這個世界起源於能量,138億年前,宇宙有一個奇點爆發,從純能量幻化出現在的世界萬物。
能量是什麼?能量到底是什麼?是光是熱還是水與火?這是許多人的疑惑。
現代物理學是這樣解釋的:能量就是做功,是物質以運動方式表現出來的特徵,是物質的屬性。
能量的存在方式有很多,比如機械能、化學能、熱能、電能、輻射能、核能、光能、潮汐能、場能等等,這些都屬於能量的存在形式。
能量的單位一般採用焦耳(J),在原子物理學、粒子物理學等領域常用電子伏(eV)。1eV=1.602x10^-19J。有時也用爾格(erg),1erg=10^-17J。
電能還有一個通用單位就是度(kw·h),1kw·h=3.6x1000000J
以上這些,是我們對今天世界的認知。
在宇宙開端的那一刻,能量以什麼樣的形式存在,沒有人知道。
科學研究認為,大爆炸開端的普朗克時間之前,也就是10^-43秒之前,宇宙密度超過每立方釐米10^94克,就是在1字後面拖著94個零的質量,這個指甲蓋大的能量球有多少個億的質量,自己去算吧,而且是超過,超過多少,不知道。
這個時候的宇宙是超時空的一個奇點,空間和時間合一。根據量子力學理論,這個時候是處於量子真空狀態,充滿了與海森堡不確定性原理相符的量子能量擾動。但這只是猜測,永遠也不會有人知道超時空的狀態,那不是我們維度的事物。
因此在時空沒有誕生前,能量以什麼樣的形式存在無法描述,我們現在知道的四種基本力,是在普朗克時間以後才開始分離出來。
所以,最高境界的能量就是能量,無法解釋是什麼。這個巨大的能量在漫長的歷史過程中,經歷了138億年的演化,才有了今天這一切~物質。
所以,我們這個世界的一切都是能量轉化過來的。那麼,能量能夠轉化成物質,物質能夠轉化成能量嗎?
當然能。我們自古以來,柴火做飯取暖,煤炭石油發電跑火車,都是物質轉化為能量的實例,每天都在發生著。
但這種轉換裡面有什麼奧秘嗎?當然有。
20世紀最偉大的科學家愛因斯坦為我們揭示了這個秘密,使人類對物質世界的認識有了一次大的飛躍。
愛因斯坦的狹義相對論和廣義相對論早已成為現代物理學的基石,在相對論裡面琳琅滿目的科學珠寶裡,有一顆鑽石級發現,就是偉大的質能方程。
這個方程的表達式為:E=MC^2。
別看這個方程很簡單,但得到它卻經過了複雜的思考和演算,最終濃縮出了這樣的精華。
這才是大師級傑作,愛因斯坦把錯綜複雜的世界變得簡單而透明。
他告訴了我們,這個世界只有兩樣東西,質量和能量,而且這兩樣東西不但能夠轉化,而且能夠量化,這個表達式就是量化的標準。
能量E(單位J),等於質量M(單位kg)乘以光速C的平方(3x10^8)。
這個方程的偉大意義在於,揭示了質量的本質就是能量,巨大的能量只能產生出很小的質量,而很小的質量能夠產生巨大的能量。質量和能量是等價互換的關係。
按質能方程計算:1×0.001Kg×(3×100000000m/s)^2=90000000000000J
根據這個方程,1克的質量完全轉化成能量,能夠得到90萬億J的能量。
這是質量全部轉化為能量的驚人效率。
也就是說,不管是1克白菜還是1克黃金,它們蘊含的能量都是等價的,如果你有辦法把它們的能量全部釋放出來,不管是1克白菜還是1克黃金,都相當於1.5顆廣島原子彈的爆炸威力,相當於2500萬度電。
但質量要全部轉化為能量是很難很難的。
人類有記錄的文明史才有幾千年,但這幾千年來,人類都是採用化學轉換的方式來獲取能量,因此轉化出來的質能比貢獻是很低很低的。
我們來換算一下現代火力發電燃煤轉換為電能的質能轉換率。
有報導稱,發改委提供的數據為,火電廠每度電煤耗現在由2000年的392克標準煤已經降到360克,2020年將進一步降到320克。
我們按照最新的能耗,也就是2020年可能達到的一度電能耗320克,來測算一下現代燃煤發電最高質能轉化率。
1噸標準煤能夠發電=1000kg/0.32kg=3125度
3125度x3600000J=11250000000J
