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最近在網上看到了一個十分有趣的問題:「一斤電可以供全球用多久」?
首先,電是不能用斤這樣的單位來描述的,因為電作為能量是沒有質量的,我們只能用愛因斯坦的質能方程計算,能量和物質之間的等價關係。
那麼一公斤電等於多少度電呢?想要解答這個問題,需要用到愛因斯坦的狹義相對論中給出的「質能方程」E=mc^2,這個對人類世界觀產生了重大影響的公式。相信大家都聽說過這個公式,但是這個公式經常和「核彈爆炸」聯繫在一起,在核彈爆炸後,質量轉化為了大量的能量,從而產生超乎想像的破壞,其實核能只是質能方程的一種運用,這個等式在更多領域都可以被用到,也直接影響著我們的宇宙觀。
電能是人類目前使用的主要能源,也是第二次工業革命的主要能源動力,是目前地球上人類無法離開的根本能源,而電的本質是電荷移動或者靜止時產生的物理現象,早在數千年前,人類就已經發現了電的存在,不僅僅是天空中的雷電,還有一些魚類也會發電,其次公元前600年左右泰勒斯發現,用琥珀製造的棒子和在貓身上摩擦,可以暫時吸附羽毛等物質,這是人類對於靜電的最早記載,只不過當時泰勒斯認為,這種現象可能和磁力有關。
1752年6月,班傑明.富蘭克林做了一個聞名世界的「風箏實驗」,讓全世界再次矚目於電這個神奇的現象,最後19世紀早期,眾多科學家和發明家出現,特斯拉發現交流電讓全世界進入了一個新時代,在眾多科學家的努力下,電能不斷的改變著人類的生活。
電能是純粹的能量,並不存在質量,但是愛因斯坦指出,質量和能量之間存在確定的當量關係,如果物體的能量為m,那麼這個物體代表的能量E=mc^2,其中E表示能量,M表示質量,而C代表唯一的常量光速。這個方程主要用來解釋核反應中能量的損耗,以及粒子的能量。
這個公式的出現,告訴我們質量和能量之間並不是毫無關係的,甚至在某種情況下,可以相互轉換。簡單了解後,我們就可以用這個公式來計算出,一斤電等於多少度電,又夠人類使用多久。
一斤電=0.5千克,為了方便計算,我們取光速為整數3×10^8m/s,那麼一公斤的電等於
E=mc^2=0.5*(3*10^8)^2=4.49×10^16J一度電等於3.6*10^6J,那麼計算後可以得出500克的電等於124.72億度電,2018年全世界總計用電22.9萬億度,而一斤電對應的124.72億度電,大概只夠人類使用4~5個小時,如果計算的更加準確一點的話,一斤電夠全世界人類使用4.8個小時左右。
雖然沒有我們想像的多,但是足夠全世界人類使用4~5個小時,已經十分驚人了,能量和質量之間的轉化效率十分驚人,從核反應中我們就可以看出來,當物質以某種方式變成能量時,往往釋放出的能量是十分可怕的。
對於人類來說,這樣的現象剛好可以幫助我們取得更多的能源,在未來如果人類實現可控核聚變後,幾乎就等於有了取之不盡的能源,當然,我們還是會把這些能量轉化為電能,因為電能作為能源有很多的優點,雖然高壓電仍然是很危險的,但是對比其他能源來說,電能十分高效且清潔,基本不會造成太大的汙染和破壞。
其次,在未來人類不僅僅可以利用核聚變提供能源,「反物質」也可能在未來給人類提供能源,並且作為宇宙飛船的燃料,幫助我們遨遊太空,當正反物質相遇時,兩者會相互抵消,並且釋放出巨大的能量。
一克反物質完全泯滅後,可以釋放出42857.143噸TNT炸藥爆炸釋放出的能量,相當於三顆廣島原子彈釋放的能量,也就是說一克反物質釋放出的能量就相當於三顆核彈,如果920斤(460000克)的反物質完全泯滅釋放出的能量,等於人類2018年全世界的用電總和。
由此可見,在未來反物質可能會成為人類文明前進的全新曙光。