質能轉換有多厲害？核聚變只用了一點點，就驚天動地了

現在人類掌握質能轉換率最高的就是核聚變。氫彈爆炸的能量驚天動地，可以毀滅世界，這就是氫核聚變。其實核聚變質能轉換率是極小的，約為質量的千分之七，也就是一千克物質只有七克轉化為能量，就如此厲害，這是為什麼？

這就是質能轉換的威力

質能方程是愛因斯坦在一百多年前發現的，是人類對宇宙規律認識的一次巨大突破。

質能方程是描述質量轉化為能量，或者能量轉化為質量的關係式，有一系列繁雜的論證過程，作為科普這裡就不列舉這些過程了，最後的結果非常簡單明瞭，即表達為：E=MC^2。

這個公式等號左邊E表示能量，單位J（焦耳）；等號右邊表示質量M乘以光速C的平方。質量單位為kg（千克），光速單位為m（米），真空光速標準值為

299792458m/s（米/秒），如沒有特別精確的要求，計算時為了更簡單快捷，一般會將光速簡化為300000000m/s。

別看這麼一個簡單的方程式，卻讓人類的認識發生了突破性的進展，從此，質能守恆替代了過去的質量守恆，更為精準；人們知道了原來質量裡面竟蘊含著這麼巨大的能量，只要有辦法將質量轉化為能量，能量就會取之不盡用之不竭。

這個方程的精髓是等價互換，這個等價是指質量和能量是等價的，任何物質只要質量相同，蘊含的能量都是相同的。1kg黃金，1kg炸藥，1kg棉花，1kg白菜，其全部轉化為能量都是一樣多，都是約9*10^16J，這些能量相當於250億度電，或者2151萬噸TNT炸藥爆炸的威力。

幾千年來，人類獲取能量方式都是低效的化學方式

草木、煤炭、燃油透過燃燒取得的能量，都屬於化學能源，是透過化學反應獲得能量，這種效率是極低的。比如燒煤，1kg標準煤燃燒得到的熱能為7000大卡，約為

29300962。74592J，這個能量只是質能轉化率的0。000000000326。

因此在過去教科書中，質量守恆就是基本正確的，因為消耗的那點能量基本可以忽略不計了。但畢竟還是有一點點損失，因此質量守恆只是相對準確，並不是十分準確，質能守恆才真正準確。

上個世紀人類發現了核能，核能才是透過質能轉換獲取能量的模式，這是人類獲取能量的一次飛躍，但其轉換率也是很低的。目前人類瞭解的質能轉換效率，除了正反物質湮滅，還沒有任何技術能夠將全部質量轉化為能量。現在最厲害的核聚變技術，也只能將0。7%的質量轉化為能量。

質能轉換是等價的，那麼能量能夠轉化為物質嗎？

許多人常有疑問：既然質量可以轉化為能量，為啥能量不能轉化為質量呢？其實這種認識是錯誤的，質能轉換並非單向，而是雙向互換，能量同樣可以轉化為質量，同樣適用於質能方程。

要將一點點質量轉化為能量的條件都是極其苛刻的，很難的。比如要原子彈、氫彈爆炸這種極端條件，極端高溫高壓，才能轉換出一點點質量。而將能量轉化為質量的難度就更大了。

要知道，1kg物質全部轉換成能量，可以得到相當於250億度電，或2151萬噸炸藥爆炸的威力，這個威力相當於1655顆廣島原子彈同時爆炸威力。根據等價互換原則，就是要這麼大威力的能量，一點都不浪費，全部包裹在一個容器裡，才能夠得到1kg物質。

其實能量轉化為物質的質量一直都在發生著，我們宇宙從138億年前大爆炸那一刻開始，就是純能量轉化為物質質量的過程。

宇宙如何從能量中誕生？

現代量子力學認為，宇宙大爆炸前是沒有任何物質的，也沒有時間和空間，只有本底能量，就是真空零點能，這個能量非常巨大。

這種能量蘊藏在虛無的真空中，以量子泡沫的方式存在，這些量子泡沫以虛粒子對方式隨機出現，又很快湮滅。如果宇宙完全對稱和守恆，我們的宇宙就不會出現，現在也就沒有我們這些人類在這裡瞎扯了。

早年，物理界宇稱守恆理論佔有統治地位，那時的人們很迷惑，正物質和反物質既然是對稱的，正反物質就會隨時湮滅，宇宙為什麼會出現呢？現在的反物質去哪裡了呢？這些疑問一直到楊振寧、李政道的宇稱不守恆定律問世，才得到瞭解答。

原來宇宙只是基本對稱守恆的，但並不是完美的，是有破缺的，由此就出現了不守恆現象，那些隨時出現隨時又湮滅的虛粒子對，有那麼一些不守規矩，單個沒有湮滅，奇點就出現了。這個奇點爆發並不斷膨脹，就出現了我們的世界。

根據這個理論，不守規矩的虛粒子不可能只有我們一個，或許還有許多許多，這就是在我們宇宙之外，還有許多平行宇宙的說法依據。

隨著宇宙的冷卻，能量轉化出我們的世界

在奇點大爆發那一刻，宇宙只有能量，那時的宇宙溫度無限高、密度無限大，無法衡量。一直到了普朗克時間，也就是10^-43秒（1000億億億億億分之一秒），溫度才降到了10^32K（億億億億K），密度降到10^94g/cm^3（克/立方厘米），這個密度超過質子密度的10^78倍。

隨著宇宙的高速擴張，溫度也下降很快。大爆炸後10^-12秒（1萬億分之一秒）時，溫度降到了10^-15K，各種粒子開始出現，質子、中子、玻色子、中微子、電子、夸克、膠子都出現了，並穩定下來。

