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?

2020-12-03 宇宙新思維

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。實際上能量和質量之間的轉化很難,別說能量很難轉化為質量,即使質量轉化為能量也很難。大家千萬不要把日常的燃燒、爆炸,簡單地看成是質量轉化為能量。燃燒、爆炸屬於化學反應,它們遵循質量守恆定律,也就是說,這個過程中質量並沒有減少,質量並沒有轉化為能量,只是不同能量之間的轉化,是貯存在物質裡的化學能轉化為內能。

從質量轉化為能量的轉化實質顯示其轉化的不易

典型的質量轉化為能量的例子就是核變反應。

核變反應

無論是原子彈的重核裂變,還是氫彈的輕氦聚變,都伴隨著質量虧損,人們用愛因斯坦的質能關係式ΔE=ΔmC^2,來計算虧損的質量轉化成了多少能量。先不說到底是不是質量轉化為了能量,咱先說說核變反應的不易,首先要開採鈾、鈽等核裂變材料,它們是極為稀有的放射性金屬元素,鈾元素在地殼中的平均含量只有百萬分之二,只少數國家有儲量,屬於戰略物資。

接下來就是提純,就是人們常說的鈾濃縮,使鈾235(鈾的一種同位素,可進行核裂變)相對鈾238的相對豐度至少要達到3%以上,這需要大量的離心機。核材料準備好了,還要研製核反應堆,這還只是核裂變,核聚變裝置更麻煩,世界上常溫下的核聚變裝置至今還沒有研製成功,

國際熱核聚變裝置

總之這些工程都是國家層面的,非個人能夠輕易實現的。

另外,所謂出現「質量虧損」的核變反應,實際上反應前後,構成原子核的質子和中子的數量和種類一樣沒少,減少的是核子(質子和中子)之間以及組成核子的三個夸克之間傳遞強相互作用的膠子形成的束縛質量

膠子形成的束縛質量

膠子本身雖然沒有質量,但膠子傳遞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得多。比如說一個質子的質量為938MeV/C2,而構成質子的三個價夸克的質量僅為11MeV/C2,大部分質量都是膠子帶來的。大多數重元素原子核的總質量大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,質量轉化為能量是非常難的,質量守恆定律還是很有道理的。

能量轉化為質量難上加難

至於能量轉化為質量就更難了,因為這需要超高能和超高輻射溫度。經研究計算結果,由能量生成一個電子需要的閾值溫度為62億度,而生成一個質子需要10萬億度。人工雖然可以創造數萬億度,比如說美國相對論重離子加速器2010年時曾創造4萬億攝氏度,

但維持時間太短且能量有限,這種溫度只能產生電子。至於所需超高能量,根據△E=mC^2,如果生成1克物質就需要8.98x10^13焦耳的能量,相當於2萬噸TNT當量,比當年廣島原子彈當量都大,這是不可想像的。那在自然環境中呢?

在自然環境中,只有宇宙大爆炸初期才具有那麼高的溫度,像我們太陽內部核心溫度只有一千多萬度,這意味著絕大部分物質都應該是在宇宙誕生之初產生的。事實也的確如此,根據宇宙大爆炸理論,

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),隨著宇宙的膨脹,溫度從最高普朗克溫度(1.416833x10^32K)開始下降,當然這時沒有任何物質粒子產生,只有能量的輻射。在誕生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,這時夸克和電子產生了。

夸克構成核

宇宙誕生0.1到1秒時,溫度也下降到1子000萬億度到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,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,我們人類目前沒有辦法創造像宇宙大爆炸初期的環境,因此到目前為止,人工還沒有辦法能大規模生成(1克以上)物質。

