhì)量的難度就更大了。

要知道，1kg物質(zhì)全部轉(zhuǎn)換成能量，可以得到相當(dāng)于250億度電，或2151萬噸炸藥爆炸的威力，這個(gè)威力相當(dāng)于1655顆廣島原子彈同時(shí)爆炸威力。根據(jù)等價(jià)互換原則，就是要這么大威力的能量，一點(diǎn)都不浪費(fèi)，全部包裹在一個(gè)容器里，才能夠得到1kg物質(zhì)。

其實(shí)能量轉(zhuǎn)化為物質(zhì)的質(zhì)量一直都在發(fā)生著，我們宇宙從138億年前大爆炸那一刻開始，就是純能量轉(zhuǎn)化為物質(zhì)質(zhì)量的過程。

宇宙如何從能量中誕生？

現(xiàn)代量子力學(xué)認(rèn)為，宇宙大爆炸前是沒有任何物質(zhì)的，也沒有時(shí)間和空間，只有本底能量，就是真空零點(diǎn)能，這個(gè)能量非常巨大。

這種能量蘊(yùn)藏在虛無的真空中，以量子泡沫的方式存在，這些量子泡沫以虛粒子對(duì)方式隨機(jī)出現(xiàn)，又很快湮滅。如果宇宙完全對(duì)稱和守恒，我們的宇宙就不會(huì)出現(xiàn)，現(xiàn)在也就沒有我們這些人類在這里瞎扯了。

早年，物理界宇稱守恒理論占有統(tǒng)治地位，那時(shí)的人們很迷惑，正物質(zhì)和反物質(zhì)既然是對(duì)稱的，正反物質(zhì)就會(huì)隨時(shí)湮滅，宇宙為什么會(huì)出現(xiàn)呢？現(xiàn)在的反物質(zhì)去哪里了呢？這些疑問一直到楊振寧、李政道的宇稱不守恒定律問世，才得到了解答。

原來宇宙只是基本對(duì)稱守恒的，但并不是完美的，是有破缺的，由此就出現(xiàn)了不守恒現(xiàn)象，那些隨時(shí)出現(xiàn)隨時(shí)又湮滅的虛粒子對(duì)，有那么一些不守規(guī)矩，單個(gè)沒有湮滅，奇點(diǎn)就出現(xiàn)了。這個(gè)奇點(diǎn)爆發(fā)并不斷膨脹，就出現(xiàn)了我們的世界。

根據(jù)這個(gè)理論，不守規(guī)矩的虛粒子不可能只有我們一個(gè)，或許還有許多許多，這就是在我們宇宙之外，還有許多平行宇宙的說法依據(jù)。

隨著宇宙的冷卻，能量轉(zhuǎn)化出我們的世界

在奇點(diǎn)大爆發(fā)那一刻，宇宙只有能量，那時(shí)的宇宙溫度無限高、密度無限大，無法衡量。一直到了普朗克時(shí)間，也就是10^-43秒（1000億億億億億分之一秒），溫度才降到了10^32K（億億億億K），密度降到10^94g/cm^3（克/立方厘米），這個(gè)密度超過質(zhì)子密度的10^78倍。

隨著宇宙的高速擴(kuò)張，溫度也下降很快。大爆炸后10^-12秒（1萬億分之一秒）時(shí)，溫度降到了10^-15K，各種粒子開始出現(xiàn)，質(zhì)子、中子、玻色子、中微子、電子、夸克、膠子都出現(xiàn)了，并穩(wěn)定下來。

這就是宇宙已經(jīng)從能量中轉(zhuǎn)化出了物質(zhì)，但這些物質(zhì)還只是以輕子為主，強(qiáng)子還極少。在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，宇宙溫度和密度都還極高，核力還無法束縛中子和質(zhì)子，連光也無法逃逸，宇宙處于黑暗不透明時(shí)代。

一直到了38萬年后，宇宙溫度降低到了3000K，中性原子才開始結(jié)合生成，真正有形物質(zhì)開始出現(xiàn)，主要是最簡(jiǎn)單的氫原子和氦原子，還有極少的鋰。這些元素飄蕩在宇宙空間，由于自身引力作用，開始凝聚成星云，而后生成了恒星、星系。

