為什麼黑洞是將質量轉化為能量的最有效的方式

2020-12-02 蝌蚪五線譜
圖片來源:MINUTEPHYSICS

愛因斯坦最著名的質能方程E=mc在物理學上的應用幾乎是無限的。但它最明顯的後果之一,就是即使是少量的質量也能產生巨大的能量。在MinutePhysics 給出的這段視頻中,舉出的例子是,如果一隻貓的能量能夠被完全提取出來,那將可為挪威整個國家提供一年的電力。不幸的是,事情並沒有那麼簡單。

實際上,要從物質中提取能量是非常困難的。有少數一些方法可以做到這一點,但即使是那些對於我們來說非常強而有力的方法,比如核裂變或核聚變,也只能從質量中轉化一小部分勢能(核裂變的質能轉化率為0.08%,核聚變為0.7%)。

除了使用在宇宙中極為罕見的反物質,從質量中提取能量的最有效的方法是將質量降為黑洞。黑洞極其微小,但它卻蘊藏著不可思議的引力。這意味著當物體進入到黑洞的軌道時,會在落入黑洞的過程中不斷加速。想像一顆正在進入地球大氣層的流星,它在進入大氣層時會加速,釋放出能量。再想像一下,物體以指數增長的速度快速移動,在它永遠墜入黑洞之前將能量全都釋放到宇宙中的情形。

對於一個非旋轉型的黑洞,使用這種方法能將一個物體質量的6%轉化為能量。但我們還可以再更進一步。由於旋轉型的黑洞會使得時空結構彎曲,所以物體可以在下落掉進黑洞之前更接近事界(黑洞周圍物質有去無回的邊界),從而釋放出更多能量——高達42%。

這些對於處在地球上的我們人類來說並沒有什麼意義,因為我們一直在使用諸如核裂變之類的低效方法來釋放物質的能量。但也許已經有外來物種成功地利用了這種能量,利用黑洞釋放的能量來供養自己的文明。