目前人們只能在實驗室裡用一對高能光子(能量)對撞產生正負電子對(物質)來舉例說明能量轉化為質量。

相關焦點

  • 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?
    有人提問:如果能量守恆定律是對的,人類為什麼不能用能量轉化物質?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。
  • 如果能量守恆定律是對的,人類為什麼不能用能量轉化物質?
    1905年,愛因斯坦提出了著名的狹義相對論,同時推導出了影響深遠的質能轉換公式E=mc ,於是有人根據它這一公式製造出了能量巨大的核彈宇宙誕生於138億年前的奇點爆炸,爆炸後產生了無限的能量,這能量最後轉化成了各種物質。其實現實中,物質轉化能量也處處可見。如煤炭轉化為能量、動物獲取食物得到能量、利用水獲得電能。
  • 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?
    有人提問:如果能量守恆定律是對的,人類為什麼不能用能量轉化物質? 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。
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  • 能量守恆定律、熱力學定律,在這裡可以一起學,一看就都會了
    能量守恆定律可以表述為:一個系統的總能量的改變只能等於傳入或者傳出該系統的能量的多少。總能量為系統的機械能、熱能及除熱能以外的任何內能形式的總和。如果一個系統處於孤立環境,即不可能有能量或質量傳入或傳出系統。對於此情形,能量守恆定律表述為:「孤立系統的總能量保持不變。」
  • 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。
  • 經典力學:能量轉化與守恆定律
    能量守恆定律告訴我們,各種形式的能是可以相互轉化的,在所有這些轉化的過程中,能量都是守恆的。以焦耳的實驗為基礎的熱力學第一定律,實際上就是內能與其他能量發生轉化時的能量守恆定律。能量守恆定律的結果是,第一類永久運動機器不能存在(這種機器不消耗任何能量,卻可以源源不斷的對外做功)。
  • 宇宙也遵循能量守恆定律,當能量無法進行轉換就是宇宙的終點!
    宇宙當中所有物態的變化都是要以能量的轉化為前提條件,能量從一種形式轉化成為了另一種形式的過程當中是不是有損耗的現象發生呢?以前我們一直信奉的能量守恆定律是真的嗎?或許這裡面存在能量的損耗才會出現這種情況,而能量損耗的數量是比較小的,我們幾乎探測不出能量的損耗程度。有些物理學家認為能量守恆定律是正確的,在這個範圍內有能量是可能利用,而有些能量則不被利用。在宇宙生命存在的過程當中,就是能量利用率在不斷下降的一個過程,當能量變為不可利用時,就是宇宙生命結束的時間了。
  • 熱力學定律和能量守恆
    2.熱力學第二定律(1)熱力學第二定律的兩種表述①克勞修斯表述:熱量不能 自發地 從低溫物體傳到高溫物體。(第一類永動機是違反「能量守恆定律」。關於第一類永動機可點擊藍色字體參考前文:汽車加水就能行,永動機再版?)(2)用熵的概念表示熱力學第二定律在任何自然過程中,一個孤立系統的總熵不會 減小 。
  • 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
    大家以為愛因斯坦老了,變糊塗了,不然如此簡單的數學公式都會算錯,其實愛因斯坦沒有錯,錯的是我們,我們一直以傳統思維去看待這個公式,而不是用發散思維去看待,如果使用發散思維去看待這個公式的話,你會發現這個公式不僅沒有錯,而且深刻的揭示自然界中存在的一個基本規律,這個規律就是著名的質能守恆定律,所謂質能守恆定律就是在一個獨立的系統中,裡面的物質不管發生什麼反應,不管是物理變化還是化學變化,獨立系統的總質量和總能量都不會改變
  • 能量守恆定律的發現
    本文簡述了從活力的提出、活力死力的論戰、熱量和溫度概念的區分、到能量概念的形成,最後簡述了邁爾、焦耳和亥姆霍茲對能量守恆定律的最終表述和確立的過程。19世紀中葉發現的能量守恆定律是自然科學中十分重要的定律。它的發現是人類對自然科學規律認識逐步積累到一定程度的必然事件。儘管如此,它的發現仍然是曲折艱苦的和激動人心的。
  • 宇宙能量從哪裡來?按照能量守恆定律很難解釋,難道是錯誤的?
    文/百家號科學年輪科學家的成果是全人類的財產,而科學是最無私的領域---高爾基能量守恆定律是一個重要的物理定律,這個定律很簡單,也非常容易懂,宇宙中的任何東西都遵循這個定律。宇宙中的任何能量都不會憑空產生和消失,只會相互轉換。能量守恆是目前科學界的公認真理,在宇宙中任何能量都是可以隨意轉換的,例如動能會轉化為熱能,熱能也會轉化為動能,各種能量相互轉換沒有約束。最神奇的是能量甚至可以轉換成質量,成為肉眼看得見的實物。
  • 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。
  • 如果能量守恆,那宇宙膨脹時,光子損失的能量去了哪裡?
    「在各種化學反應中,不會發生物質質量的損失;在所有物理變化中,沒有能量損失。」——亨利·恩菲爾德·羅斯科爵士上面這段話就是我們宇宙中的一個基本鐵律:能量守恆定律,所說的意思就是,能量不會無緣無故的產生,也不會憑空消失,一定是從一種形式轉化為了另外一種形式。
  • 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。所以,原子和光子之間可以相互轉化,光子和電子之間可以相互轉化,質量不變,是為物質能量轉化守恆定律。物質能量轉化守恆定律告訴我們:能量不會憑空產生,或者由電子聚變形成,或者由原子裂變形成,或者隱藏在其他物質形態之中。
  • 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?
    所謂的質能守恆定律就是質量守恆定律和能量守恆定律的統稱,主要是指在一個孤立的系統內,任何物質的質量和能量不管發生什麼反應,它們的總量是不變的,如果理解這個定律呢?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
  • 熱力學第一定律(能量守恆定律)
    熱力學第一定律(能量守恆定律)熱力學第一定律的內容就是能量守恆定律,其文字敘述如下:自然界一切物質都具有能量,能量有不同的表現形式,可以從一種形式轉化為另一種形式,也可以從一個物體傳遞給另一個物體,在轉化和傳遞過程中能量的總和不變。
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    能量既不會憑空產生,也不會憑空消失,只能從一個物體傳遞給另一個物體,而且能量的形式也可以互相轉換。這就是人們對能量的總結,稱為能量守恆定律。養蜂業界常說:蜜蜂蜜蜂,有蜜就有蜂。也有說有蜂就有蜜。那麼,從能量守恆上來講,蜜和蜂之間是可以以能量形式相互轉化。