這就是宇宙已經從能量中轉化出了物質，但這些物質還只是以輕子為主，強子還極少。在很長一段時間裡，宇宙溫度和密度都還極高，核力還無法束縛中子和質子，連光也無法逃逸，宇宙處於黑暗不透明時代。

一直到了38萬年後，宇宙溫度降低到了3000K，中性原子才開始結合生成，真正有形物質開始出現，主要是最簡單的氫原子和氦原子，還有極少的鋰。這些元素飄蕩在宇宙空間，由於自身引力作用，開始凝聚成星雲，而後生成了恆星、星系。

到這時，我們現在認知的世界出現了，這些都是從能量中轉化出來的。

科學家們已經模擬了宇宙大爆炸1秒鐘的狀態

科學家們在歐洲大型強子對撞機裡面，用1045萬億電子伏特強大能量推動，讓兩束鉛離子在27km的地下管道中相向狂奔，當將兩束鉛離子速度達到光速的

99。9999991%時，

讓它們發生對撞，瞬時產生了10萬億度的高溫，出現了一個迷你版的宇宙大爆炸，還原了宇宙大爆炸1秒前的場景，那是一種高溫高壓下，由夸克和膠子組成濃密的“原始粒子湯”。

這個實驗既印證了大爆炸理論的預期，也為能量轉化為物質提供了證據。在對撞機的許多次實驗中，質量和能量的相互轉化都嚴謹符合愛因斯坦的質能方程計算，由此更證明了這個已經發現了100多年理論的偉大。

在人類世界，主要利用的是質量轉化為能量

質量轉化為能量的條件很苛刻，目前除了正反物質湮滅，還沒有任何技術能夠將全部質量轉化為能量。現在人類能夠掌握的質能轉化率最高的技術就是核聚變技術。

人類在上世紀就掌握了核裂變和核聚變技術，但一直到現在，這種技術的可控性還只停留在核裂變上，因此可以用於民用，如核發電等，為人類解決能源問題起到了重大作用。

核聚變除了“轟”的一下氫彈爆炸，還無法做到能量可控地緩慢釋放，只有做到了可控緩慢釋放，才能夠推上民用，造福社會。

核裂變是將重原子核分裂成更小的原子核，在分裂過程中會虧損一部分質量，這個虧損的量很小，理論上只有不到0。1%。現在核裂變技術主要採用兩種原料，即鈾235和鈽239，鈾235裂變過程質量損失約為0。0946%，鈽239的損失約為0。0961%。

核能是目前人類效率最高的質能轉化技術

別看1公斤鈾或者鈽的裂變，只有不到0。1%的質量轉化為能量，但這種能量對於人類過去的化學能源來說，已經是無法比擬的了。我們按照愛因斯坦的質能方程來計算，1公斤核裂變燃料轉化出約1g質量的能量，就是9*10^13J，這個能量相當於2500萬度電，或25150噸炸藥爆炸能量。

當然，這只是理論上完美轉化達到的效率，在實際操作中，無法達到這種效率。因為燃料不可能達到100%的純度，也不可能達到100%的全部裂變反應。比如原子彈爆炸，在裂變反應還沒有完全時，就炸散了。據一些資料介紹，廣島原子彈實際效率只達到1。2%，就是這個道理。

核聚變的效率比核裂變又要高多了，太陽和一切恆星能夠源源不斷的輻射出能量，就是因為其核心持續的進行著核聚變。由於核聚變發生要極高的溫度或高壓，如何將核聚變能量控制在一個容器裡持續緩慢地釋放，還是一個全世界正在研究的難題。

核聚變為啥叫“人造小太陽”？

這是由於核聚變模仿的是太陽質能轉換方式，因此，人們又把可控核聚變叫做“人造小太陽”。但請大家要釐清的是，人造小太陽不是製造出一個閃閃發光的小太陽照耀著人間，而是利用太陽核心這種核聚變方式獲得能量，用於發電或動力，來造福人類。

事實上，人造小太陽只是一個巨大的機器，這種機器叫託卡馬克裝置（見上圖），核聚變反應就控制在這個機器裡進行。

可控核聚變要解決的最大難題有兩個，一個是要將億度高溫約束在一個籠子裡，而世界上沒有任何物質能夠耐受如此高溫。現在對核聚變高溫等離子體約束採用的主要有磁約束和慣性約束，過去講過多次，這次就不細講了。

另一個難點就是能量輸入與輸出比，只有輸出比輸入大一定數量級時，這個技術才有價值。點燃核聚變需要很高點火溫度，也就需要輸入很大能量，如果輸入能量比輸出能量還大，或者只小一點點，就沒什麼價值了。

現在這兩個難點都在不斷克服，各國都取得了不少進展，在這個領域中國走在了世界前列，約束核聚變高溫等離子體的溫度和時間在不斷延長，現在實現了1。2億度約束101秒的突破。

但這種指標距離可控核聚變真正實現商業應用，顯然還有很大的差距。

核聚變質能轉化率依然很低，未來還有更高的嗎？

越重的元素核聚變條件要求越苛刻，如氦核聚變溫度就至少要2億度以上。因此現在可控核聚變還只能從最輕的元素~氫開始，因為這種聚變要求的溫度條件是最低的。地球上的可控氫核聚變，通俗地說，就是在1億℃溫度條件下，氫原子核不斷融合成更重的氦原子核的過程，這個過程會有0。7%的質量轉化為能量，比核裂變質能轉化率高出6倍。