長久以來,人們都認為能量就是能量,品質就是品質,這兩者涇渭分明,不可混淆。但在100多年前,著名的物理學家愛因斯坦卻使人們改變了這一看法,愛因斯坦指出,能量和品質其實是物質的不同屬性,它們是可以互相轉化的,並且有著非常確定的當量關係,可以通過一個簡潔的質能方程式來描述。
我們天天都能感受到的來自太陽的能量,就是一個品質轉化為能量的例項,根據科學家的計算,在太陽的內部,每一秒都會有大約400萬噸的品質在核聚變反應中轉化為能量。研究表明,所有核反應產生的能量,實質上就是來源於反應物在核反應過程所損失的品質,因此可以說,“品質可以轉成能量”這種現象,現在的我們都是認同的。
然而“能量可以轉成品質”卻很難讓人接受,因為這看上去就是傳說中的“無中生有”,而我們似乎並沒有看到過這種現象。那麼能量到底能不能轉成品質呢?這裡先給出答案,事實證明愛因斯坦是正確的,能量確實可以轉成品質,在過去的日子裡,其實科學家已經觀測到例項,下面我們就來講一下。
我們都知道,原子是構成世間萬物的基本單位,它是由原子核和電子組成,原子的絕大部分品質都集中在原子核內,而原子核又是由質子和中子構成。從更微觀的層面上看,質子和中子是由夸克構成,質子包含兩個上夸克和一個下夸克,中子包含一個上夸克和兩個下夸克。
按常理來講,一個質子的品質就應該等於其內部所有夸克的品質之和,但事實上卻並非如此,科學家發現,質子內部的夸克總品質,只有一個質子品質的1%左右。那麼質子為什麼會多出這麼多的品質呢?
在質子的內部,夸克通過強相互作用力結合在一起,而傳遞強相互作用力的是一種名為“膠子”的粒子,它是一種沒有靜品質的規範玻色子,但其本身攜帶了能量。科學家認為,質子的這些多出來的品質就來自於質子內部膠子所攜帶的能量,而中子也是同樣的情況(中子內部的夸克總品質只有中子品質的大約1.3%),因此這可以被看作一個“能量可以轉成品質”的例項。
第二個例項來自於高能光子,科學家發現,如果一個光子攜帶的能量大於兩個電子的靜品質,那麼當這個光子在與有品質的物質互相作用時,就可能會產生一個電子和一個正電子,同時這個光子本身則會消失。1933年,科學家就在雲室實驗中觀測到了這一現象。
第三個例項則來自於歐洲核子研究組織(CERN)的強子對撞機(LHC),科學家在實驗中發現,在兩個高能質子碰撞時發生的散射過程中有時會觀測這樣的現象:兩個質子都沒有改變,但是卻產生了新的粒子,比如說“J/ψ介子”。
需要指出的是,“J/ψ介子”是由一個粲夸克和一個反粲夸克構成,而質子卻是由兩個上夸克和一個下夸克構成,這就意味著,在這種現象中產生的新粒子不是質子的“碎片”,而是由質子所攜帶的能量直接產生。
1997年,日本的“Tristan”粒子加速器觀測到一種被稱為“真空極化”的現象,何謂“真空極化”?簡單地講就是,強大的電磁場可以在真空中激發出正反粒子對。很顯然,這也是一個“能量可以轉成品質”的例項。
看到這裡,可能大家會比較奇怪,為什麼“能量可以轉成品質”這種現象只有在微觀的層面才可以被觀測到?我們來看看愛因斯坦提出的質能方程式 E = MC^2,根據這個方程式我們可以得出 M = E/C^2,方程式裡的C代表的是光速常量,可以看到C^2是一個很大的數字。
也就是說,需要非常大的能量才可以得到一點點的品質,舉個例子,廣島原子彈釋放的能量大約為1.3萬噸TNT當量,而其損失的品質卻僅為0.9克左右,那麼反過來講,我們需要將1.3萬噸TNT爆炸的能量全部集中起來,才能產生大約0.9克的品質。顯而易見的是,以我們人類目前的科技水平,根本就不可能做到這種程度的能量操控。
不過既然我們已經知道了愛因斯坦是正確的,能量確實可以轉成品質,那麼不出意外的話,在遙遠的未來,人類很可能會真正掌握能量與品質之間的轉換技術,從而一舉成為宇宙中的高階文明。