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根据E=mc^2,一根粉笔头蕴含的能量能让人类使用一百年吗?

 宇宙时空探索 2022-03-29

爱因斯坦的质能方程E=mc^2告诉我们,质量和能量可以相互转换。不过能量是最根本的东西,质量只是能量的另外一种表现形式罢了。

不过对于质能方程,很多人会产生误解,认为任何东西都可以完全转换成能量。其实并不是这样的。

比如说,一根粉笔头很难全部转换成能量,除非用这样方式:与反物质相碰,发生湮灭,可以完全转换成能量。也就是说一根粉笔头与一根“反粉笔头”相遇,就能转变成纯能量。

但是爱因斯坦的质能方程并不会让质量完全转换成纯能量,这里我们有必要解释一下。

一个原子的原子核是由质子和中子组成的, 质子和中子这样的核子通过强大的强相互作用被束缚在一起。

当我们的太阳进行核聚变时,核子会聚合在一起形成氦原子核,这个过程中会释放出能量,质量亏损。

细心的你可能发现了,两个质子和两个中子聚变成氦原子核,核子数量并没有改变,怎么出现质量亏损的情况呢?

但事实上正是如此。氦原子核的质量会略小于两个中子加上两个质子的质量,这部分质量就是亏损的质量,转换成了能量。

为何会出现这种情况?亏损的质量到底在哪里?

这是因为中子和质子通过强相互作用结合在一起,拥有强大的结合能,损失的质量其实就是结合能,能量可以以质量的方式体现出来。当质子中子发生聚变的时候,结合能会发生改变(减少),通过核聚变释放出来。

有必要再说一下化学反应,我们都知道化学反应会产生能量,只要产生能量肯定意味着质量亏损。那么为什么我们还要说“化学反应中质量守恒”呢?

因为化学反应中质量亏损得非常有限,基本可以忽略不计。化学反应并不在原子核层面上演,只是电子层面的重组结合改变。

说了这么多,再回到问题中来。

要想通过粉笔头通过核聚变产生能量是不太现实的,即使能聚变产生的能量也不会很多。因为核聚变过程只有少量的质量亏损转换成能量。

而且即便是按照质能方程把粉笔头的质量全部转换成能量,也只有大约1.8*10^14焦耳的能量。

人类一百年能使用多少能量呢?大约5.67×10^20焦耳,两个数字完全不是一个等级的,相差好几个数量级。

而且,以目前人类科技水平水平来看,不要说把粉笔头的质量全部转换成能量了,我们甚至都无法有效控制核聚变,无法实现可控核聚变。目前人类使用的主要能量仍旧是传统的化学燃料能源,这种能源本质上与原始人类使用的火是一样的!

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