根据爱因斯坦质能转换公式,核弹实现了质量转为能量,那有什么能量转为质量的例子呢?

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根据爱因斯坦质能转换公式,核弹实现了质量转为能量,那有什么能量转为质量的例子呢?

传说中的宇宙大爆炸就是能量转换成了质量最大的案例,我们整个宇宙的质量都是从那么一个致密的能量团里转换而来,但似乎很难证明是不,我们现实生活中有这样的案例吗?比如直接将能量变成质量存在的?

也许有朋友会举例两束足够高能量的光子碰撞会产生正负电子对,确实只要两个光子的能量大于两个电子湮灭产生的能量E=MC^2时即可产生正负电子对!但这里产生了一个问题,光从粒子说方面形容,似乎是一种物质,而且光电现象揭示了它是一种物质无疑!但两个光子碰撞并不是每次都能产生正负电子对,而是高能光子才可以,那么我们是否可以理解成部分能量转换成了物质呢?

当然除此之外的纯能量也许我们局限于技术,很难从其他案例中来证明这样的物质转换!但似乎从微观世界中可以找到一些答案!

比如质子中的上夸克和下夸克等组成仅仅占了质子质量的5%,其他质量则来自于夸克和胶子之间的互相作用以及运动,这是能量在微观世界表现为质量的方式吗?

也许还值得商榷,但我们从这几个案例中似乎也能找到一些蛛丝马迹,我们的科学正在揭示宇宙最为基础的秘密,也许在不远的未来,我们也能真正使用能量制造出物质来,但根据E=MC^2这个公式,也许将用掉极为可观的能量,但仍只能制造出一点点质量,比如广岛原子弹的能量相当于2万吨TNT,但它真正消失的质量只有1g,那么我们是否要这样操作呢?简直令人窒息,不过科学研究却不是这样计算成本的,因为它正在揭示我们这个宇宙大厦基石的秘密!


星辰大海路上的种花家


答:能量和质量本来就是统一的,光子可以看成纯能量,科学家已经可以把高能光子对,转化为正负电子对。


在相对论中,质量和能量并没有明显的区分,甚至在广义相对论中,就完全以能量来描述引力场,只是在狭义相对论中,质量可以分静止质量和非静止质量。

由于在质能方程中,光速是一个非常大的值,所以只有在能量变化较大的地方,才会出现明显的质量亏损,比如以下几个例子。

原子核

原子核由中子和质子组成,两者通过强相互作用结合在一起:

(1)自由质子的相对原子质量为1.007u;

(2)自由中子的相对原子质量为1.0084u;

其中相对原子质量,定义为孤立碳-12原子为12u;然而由两个中子和两个质子组成的氦-4原子,静止质量为4.0026u,可是:

4.0026u<2*1.007u+2*1.0084u=4.0308u;

也就是说,在氦-4原子中,中子和质子的平均质量,要比自由中子和自由质子的平均质量低。

其中多出来的质量,就来源于核子间的强相互作用,强相互作用的传递粒子为无静止质量的胶子,所以强相互作用产生的能量,可以理解为胶子的能量。

质子和中子又由夸克组成,如果继续细分下去,中子和质子有90%以上的静止质量,都来源于夸克间的强相互作用,这些都可以看成能量表现为静止质量的例子。


光子转变为电子

英国科学家做过高能光子碰撞产生正负电子的实验,科学家首先用高能激光加速电子,当电子接近光速后撞击金箔,就可以产生能量更高的光子束。

然后科学家把高能光子引入黄金制作的容器中,使两个高能光子发生碰撞,就能产生正负电子被仪器探测到。


化学反应

从本质上说,化学反应也会伴随着质量亏损,吸热的化学反应,将吸收的热量转化为化学能,就会增加生成物的相对论质量。

化学能的本质是原子间的电磁相互作用,电磁相互作用储存了能量,对外也会表现出质量增加,只是化学反应当中的能量变化太小,质量亏损率小于十亿分之一,所以基本可以忽略掉。


