人類已能按E=mC把質量轉化為能量,但能用能量生成1g質量?

愛因斯坦

愛因斯坦的質能關係式E=mc深刻揭示了物體的質量和能量之間的轉化和對應關係，不能把能量和質量簡單解釋為物質的一體兩面：從狹義的物質概念說，質量和能量聚於一體時就形成物質，光是純能量狀態時就不是物質，質量是物質的主要特徵。而從廣義的物質概念說，能量是物質的最基本屬性，一個物體可以沒有質量，但不能沒有能量。從以上可以看出，不管是從狹義還是廣義上理解，能量是物質最本質的東西，可以說沒有能量就沒有物質，能量是客觀實在性的最原始存在體現。我們的一切一切，宇宙的一切一切都是從能量開始，都是從宇宙奇點的大爆炸開始，超高能量通過奇點膨脹而出，創造出了我們這個能夠感受到能量存在的宇宙。

奇點大爆炸

在宇宙膨脹創生過程中，能量或以純空間（廣義上說是一種純能量物質）的方式，或以物質粒子的方式來表達它的存在。可以說宇宙大爆炸的早期過程就是能量生成物質（質量）的過程，也是目前所知，能量大規模生成質量（1g以上）的唯一方式。人類目前還無法做到這一點。下面我們詳細分析一下。

一，能量生成質量的兩種方法――超高能和超高溫，宇宙大爆炸早期是能量大規模生成質量的唯一時期。

由能量生成質量確實不容易，很多人只能用一對光子碰撞生成一對正負電子來舉例說明能量生成質量，

光子產生大量正負電子對

但普通光是產生不了電子的，這需要高能γ光子（還必須存在於重原子核或黑洞附近，滿足能量和動量守恆定律）或高輻射溫度兩種方法，這也是任何能量生成質量的兩種方法。先說高能γ光子的波長只有0.1埃米（10^-11米），包括太陽光在內的普通光波長最短也有10^-7米，差了四個數量級，太陽根本產生不了高能γ光子，只有在宇宙射線中才能找到。由宇宙射線中的高能γ光子產生電子是全宇宙概率性的漫長機制，是不能由能量集中產生物質的，也不是人類能夠控制的。至於超高溫是多高？我們下面將要談到。反正目前自然環境下是無法達到這麼高的溫度的，唯有上面所講的宇宙大爆炸初期才能夠達到這麼高的溫度，也正如上面所講的，宇宙大爆炸初期過程是能量大規模生成質量的唯一時期。

發生這一切的前提就是超高的溫度，根據量子力學和現代宇宙大爆炸理論，

宇宙大爆炸

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，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數量級，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，經研究計算表明，由能量生成一個電子所需的閾值溫度為62億度，產生一個質子則需要10萬億度。在自然環境中，只有宇宙大爆炸初期才具有這麼高的溫度，像我們太陽內部核心溫度也只有一千多萬度，這意味著絕大部分物質都是在宇宙誕生之初產生的。

二，人類目前無法用能量生成1g質量

那在人為環境又如何呢？目前人類創造的最高溫度是4萬億度，是美國座落於布魯克黑文國家實驗室的相對論重離子加速器RHIC於2010年創造的，

相對論重離子加速器

當時是把兩束金離子束各自加速到近光速後對撞，產生夸克――膠子等離子體的溫度高達4萬億度，2012年時曾瞬間達到5.1萬億度，是太陽內部溫度的30萬倍，

對撞機

物理學家觀察到了宇宙大爆炸短暫時間內出現的「接近完美」的物質形態，這種溫度也只能夠產生電子，但能量有限且維持時間太短暫了，根本無法生成1g的物質，根據E=mC，算得需要8.98755x10^13焦的能量才能生成1g質量的物質，這個能量約相當於2萬噸TNT當量，比當年的廣島原子彈14000噸TNT當量都大，因而是不可想像的。

三，質量轉化為能量的真正解釋，物質不滅定律即質量守恆定律是正確的。

我們平時看到很多所謂的質量轉化為能量的現象，比如說爆炸、燃燒、取暖等化學反應，嚴格說起來都是遵守質量守恆定律的，儘管放出很大的熱量，但幾乎並沒有減少反應物的質量，只能算是儲藏在物質分子鍵中的化學能向內能的轉化而已，實際上並不能算是質量轉化為物質。我們再來看看核聚變，這是大家公認的質量轉化為能量的典型例子。

物質核聚變反應釋放出大量能量（前提也是必須達到極高溫度），物質確實出現「質量虧損」，但組成物質元素的中子和質子的種類和數目並沒有減少，減少的是組成質子和中子的夸克之間起傳遞相互作用的膠子所形成的束縛質量。我們現在已經知道核子（中子和質子）都是由三個夸克組成，核子之間以及組成核子的三個夸克之間被傳遞強相互作用的膠子束縛，

夸克和膠子

膠子本身雖然沒有質量，但膠子強相互作用產生的束縛能所形成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，而三個價夸克的質量僅為11MeV/C2。大多輕元素原子核的總質量小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，不管是由能量轉化為質量，還是由質量轉化為能量都不太容易，它們的條件都是超高溫度或超高能，只有宇宙大爆炸早期才全部滿足這些條件。因此在宇宙大爆炸的早期，即宇宙誕生之初就幾乎生成了全部宇宙物質（質量），而宇宙大爆炸又是一個不可逆的過程，所以生成的物質不會真正地消失為能量。即物質既不會憑空產生，生成的物質也不會無故消失，物質不滅定律即質量守恆定律還是很有道理的。

四，最後

隨著人類科學水平和技術手段的提高，不排除人類在未來會找到大規模由能量生成質量的機制方法，讓我們拭目以待。