換算,1克質量職能轉換得到的能量為90000000000000/1噸煤得到的能量11250000000=8000倍。
也就是說1噸煤得到的能量只是1克質量全部能量的8000分之一,也就是1噸煤只得到了0.000125克質量全部釋放的能量。這個轉化率是多少?0.0000125%
這已經是非常大的提升了,之前有人測算稱,燃煤化學轉化得到能量只相當於質能轉化率的0.0000028%。
還有一個不可迴避的問題是,化學能源是地球長期積累的結果,如煤炭石油的生成需要億萬年的時間,現代人類採集多少,儲量就少多少,生成速度與採用速度完全不成比例,這樣能源枯竭就成了必然趨勢。
怎樣解決這個瓶頸,從上世紀開始就是擺在各國科學家和政要面前的重大課題。
為了尋求更高的能量轉化率,在愛因斯坦質能方程的啟發下,人類發現製造了核能。
1945年8月6日,美國在日本廣島投放了人類歷史上首顆原子彈,這顆爆炸當量約1.3萬噸代號為「小男孩」的原子彈爆炸,驚醒了世人,象徵著人類掌握了核裂變技術。
1945年8月9日,老美又在日本長崎投下了當量約2萬噸代號為「胖子」原子彈,巨大的能量釋放直接促使日本無條件投降,第二次世界大戰從此結束。
這是人類掌握了職能轉換的新方法,大大提升了質能轉化的效率。
後來人們掌握了可控核裂變技術,並利用這個技術建造核電站,開始了和平利用核能的新時代。
人類還開發出了氫彈,利用核聚變技術進行質能轉換,比核裂變效率更高。
核裂變質能轉化率為0.13%,核聚變質能轉化率為0.7%。
我們可以看出,核裂變比燃燒煤這種化學能量轉化方式效率提升了10400倍,而核聚變又比核裂變提升了5倍多。
但是,目前人類掌握的核聚變還處於不可控階段,還只能製造一次性爆炸釋放能量的核聚變武器。
核聚變的研究是許多國家當前正在努力攻克的科研項目,也取得了很多突破性進展,比如已經實現了可控核聚變的能量輸出大於輸入,受約束連續核聚變時間取得進展。
這項研究中國正在彎道超車,中國的「人造太陽」實驗裝置EAST(先進超導託卡馬克實驗裝置),已經獲得超過101.2秒的穩態長脈衝高約束等離子體運行,在這方面走到了世界前列。
但畢竟還只有100秒的可控連續核聚變,要解決的問題還很多,距離真正的推上商業運行路還很漫長。有人預言,可控核聚變技術將在2050年進入商業化應用,我們樂見其成。
可控核聚變成為常用能源後,人類發展的瓶頸~能源危機將會在一個相當長時期消除。因為核聚變原料很多,可謂取之不盡用之不竭,而且核聚變是最清潔的高效能源,對保護環境改善環境會起到重要作用。
而現階段開發的可控核聚變所需要的原料為氫的同位素氘和氚,這些元素在海水裡就可以提取,1升海水可以產生300升汽油的能量,朋友們可以計算一下,太平洋的水有多少?大西洋的水有多少?印度洋的水有多少?可以用多少年?
人類還發現了在月球上有大量的氦-3儲量,氦-3核是一種更加清潔高效的核聚變燃料。但這種核聚變反應條件更高,因此技術條件要求也就更高,人類的可控核聚變還要一步一步進行。
而且對於月球資源開發,目前也還是處於半科幻狀態,現在奢談為時尚早。
但月球氦-3的儲量有百萬噸之巨,足夠人類使用上萬年。要知道,氦-3這種物質整個地球儲量才有500千克左右,因此月球資源尤為珍貴,這個地球的小兄弟無疑是人類發展能源的儲備庫。
但是,人類對能源的需求隨著文明等級的提升,將會越來越大,而且是成數量級增長。因此除了核聚變,人類還必須有更長遠的眼光。
按照卡爾達舍夫宇宙文明等級理論,宇宙文明分為三個等級。
一級文明為母星級文明,就是文明必須能夠掌控利用所在行星的全部資源和能源;二級文明為母恆星文明,就是必須能夠掌控和利用所在恆星系全部能源和資源;三級文明為母星系文明,就是必能夠掌控利用母星系全部能源和資源。
作為人類來說,達到一級文明,就必須能夠掌控和利用地球全部資源和能源,再也不怕來自地球的天災人禍;達到二級文明就是能夠掌控和利用太陽系全部資源和能源,再也不怕來自太陽系的各種災害,如太陽劇變、小行星撞擊等;達到三級文明就是能夠掌控和利用銀河系全部能源和資源,基本不怕任何災害了,人類可以永遠存在,只有宇宙大爆炸和意識消散才能夠終結人類。