到這時(shí)，我們現(xiàn)在認(rèn)知的世界出現(xiàn)了，這些都是從能量中轉(zhuǎn)化出來的。

科學(xué)家們已經(jīng)模擬了宇宙大爆炸1秒鐘的狀態(tài)

科學(xué)家們?cè)跉W洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)里面，用1045萬億電子伏特強(qiáng)大能量推動(dòng)，讓兩束鉛離子在27km的地下管道中相向狂奔，當(dāng)將兩束鉛離子速度達(dá)到光速的99.9999991%時(shí)，讓它們發(fā)生對(duì)撞，瞬時(shí)產(chǎn)生了10萬億度的高溫，出現(xiàn)了一個(gè)迷你版的宇宙大爆炸，還原了宇宙大爆炸1秒前的場(chǎng)景，那是一種高溫高壓下，由夸克和膠子組成濃密的“原始粒子湯”。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)既印證了大爆炸理論的預(yù)期，也為能量轉(zhuǎn)化為物質(zhì)提供了證據(jù)。在對(duì)撞機(jī)的許多次實(shí)驗(yàn)中，質(zhì)量和能量的相互轉(zhuǎn)化都嚴(yán)謹(jǐn)符合愛因斯坦的質(zhì)能方程計(jì)算，由此更證明了這個(gè)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了100多年理論的偉大。

在人類世界，主要利用的是質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量

質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量的條件很苛刻，目前除了正反物質(zhì)湮滅，還沒有任何技術(shù)能夠?qū)⑷抠|(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量?，F(xiàn)在人類能夠掌握的質(zhì)能轉(zhuǎn)化率最高的技術(shù)就是核聚變技術(shù)。

人類在上世紀(jì)就掌握了核裂變和核聚變技術(shù)，但一直到現(xiàn)在，這種技術(shù)的可控性還只停留在核裂變上，因此可以用于民用，如核發(fā)電等，為人類解決能源問題起到了重大作用。

核聚變除了“轟”的一下氫彈爆炸，還無法做到能量可控地緩慢釋放，只有做到了可控緩慢釋放，才能夠推上民用，造福社會(huì)。

核裂變是將重原子核分裂成更小的原子核，在分裂過程中會(huì)虧損一部分質(zhì)量，這個(gè)虧損的量很小，理論上只有不到0.1%?，F(xiàn)在核裂變技術(shù)主要采用兩種原料，即鈾235和钚239，鈾235裂變過程質(zhì)量損失約為0.0946%，钚239的損失約為0.0961%。

核能是目前人類效率最高的質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)

別看1公斤鈾或者钚的裂變，只有不到0.1%的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量，但這種能量對(duì)于人類過去的化學(xué)能源來說，已經(jīng)是無法比擬的了。我們按照愛因斯坦的質(zhì)能方程來計(jì)算，1公斤核裂變?nèi)剂限D(zhuǎn)化出約1g質(zhì)量的能量，就是9*10^13J，這個(gè)能量相當(dāng)于2500萬度電，或25150噸炸藥爆炸能量。

當(dāng)然，這只是理論上完美轉(zhuǎn)化達(dá)到的效率，在實(shí)際操作中，無法達(dá)到這種效率。因?yàn)槿剂喜豢赡苓_(dá)到100%的純度，也不可能達(dá)到100%的全部裂變反應(yīng)。比如原子彈爆炸，在裂變反應(yīng)還沒有完全時(shí)，就炸散了。據(jù)一些資料介紹，廣島原子彈實(shí)際效率只達(dá)到1.2%，就是這個(gè)道理。

核聚變的效率比核裂變又要高多了，太陽和一切恒星能夠源源不斷的輻射出能量，就是因?yàn)槠浜诵某掷m(xù)的進(jìn)行著核聚變。由于核聚變發(fā)生要極高的溫度或高壓，如何將核聚變能量控制在一個(gè)容器里持續(xù)緩慢地釋放，還是一個(gè)全世界正在研究的難題。