蝌蚪五線譜編譯自popularmechanics,譯者 狗格格,轉載須授權

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  • 如何高效地把質量轉化為能量?黑洞是一個不錯的選擇
    質能轉換公式是全世界最著名的公式之一,它描述的是所有具有質量的物體都潛藏著巨大的能量。比如說,一隻五千克的貓,其質量擁有的能量能讓挪威這個國家供電一整年。但前提是我們有將貓所含有的能量完全提取出來的方法。但我們發現,要高效地將質量轉化為能量是件非常困難的事。
  • 物質可以轉化為能量,為啥能量很難轉化為物質?
    首先要明白一點,物質轉化為能量這個過程,其實是用物質的質量作為材料來實現的,舉個例子,我們把火柴點燃,那麼火車這種物質會慢慢消耗轉化為熱能,請問這個過程體現了:物質轉化為能量沒?我估計很多網友會認為,這不就是物質轉化為能量的很好例子啊。可惜我要告訴你的是,這種並非是物質轉化為能量,因為這裡面轉化為能量的並非是直接由質量的虧損來產生的。
  • 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?
    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。
  • 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?
    質量和能量是事物的兩個方面,當核武器發生核反應時,不管是聚變反應還是裂變反應,它都將失去質量轉變為巨大的能量輸出。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。
  • 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?
    世界上最著名的公式非愛因斯坦的質能方程莫屬,它是從狹義相對論得出的關於質能和能量之間的關係。就算是沒學過物理的人,也知道原子彈的巨大威力,而原子彈的理論基礎就是該公式。質量和能量是事物的兩個方面,當核武器發生核反應時,不管是聚變反應還是裂變反應,它都將失去質量轉變為巨大的能量輸出。
  • 質能方程揭示質量可轉化為巨大能量,那麼能量可以轉化為質量嗎?
    愛因斯坦的質能方程揭示了物質質量與能量的等效關係,讓讓們知道了質量中蘊含著巨大的能量。著名的質能方程表達式為:E=MC^其中E為能量,單位為焦耳(J);M為質量,單位千克(kg);C為光速,取值約300000000米/秒(m/s)。
  • 哪些是質量轉化為能量的過程?質量和能量是等價的嗎?
    從愛因斯坦的質能方程(E=mc^2)來看,質量和能量在本質上是等價的。核聚變反應(比如氫彈和恆星)、核裂變反應(原子彈和核電站)、放射性衰變以及正反物質的湮滅反應,這些過程都是質量轉化為能量的過程。既然質能等效,並且質量能夠轉化為能量,反過來,能量也是能夠轉化為質量。在很多高能粒子加速器(比如大型強子對撞機)中,就是利用能量來產生新粒子,以驗證理論預言。
  • 依據質能方程可以將質量轉化為能量,能否用能量生成1g的質量呢?
    在此基礎上,愛因斯坦運用動能定理和動量定理,可以進一步推導出物體所具有的能量與本身的質量之間的關係,其表達式為:E=m*c^2-m0*c^2,人們通常將其簡化為E=m*c^2,這就是著名的質能方程。質能方程的含義根據簡化後的質能方程,人們很容易聯想到既然這個等式存在,那麼有多少質量就可以轉化為多少能量,有多少能量也可以轉化為多少質量,其實這麼理解是不準確的。
  • 黑洞穩定性和「臨界質量」問題
    像太陽一樣的中等質量恆星通過紅巨星的爆炸方式轉變為白矮星,大質量和超大質量恆星通過超新星的爆炸方式轉變為中子星和黑洞。在中子星的情形中,恆星核心的所有物質被壓碎成中子和其它粒子,恆星核心的物質被壓縮成中子星之後停止了引力收縮,中子星內部的中子簡併力抵抗了中子星自身的強大引力。
  • 質量和能量可以相互轉化?不對,質量和能量根本就是一回事
    很多人誤會了愛因斯坦,也誤會了質能方程,他們認為質能方程說明了質量和能量可以相互轉化,而事實上這種說法是錯誤的,質量和能量無法相互轉化,因為二者根本就是一個整體,又何來轉化呢?在質能方程中,這一點體現得極為明確,質量等價於能量。正是因為質量守恆、能量守恆,所以才有了質能守恆。為了便於理解,我們還是可以從物質運動的角度去思考這個問題。
  • 發現一顆最遙遠的超大質量黑洞
    例如,我們所棲息的銀河系就是這樣,在其中心的黑洞質量約為太陽的400萬倍。關於黑洞,一直有著種種困擾我們的未知謎題,其中一個便是:這些超大質量黑洞究竟是如何形成、以及需要多長的時間才能達到如此巨大的質量的?現在,天文學家在早期宇宙中,發現了一個迄今為止已知的最遙遠的超大質量黑洞,它的出現使我們更加的困惑。
  • 從黑洞到黑洞能量,人類如何走進黑洞?
    98.5%以上,在這樣的基礎上,黑洞的質量仍遠超太陽。愛因斯坦最著名的質能方程 E=MC^2,向人們揭示了質量轉變成能量的可能。如果質量可以100%轉化為能量,一隻貓所產生的能量就可以供挪威一個國家使用1年。霍金在1974年發表的一篇論文中提到黑洞雖然可以吸收各種物質,但還是會洩漏出少量的輻射。這也就意味著,能量是可以從黑洞中逃脫出來的。這些能量匯聚在黑洞周圍,形成一層「熱大氣」。
  • 光子的靜止質量為零,為什麼還能被黑洞吸引?
    1.按照萬有引力定律,光線的偏折只要實際觀測的一半2.無法解釋為什麼所有的物質引力質量和慣性質量相同。3.不能完全解釋水星在近日點時出現的進動現象。為了解釋這些現象,1907年,愛因斯坦初次提出了廣義相對論:將牛頓的萬有引力定律和狹義相對論進行了推廣,從而解決萬有引力定律的局限性,同時也對引力的本質表達出了自己的觀點。
  • 光沒有質量,為何會被黑洞吸引?
    學過物理的可能知道,光子沒有靜止質量,按照牛頓的萬有引力定律,光是不可能被黑洞吸引的。那為什麼黑洞可以吸引附近的光呢?●先來認識光光是我們認識世界的信使。愛因斯坦從狹義相對論中推導出的質能方程告訴我們:質量和能量是物體同一性質的兩個不同度量方式,能量和質量是高度統一的,有能量的物體便具有質量,有質量的物體也擁有能量。根據質能方程E=mc^2,便可推導出光的質量為hv/c^2,光的這種質量被稱之為動質量或者相對論質量。
  • 為什麼物質轉化能量容易,而能量轉化物質卻非常難?
    質能方程式告訴了我們,物質和能量是可以相互轉化的,那為什麼物質轉化能量非常常見容易,而能量轉化物質卻非常難呢?其實這個問題的答案也不複雜,只要我們認真思考分析就可以弄明白了。物質和能量的相互轉化是需要能量的,最簡單的煤炭燃燒可以釋放出高溫能量,這是一個釋放能量的過程,一公斤煤炭能夠產生很快釋放出大量的高溫,這個溫度可以做很多事情。
  • 如果宇宙質量為王,那為什麼靠近小黑洞更容易被撕碎?
    ,為什麼我們不選擇它呢?而黑洞的溫度來源於質量(能量),質量越大的黑洞溫度輻射越低,因此黑洞自身並不足以形成反粒子對。在這種狀態下產生的實際為「虛粒子-反粒子」其中無論哪種粒子掉落黑洞都會使黑洞失去能量(質量)。
  • 如果宇宙質量為王,那為什麼靠近小黑洞更容易被撕碎?
    1915年,愛因斯坦發表了廣義相對論,代替了牛頓的萬有引力,把引力由力的作用轉變為時空的幾何。因此,引力也成為了當時宇宙最令人費解的概念之一,它並非某種看不見的、超距的力,而是因為宇宙中的物質或能量扭曲了空間的結構本身產生的幾何性質。如果問宇宙中曲率最大的區域在哪,你可能都知道黑洞的曲率最大,因為黑洞的質量大。
  • 質量可以轉化為能量嗎?
    有一個同學說,在鈾核的裂變的原子核反應的過程中,發生了質量虧損,因此放出了巨大的能量,根據愛因斯坦的質能方程是質量轉化成能量了,那麼質量守恆和能量守恆就不存在了,有些讀物或媒體、電視節目也有此類說法,你怎麼看這個問題呢?有興趣的話,可以留言討論。
  • 愛因斯坦:E=mc^2,能量確實可以轉化為質量,科學家已觀測到
    地球上最常見的太陽能就是最著名的質量轉化為能量的例子。根據初步的計算,科學家們發現,太陽內部每一秒鐘都有超過400萬噸的質量發生了核聚變,這個過程中,一部分的質量會消失,而這個過程中產生的能量就來源於這部分消失的質量,所以現在我們對「質量可以轉化為能量」這件事是沒有疑問的。
  • 可以按照E=mc^2將質量轉化成能量,但能否反過來用能量生成1g質量?
    人類已經能夠按照E=mc^2將質量轉化成能量,但能否反過來用能量生成1g質量呢?愛因斯坦提出來的質能公式,可以說是最偉大的物理公式之一,直接揭示了能量和質量的內在關係。而質能公式的提出,也給核變反應提供了強大的理論支持。