为什么说三个“臭皮匠”合体后变成了85个?

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  本文由公众号“把科学带回家”提供

  今天是王木头讲科学的第28期节目。

  来自北京大学的木头哥哥是把科学带回家的明星主持人,他最擅长给孩子讲有趣的科学。

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  用看的▼▼

  我们都知道太阳是一个大火球,可是你有想过它烧的是什么吗?这曾经是科学家们特别想搞明白的事情,如果知道了太阳烧的是什么,就能大概知道它燃烧了多久了,然后就可以推测出我们地球的年龄。曾经就是因为想不通太阳上面能烧什么东西,于是就假设太阳上到处都是地球上最耐烧的燃料,可是即使这样子也只能烧个几千年。那么太阳只有几千年的年龄?那岂不是说地球的年龄会更小吗?

  我们现在知道太阳能持续几十亿年释放出这么多的能量,是因为内部的核聚变反应。核聚变反应就是将质量转化成能量的过程。已经了解质能方程的我们肯定知道,质量转化成能量是要乘以光速的平方的。只是光速已经是一个非常大的数字了,还是光速的平方,所以一点点的质量就可以换来非常多的能量。

  

  我们可以来试着算一算,假设1公斤的质量全部换成了能量,会是多少呢?它需要乘以光速的平方,也就是30万公里每秒的平方,或者说3亿米每秒的平方。计算出来就是9的后面写17个0,是9亿兆焦耳的能量。大家或许对这到底有多少能量没有概念,这个能量如果拿来让给空调供电,那么它是可以让空调不停制冷3亿多年的。所以,如果如果真的把1公斤的物质全部转化成能量,那是可以为一个家庭提供上亿年的能量的。可想而知,质量中蕴含了多少能量。你可以想想你自己有多少公斤呢?光是你自己的身体其中蕴含的能量就非常的庞大吧。

  当然,质量是不能随随便便就转化成能量的,要不然我们怎么会有能源危机的说法?随便地上捡一个大石头,把它全部转化成能量就可以使用好几百年,简直取之不尽用之不竭嘛,要想让质量转化成能量可是一项高科技。现在我们能大规模的让质量变成能量的方法就是核电站里面的可控核裂变反应。这里一定是可控的,要不然一下子释放巨大的能量就是核武器了。

  

  可即便是核裂变,或是更有效率的核聚变反应,它们把质量转成能量的效率也不高,需要消耗很多的原料,才会有很少很少一部分质量会转化成为能量。就拿太阳上的核聚变来举例子吧,从氢原子聚变成氦原子,只有大概7‰的质量被转化成能量,可见效率并不高。讲到这里,或许你会想,能有什么方法能把质量百分百的转化成能量吗?如果有这样的方法就好了。

  这样的方法还真有,不过这就需要用到反物质了。反物质是什么东西呢?我们平常说的普通物质,都是由原子组成的,反物质也都是由原子组成的,只不过这个反物质原子和我们平时说的原子可不一样。我们普通物质的原子,中间的原子核,准确的说是里面的质子带有正电,外面电子带有负电。而反物质呢,正好相反,原子核里的质子带有负电,外面的电子带有正电。物质和反物质,它们其他的特征都一样,就是彼此的电荷相反。我们都是知道异性相吸的,正物质和反物质碰到一起会发生什么呢?

  

  它们只要互相接触,那就会一起消失泯灭。不过因为能量守恒啊,两者内部因为有质量而包含的能量是不会消失的。这些能量就会完全释放出来,于是就百分百的把质量转化成了能量,以辐射的方式释放出去。或许你会想,有这样的方法那真是太好了,只有找到更多的反物质,那么就可以得到更多的能量了。

  不过很可惜,这还没办法做到。首先如何保存反物质就是一个问题。如果是保存普通物质的话很好办,瓶瓶罐罐装起来就好了。反物质就不行,用来装东西的瓶瓶罐罐它们可都是物质啊,反物质一碰就会泯灭,那还怎么保存。所以,必须用强力磁场让反物质悬浮在空中,不接触任何物质才有可能保存下来。

  即便保存的问题解决了,不过去那里找那么多的反物质呢?它们可不会像是煤矿一样埋在地底下,任何有物质的地方都不会有反物质。所以现在所见过的反物质都是在实验室里面制造出来了,也都是一个反电子一个反质子的程度,非常微小,根本不能用来解决能源问题,反而制造它们所消耗的能量更多。

  

  用反物质的获取能量的方法,现在还没有办法实现,核聚变和核裂变仍然是人类唯一可以大规模使用,将物质转化成能量的方法。

  其实质能方程还给了科学家们另外的启发。既然能量和物质的质量可以这样非常明确地进行转化,那会不会它们本来就是同一种东西呢?

  就比如,质量其实就是高度压缩后的,可以长期稳定存在的能量。只不过从我们人类的角度去看,这些能量聚在非常小的电子、质子等等这些粒子里面,让它们看起来就像是有了质量一样。而其实本质上,质量就是能量。

  后来随着量子力学的发展这样的猜想也逐渐得到了验证。你应该知道夸克吧,原子核中的中子和质子都是由3个夸克组成的。我们正常认为,一个质子既然就是由3个夸克组成的,那么它的质量应该就是一个简单的加法题,3个夸克的质量加起来就应该是质子的质量了。可是结果却不是这样的,而且还差了很远。如果说3个夸克总质量加起来是1的话,那么它们组成质子之后的质量是它们的85倍。多出来的这么多质量是哪里来的呢?

  

  这是因为夸克之间是靠四大基本作用力的强作用力吸引着的,在强大的强作用力力场之下,夸克之间具备了强大的能量。所以当3个夸克聚集在一起组成质子或是中子的时候,是需要把这部分的能量也算在内然后折换成质量的。正是这样才有了80多倍质量的差距。当然,物质获取质量的方式还有其他方式,比如电子获得质量的方式就是通过和希格斯场发生了相互作用而产生了质量。

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