憑空造物可能嗎?更確切地說,能量能轉化成物質嗎?

2020-12-05 天文在線

本文參加百家號 #科學了不起# 天文航天系列徵文賽。

可以,但它需要和它的兄弟——反物質相遇。關於反物質,有件很神秘的事:它的實際存在量比理論上要少得多。讓我們先看一個迄今最著名的物理學方程:E=mc^2。它主要是說,質量是濃縮的能量,質量和能量可以互相轉化,就像兩種匯率差距巨大的貨幣。1克質量相當於90萬億焦耳的能量。但我具體該如何將能量轉化為質量?關鍵是:能量密度。

如果你在一個狹小的空間中濃縮一大股能量,新的粒子就會產生。如果研究地更仔細些,我們就會發現,這些粒子總是成對出現,就像雙胞胎。這是因為,粒子都有個副本,也就是反粒子,正反粒子的產生總是精確的1比1。

這聽起來很科幻,但卻是粒子加速器中的日常。歐洲核子研究中心CERN的大型強子對撞機中,兩個質子相撞,每秒能產生數十億粒子和反粒子。拿電子舉個例子:電子的質量很小,帶負電荷。它的反粒子,正電子,與它質量完全相等,但是帶正電荷。不過除了電荷相反,兩種粒子完全相同,也都非常穩定。比它們更重的粒子,質子和反質子,也是如此。

(圖解:反物質被認為是一種由「反原子」組成,其中「反質子」和「反中子」會組成原子核,正電子則圍繞在原子核周圍;圖源:nuclear-power)

科學家因此相信,反物質的世界看起來、摸起來、聞起來都和我們的世界一樣。在反世界中,也許有反水、反金,還有,比如反大理石。想像一下,大理石和反大理石被放在一起。這兩塊看起來很穩定的東西將會完全消失,變成一大波能量。和原子彈爆炸相似。由於物質和反物質相遇能釋放這麼多能量,科幻小說中常常出現控制反物質中的能量,比如,用來驅動《星際迷航》中的飛船。

(圖解:星際迷航裡的飛船;圖源:Vocal)

畢竟,反物質中的能量比常規燃料高了十億倍。1克反物質的能量就足以讓一輛車繞地球1000圈,或者把太空梭送入軌道。那我們怎麼還不用反物質來製造能量?因為反物質並不是隨處可見,任由我們豐收。燒反物質前,我們必須先製造它們,而目前製造反物質消耗的能量比燒它們能得到的,多十億倍。

但如果宇宙中就有反物質,而且有一天能被我們從某處的反行星上開採出來。幾十年前,很多科學家相信,這的確是可能的。如今,觀察發現,可見宇宙中,哪裡都沒有可觀的反物質儲備。

聽起來很古怪,因為如之前所言,宇宙中,反物質應該和物質一樣多。而反粒子和粒子應該以同等數量存在,那反物質去哪了呢?現在這真的是個迷。為了明白可能發生了什麼,我們必須回頭看看大爆炸。在宇宙產生的那一刻,巨大的能量被轉化成了物質,而初始宇宙

包含了等量的物質和反物質。但一秒鐘後,大部分物質和所有反物質同歸於盡了,這帶來了大量輻射,至今仍可觀測到。初始物質中,只有十億分之一留了下來,反物質則消失殆盡。你也許會說:「不對,等一下!為什麼所有反物質都消失了,卻有物質留下?」我們似乎很幸運,因為物質和反物質中,有一點點不對稱。否則,宇宙中,就完全不會有任何粒子了,人類也就不會出現。

(圖解:大型強子對撞機產生的粒子碰撞 圖源:CERN)

那這不對稱又是怎麼產生的?CERN的實驗試圖找出原因:為什麼有物質留了下來,所以我們的宇宙不是只有輻射?但到目前為止,我們還不知道答案。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3. TED-Ed-愛天文的Maddi-Tianshu Wang - Mingyu Cui