核聚變?yōu)樯督小叭嗽煨√枴保?/p>

這是由于核聚變模仿的是太陽質(zhì)能轉(zhuǎn)換方式，因此，人們又把可控核聚變叫做“人造小太陽”。但請(qǐng)大家要厘清的是，人造小太陽不是制造出一個(gè)閃閃發(fā)光的小太陽照耀著人間，而是利用太陽核心這種核聚變方式獲得能量，用于發(fā)電或動(dòng)力，來造福人類。

事實(shí)上，人造小太陽只是一個(gè)巨大的機(jī)器，這種機(jī)器叫托卡馬克裝置（見上圖），核聚變反應(yīng)就控制在這個(gè)機(jī)器里進(jìn)行。

可控核聚變要解決的最大難題有兩個(gè)，一個(gè)是要將億度高溫約束在一個(gè)籠子里，而世界上沒有任何物質(zhì)能夠耐受如此高溫。現(xiàn)在對(duì)核聚變高溫等離子體約束采用的主要有磁約束和慣性約束，過去講過多次，這次就不細(xì)講了。

另一個(gè)難點(diǎn)就是能量輸入與輸出比，只有輸出比輸入大一定數(shù)量級(jí)時(shí)，這個(gè)技術(shù)才有價(jià)值。點(diǎn)燃核聚變需要很高點(diǎn)火溫度，也就需要輸入很大能量，如果輸入能量比輸出能量還大，或者只小一點(diǎn)點(diǎn)，就沒什么價(jià)值了。

現(xiàn)在這兩個(gè)難點(diǎn)都在不斷克服，各國(guó)都取得了不少進(jìn)展，在這個(gè)領(lǐng)域中國(guó)走在了世界前列，約束核聚變高溫等離子體的溫度和時(shí)間在不斷延長(zhǎng)，現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)了1.2億度約束101秒的突破。

但這種指標(biāo)距離可控核聚變真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用，顯然還有很大的差距。

核聚變質(zhì)能轉(zhuǎn)化率依然很低，未來還有更高的嗎？

越重的元素核聚變條件要求越苛刻，如氦核聚變溫度就至少要2億度以上。因此現(xiàn)在可控核聚變還只能從最輕的元素~氫開始，因?yàn)檫@種聚變要求的溫度條件是最低的。地球上的可控氫核聚變，通俗地說，就是在1億℃溫度條件下，氫原子核不斷融合成更重的氦原子核的過程，這個(gè)過程會(huì)有0.7%的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量，比核裂變質(zhì)能轉(zhuǎn)化率高出6倍。

也就是說1kg的氫，有7g質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量，根據(jù)質(zhì)能方程計(jì)算，可得到6.3*10^14J的能量。這個(gè)能量相當(dāng)于1.75億度電，或者15萬噸TNT炸藥爆炸的威力。當(dāng)然，核聚變也像核裂變一樣，受諸多因素影響，效率并不會(huì)達(dá)到完美的100%。

但不管怎樣，這已經(jīng)是人類現(xiàn)在能夠掌握最高效率的質(zhì)能轉(zhuǎn)化了。

從質(zhì)能轉(zhuǎn)化率0.7%到100%，這期間還有99.3%的空白，等著人類去發(fā)現(xiàn)。未來，人類還能夠找到更高效的質(zhì)能轉(zhuǎn)化方法嗎？不知道。但可以肯定的是，越高的質(zhì)能轉(zhuǎn)化率，轉(zhuǎn)化的條件要求就越高。我相信，人類科學(xué)不斷發(fā)展，總會(huì)有新的突破。

最完美的質(zhì)能轉(zhuǎn)化就是反物質(zhì)與正物質(zhì)的碰撞，1kg反物質(zhì)與1kg正物質(zhì)湮滅，能夠得到2kg的質(zhì)能轉(zhuǎn)換。不過反物質(zhì)在我們世界非常稀少，科學(xué)家們花費(fèi)巨大能量實(shí)驗(yàn)了幾十年，全世界得到的反物質(zhì)粒子（質(zhì)子和原子）加起來只有15ng（納克），全部湮滅還不夠燒一杯開水。

當(dāng)然，也幸好我們世界反物質(zhì)極少，否則恐怖分子隨便弄一把，人類就沒辦法存在下去了。你說呢？歡迎討論，感謝閱讀。

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