光子最大能量是多少?家庭月耗電量!核電站一年才「造」2億個!

2020-12-04 物理科普

宇宙的動力,釋放出來時是能量,隱藏起來就化為質量。比如,大爆炸後的第一個普朗克時間(10^-43秒),宇宙溫度達到1億億億億開氏度,任何粒子都無法形成,所有的能量都儲存在宇宙最初的能量海——希格斯海中。138億年後的宇宙,光子是能量最常見的攜帶者,它們的靜止質量是0,每時每刻都在以宇宙的極限速度奔跑,永遠靜不下來。

光子的能量與它的頻率成正比,比例係數是普朗克常數h,頻率越高,光子的能量越大。單個光子的能量普遍比較低,通常以電子伏特(eV)來表示,1eV約為10^-19焦耳。歷史上最強的一次伽馬射線暴中,單個光子的能量達到了1兆電子伏,約為10^-13焦耳。

我們禁不住問,一個光子可以攜帶的最大能量是多少?揭開謎底前,必須搞清楚普朗克長度是什麼。

以前,宇宙空間被認為是光滑、連續的,即使拿一塊無限倍數的放大鏡去觀察,空間還是一樣光滑、連續。但量子理論出現之後,人們發現宇宙萬物都是量子化的,比如,電磁波的能量是一團一團的,並不連續,每一團能量就是一個光子;原子核外的電子軌道,彼此是相互遠離的,不同軌道之間並不連續。

物理學家據此推斷,空間也是量子化的,具有最小的長度。為計算出最小空間長度有多小,物理學家從量綱——類似於物理量的單位——出發,拼出了普朗克長度公式,計算下來,約為10^-35米(僅為數量級)。等於將1米的長度分成千億億億億份,就不能再繼續分割了,可見普朗克長度有多小。

光子的頻率與波長成反比,能攜帶最大能量意味著光子具有最大的頻率,即具有最短的波長。而波長的最小數值,只能是普朗克長度的2倍。光子的能量與波長的關係式是E=hc/λ,E、λ、h、c、分別為能量、波長、普朗克常數(10^-34焦秒)、光速(10^8米/秒)。將普朗克長度代入波長λ中,只估算數量級,就得到了一個光子的最大能量,約為10^9焦耳。

一個光子的最大能量——10^9焦耳,換算下來相當於300度電的能量,至少可供正常家庭使用一個月。中國最大的核電站,一年時間也只能造出2億個這樣的光子!當然,這麼恐怖的光子也只有在宇宙大爆炸之初的極端條件下,才可能被激發出來!

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