如有相關內容侵權,請於三十日以內聯繫作者刪除

轉載還請取得授權,並注意保持完整性和註明出處

相關焦點

  • 為什麼物質轉化能量容易,而能量轉化物質卻非常難?
    大家已經非常習慣了,認為物質轉化能量不是很正常的一件事嗎,但是很多人卻沒有想過這樣一個問題:根據愛因斯坦的質能方程,物質和能量是可以相互轉化的,也就是物質可以轉化為能量,同樣能量也可以轉化物質。如果能量也可以轉化物質,我們就可以用能量造出煤炭,木頭,黃金,鑽石等物質,可以說只要是物體,都可以通過能量來轉化。
  • 人類的科技難題:物質可以轉化為能量,那能量能轉化成物質嗎?
    人類的科技難題:物質可以轉化為能量,那能量能轉化成物質嗎?相信我們大家都聽說過物質轉化為能量的這個說法,例如我們生活中所經歷的蠟燭現象,就是一個很典型的例子,一個蠟燭原本是一個物質的狀態,但是將它燃燒殆盡,它會轉化為光和熱甚至是煙霧,這就是一個物質轉化為能量的過程。但是物質轉換能量的現象我們經常看到,不過能量轉化物質的過程我們確實見得很少。
  • 物質轉化能量很容易,為何能量轉化為物質卻很難?這裡告訴你原因
    其實木頭沒有消失,它只不過從木頭的形態變成了二氧化碳、一氧化碳、微小固體顆粒和其他物質,還有釋放熱能,而這些物質和能量未來經過化學反應和物理反應之後依然可以變回一塊木頭,所以本質上木頭並沒有消失,它只不過暫時從木頭變成其他物質,並且還轉化成一部分能量,這就是質能守恆定律,根據質能守恆定律,物質可以轉化為能量,能量同樣也可以變回物質,不過這僅僅是理論上的結論,因為在現實生活中,物質轉化為能量隨處可見,
  • 能量重新轉化成物質可行!
    能量重新轉化成物質可行!物質是可以生成能量的,而且我們在生活中時時刻刻都在見證物質轉化成能量的過程,比如說煤炭燃燒釋放出熱能,石油的利用等。那麼這裡就出現了一個疑問,這個過程可以逆反嗎?也就是說能量變成物質可行嗎?
  • 人類為什麼不能用能量轉化成物質?質能方程到底告訴我們什麼?
    對於這個問題首先要申明一點,能量守恆定律是對的,無論是在地球上還是在宇宙中,能量守恆定律是熱力學第一定律:能量既不會憑空產生,也不會憑空消失,它只能從一種形式轉化為其他形式,或者從一個物體轉移到另一個物體,在轉化或轉移的過程中,能量的總量不變。
  • 為什麼物質轉化能量天天出現,能量轉化物質卻只出現過一次!
    相信大家都聽過宇宙大爆炸假說,這個假說認為我們的宇宙來源於一個「奇點」,這是一個質量和密度都是近似於無限大的存在,因為爆炸產生了無比巨大的能量,此後數十億年,能量有慢慢轉變成了宇宙中的物質,這就是最基本的物理定律之一,物質和能量之間的互相轉換。
  • 愛因斯坦創立了質能守恆定律,那創造物質的能量到底從哪來的?
    很多人看到這道數學題都表示,你這是在侮辱我的智商吧,這麼簡單的數學題還讓我來算,6-3不就是等於3嗎?木材燃燒沒有改變自然總質量根據質能守恆定律,木塊消失的部分通過燃燒轉化成為二氧化碳、固體顆粒、氮氧化物、一氧化碳、液體粒子、氣體混合物等物質,同時木材燃燒產生的光和熱也會損失一部分質量,因為這個過程質量轉化成了能量,從單獨個體來看,木材的質量是損失了,但是從自然界來看,它沒有損失任何質量,只不過是在自然界這個獨立的系統中
  • 人類為什麼不能用能量轉化物質?質能方程到底告訴我們什麼?
    對於這個問題首先要申明一點,能量守恆定律是對的,無論是在地球上還是在宇宙中,能量守恆定律是熱力學第一定律:能量既不會憑空產生,也不會憑空消失,它只能從一種形式轉化為其他形式,或者從一個物體轉移到另一個物體,在轉化或轉移的過程中,能量的總量不變。
  • 物質轉化能量很難,但能量轉化物質卻很簡單,人人都能做到
    而愛因斯坦最廣為人知的,大概就是他提出的質能方程式了,E=mc,簡單而又神奇,它為我們的科技提供無限的可能,由於地球傳統能源的枯竭,我們的目光總是聚集在物質轉化為能量上面。到今天,我們研究出了很多物質轉化為能量的方法,在這裡強調一下,煤和石油等等物質的燃燒不是物質轉化為能量,物質轉化為能量的方法可以分為三大類。
  • 物質可轉化為能量,那麼能量可以轉化為物質嗎?
    如果您認可宇宙暴漲論的話,那麼恭喜您,我們的宇宙最早就是由一團緻密的能量所轉換來的!我們整個宇宙中的所有物質都是由暴漲後形成的物質所演化而成的,一直到現在仍然在不斷的進程中!暴漲初期的物質形成過程!從這一個角度上來看似乎完全是沒有問題的,但這也太遙遠了,而且這個奇點的條件似乎難以企及,那麼我們人類能將能量轉換成物質嗎?其實也可以,只不過這個代價實在有點大!
  • 4123.物質能量轉化守恆定律