這三個文明的活動範圍分別為:一級文明只能在地球或鄰近星球活動,上天入地,下海捉鱉不在話下;二級文明可以在太陽系周邊活動,到鄰近的恆星系走個親戚什麼的;三級文明就可以在星系之間隨意穿梭了,那個時候什麼光速瓶頸限制都不在話下了,曲速引擎,蟲洞穿越早就成了古老傳說,至於人類已經成為一種什麼樣的存在方式,或採用什麼樣的星系移動工具,都無法想像。
這些文明等級狀態劃分雖然並不一定十分精確,但大致發展方向還是得到科學界廣泛認同的。
而要實現文明的升級,最主要的度標就是掌控能量利用能量的水平。
這些文明等級的劃分,能量輸出量是唯一度標。根據文明所在的恆星系統和星系不同,所要求的的能量輸出量也是不一樣的。
比如人類文明達到一級文明,文明活動所輸出的功率要達到每秒10^16~10^17瓦,這是目前我們地球接受太陽能量總和;二級文明活動輸出功率要達到每秒4×10^26瓦,這是太陽每秒鐘所產生的能量;三級文明活動輸出功率要達到每秒4×10^37瓦,這是整個銀河系能量輻射的總和。
而我們地球目前的能量消耗量才達到約10^13瓦,所以,我們的文明等級還只有0.73級。
事實上,人類現在的問題多多,各種災害和溫室效應以及核戰、瘟疫等還嚴重威脅著人類生存和發展,對地球資源和能源完全控制利用還相去甚遠。
科學界認為,文明提升0.1個等級,需要增長10倍的能源輸出,這樣我們人類要達到一級文明水平,還需要增加1000倍~10000倍的能量輸出;要達到二級文明,需要達到現在100億倍以上的能量輸出。
人類已經進入了發展的快車道,因此每年的能量需求和產出都在快速增長,並且很可能要進入數量級增長的階段。
科學家預測,人類要達到一級文明,可能需要200年左右,要達到二級文明可能還需要奮鬥5000年。
三級文明現在無法預測,很可能需要億年,甚至十幾億年的漫長時間。
從以上文明發展的度量,可以看出,能源是文明的源泉,能源不解決,人類文明無法前行。
隨著文明程度的提升,能源的額需求和作用將會越來越大,甚至人類本身存在形式都可能發生巨變,很可能要幻化成意識或者能量的形式,對能量的需求我們現在無法想像。
人類僅僅依靠現有的能源利用水平是遠遠不足以維繫未來文明發展需求的。
現在人類開始進入石化時代轉向核能時代的過渡期,可控核聚變能源利用還處於試驗階段。即便核聚變推上了社會廣泛運用,這種能源的使用方式質能轉換率也只有0.7%,轉換效率還是相當低的。
現在人類已經知道了最高的質能轉化率是100%,目前所知只有反物質與正物質湮滅爆發出來的能量,才是100%質能的完美轉化。
1克反物質與1克正物質碰在一起,就會全部湮滅,產生出2克的質能轉換,得到1800億千焦,也就是5000萬瓦的能量。
但是,我們這個世界反物質是十分稀少的,而且製造、捕獲、儲存都是極端困難的。全世界科學實驗經歷了幾十年,花費了無數的能量,得到的反物質還不夠燒開一杯開水。
而且如果真的反物質多了,比如有一個反物質星球來到地球,就會與地球結合而湮滅,人類和地球就將化為烏有,這當然是得不償失。所以反物質的利用既艱難又十分危險,弄不好會毀滅自己。
那麼還有沒有更多選擇的高效率能源利用方式呢?
我想一定會有的,只不過人類對世界的認知水平還處於較為淺薄狀態,對能源的利用還處於很低級階段,這種水平是與我們的文明程度相匹配的,我們還有很多未知領域沒有開拓而已。
大自然不會留下0.7%~100%之間99.3%這樣一個能源利用空白,質能轉換率除了核聚變和反物質湮滅,還有99.3%的空間尚待發現和開發。
誰是繼愛因斯坦之後,又一位開啟物質和能源之間通道之門的大師呢?他(她)現在出生了嗎?或者他(她)就在芸芸眾生之中等著脫穎而出?我們拭目以待並願意用崇敬的心態迎接他(她)的到來。
就是這樣,感謝閱讀,歡迎討論。
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