    2018.11.19世界是物質的,物質存在各種形態,光子形態是其中之一。質子由一個正光子和三百零五個巨光子形成,也可以裂變成相應的光子;反質子由一個反光子和三百零五個巨光子形成,也可以裂變成相應光子;中子由三百零六個巨光子形成,也可以裂變成相應光子。
  • 太陽照著地球,給地球送能量,地球的質量會增加嗎?
    從初中所學到的化學中,我們就已經知道燃燒的本質就是物質進行氧化還原反應並釋放能量的一個過程,對這個過程,其實更本質的解釋就是一種高能物質要轉化成低能物質,那麼它就必須釋放出一部分的能量出來才能保證質能上的平衡的過程。也就是說,所有的物質,無論它最終通過什麼樣的物理變化或者是化學反應,其內部所涵蓋的質量與能量的總量是恆定的。
  • 如果能量守恆定律是正確的,人類為什麼不能用能量轉化物質?
    能量不能憑空產生,也不能憑空消失,不同能量之間可以互相轉化。能量守恆定律肯定是對的,但對的也不一定能使能量輕易變成物質質量。當然能量都對應著質量,這從愛因斯坦的質能關係式中可以看出。愛因斯坦不過,愛因斯坦的質能關係式E=mC^2隻是揭示了物質能量和質量之間對應的數量關係,而非指一定能轉化。
  • 人體之間的物質能互相轉化嗎?例如蛋白質能轉化為脂肪嗎?
    人體之間的物質能互相轉化嗎?例如蛋白質能轉化為脂肪嗎? 人體內有多種供能燃料,它們可以根據需要將特定的營養物質轉化為其他供能燃料源,從而讓我們了解我們的身體能轉化為哪些營養元素,並了解這些過程中是如何影響我們強身健體的目標的。
  • 能量既然不能憑空產生,那生成宇宙的能量來自哪裡
    宇宙中的能量最初是從哪來的?根據能量守恆定律,我們知道能量不會憑空消失,也不會憑空產生,它只能從一種形式轉化為另一種形式,或者從一個物體轉移到另一個物體,能量的總量是不會變的。 能量是什麼?其本質在物理上的意義是四維空間度量的一個物理量,就好比三維空間度量的物理量--動量,或二維空間度量的物理量--質量等。
  • 愛因斯坦質能守恆定律究竟對不對?人類為何不能用能量轉化物質?
    根據愛因斯坦的質能方程,物質和能量之間是可以相互轉化的,也就是說物質可以轉化為能量能量也可以轉化成物質。當時在人類生活之中很少看到能量轉化成物質的例子,很多人都在想,如果能夠用能量轉化成物質,那就可以用能量來製造很多的,黃金白銀髮家致富了,就像神話傳說裡面的金手指一樣。其中想法雖然看起來非常荒謬,但是也並不是完全不可能的。
  • 永動機真的需要能量不守恆嗎?
    說起能量守恆定律,就是大家平時所說的熱力學第一定律,就是說在一個獨立的系統中總能量是恆定的,不變化的,這邊多了,那邊就少了(此長彼消或此消彼長)。也就是說,能量既不會憑空產生,也不會憑空消失,只會轉化或轉移。典型的例子就是高處物體落下來後,就是把原來的勢能轉化成動能(在不考慮摩擦的前提下)。
  • 質能方程描述質量和能量是等價的,那麼能量可以轉化為物質嗎?
    狹義上理解,能量和物質是分開的,兩者可以相互轉化,比如兩個高能光子相碰,就有可能產生正負電子對;廣義上理解,能量和物質則是統一的。在核聚變與核裂變中,質量發生虧損,然後釋放巨大的能量,這也是氫彈與原子彈的爆炸原理,理論上說相反過程的反應也是可以進行的,但是難度非常大。愛因斯坦的狹義相對論描述到,質量和能量可以相互轉化,也就是大名鼎鼎的質能方程,微小的質量可以轉化為巨大的能量,比如在廣島原子彈中,質量虧損還不到1克。
  • 核武器把質量轉化為能量,我們能反其道而行把能量轉為質量嗎?
    可能很多人對這個數字沒什麼概念,為了讓大家了解這個能量的巨大,我們舉個生活中的例子。假如這1克物質產生的能量可以全部轉化為電能,那麼它可以提供一個100瓦的燈泡持續點亮28萬年。根據質能方程,我們是否能反其道而行,把能量轉換為質量存儲起來呢?能量轉換為質量肯定能實現的,不過要大量做到這一點,目前實踐上還是做不到的。現在我們來看看為什麼。在實驗室中,我們能看到一種能量非常高的射線——伽馬射線很輕易就能轉化為電子和正電子,正電子是電子的一種反物質。這時,我們看到能量和物質的轉換過程就顛倒過來了,能量通過這種方式轉化為質量。
  • 核武器把質量轉化為能量,我們能反其道而行把能量轉為質量嗎?
    可能很多人對這個數字沒什麼概念,為了讓大家了解這個能量的巨大,我們舉個生活中的例子。假如這1克物質產生的能量可以全部轉化為電能,那麼它可以提供一個100瓦的燈泡持續點亮28萬年。根據質能方程,我們是否能反其道而行,把能量轉換為質量存儲起來呢?能量轉換為質量肯定能實現的,不過要大量做到這一點,目前實踐上還是做不到的。現在我們來看看為什麼。 在實驗室中,我們能看到一種能量非常高的射線——伽馬射線很輕易就能轉化為電子和正電子,正電子是電子的一種反物質。這時,我們看到能量和物質的轉換過程就顛倒過來了,能量通過這種方式轉化為質量。