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质量和能量可以相互转换,这是爱因斯坦首次发现的一个宇宙终极秘密。核反应已经证明了质量可以转化为巨大的能量,我们通过计算可以知道,任何原子核的质量均小于构成它们的质子与中子的静止质量之和,这是因为部分质量转化为了结合能。但是,反过来,如果我们通过某种手段完全“捣碎”原子的原子核,则得到的质子和中子质量之和就会比原来原子核的质量大,能量转换成为了质量。而“捣碎”原子核的过程,则可以通过各种大型粒子对撞机实现。

除了上面的例子之外,还有一个更好理解的例子,即光子对撞机。把能量极大的光子对撞,可以得到正反电子对,而这也是一种纯光子能量转换成物质的例子。当然了,正反物质相互碰撞,还可以再次回到纯能量状态。

还有我们熟知的质子,大家都知道质子由夸克组成,但科学家却发现组成质子的三个夸克总质量仅占质子的%5,而剩下的95%全部来源于夸克和胶子的相互作用和各自的运动。这个现象的发现更加证实了质量和能力之间存在转换关系,即爱因斯坦的职能方程。

我们再回归到超弦理论,该理论直接认为所有的粒子都是由一维的能量弦振动而形成,如果是这样的话,那么很明显质量仅仅是能量存在形式的一种度量而已,不同存在形式的能量表现为不同的质量。比如束缚在质子里面的能量就贡献了质子95%的质量数,而夸克是否也是因为某种能量被束缚而形成的,我们期待未来科学家可以给出答案。


科学探秘频道


答案是非常多。但我要举一个最重要的例子,也是大多数人并不知道的例子。

首先我们看到的有质量的物体都是由原子组成的,原子是由原子核和电子组成的。原子核是由质子和中子组成的,而一个电子的质量约只有一个质子质量的两千分之一,可以忽略。这样有质量的物体,它的质量来源基本是原子核,即质子和中子。

好,有趣的问题来了,质子和中子分别由三个夸克组成,你们猜三个夸克的质量加起来有多少?你可能会说,一个质子(或中子)等于三个夸克,三个夸加起来的质量就是一个质子的质量嘛。我告诉你,答案是错的,三个夸克的质量加起来只有一个质子质量的7%!你没看错,只有7%!那么问题来了,剩下的93%哪里去了?

剩下的93%就是这个问题的答案,它来自于夸克之间相互作用的能量!三个夸克之间通过不断交换一种叫做“胶子”的无质量粒子,来维持质子和中子的存在。你也可以说这93%的质量来自于胶子,但胶子是无质量的,它是纯能量。这些纯能量贡献了一个原子93%的质量。

所以我们眼中的这个世界,有93%的质量是由能量直接贡献出来的。我们身体93%的质量是锁在质子和中子内部的纯能量!

更广义的来说,只要是基本粒子通过,强相互作用组成的复合粒子,其能量来源绝大部分都是相互作用能量,而不是基本粒子的质量。所以这是爱因斯坦质能方程一个非常重要的表现。


九维空间


最明显的例子相信我们都听说过,那就是宇宙大爆炸!

在大爆炸之初,最后中并没有物质,当然也没有质量,而是一个纯能量体,就像一锅“浓汤”那样。温度和压力极高!

随着宇宙的冷却,宇宙开始产生最基本的元素氢,然后是氦,具体怎么由能量转化为物质的不再详述,这个过程非常漫长,并不是直接成为氢的,而是经过了一些基本粒子,比如中微子,胶子,夸克等!

所以,如今我们见到的一切都是由能量转化过来的,本质上我们都是“能量”,而爱因斯坦的相对论也表明,能量和质量可以相互转换,它们本质上并没有区别!

那么在我们如今的现实世界,有没有能量转化为质量的例子呢?

在强大的粒子对撞机里就发生过这样的事情,两个接近光速飞行的粒子相撞,可以产生其他很多的微小粒子!


宇宙探索


能量变质量的例子其实每时每刻都在发生,这是因为太微弱我们无法感觉到甚至无法探测到,因为能量变质量一般情况下无法像核弹里的质量转能量一样瞬间集中发生,所以在常规下不具有可探测性。

但是常规下不行我们可以来飞常规的,大家都知道的加速器高能碰撞,特别是欧洲大型强子对撞机的对撞实验,通过数20多公里长的真空轨道,利用电力产生高强度的轨道磁场把带电质子束加速到接近光速进行对撞,实验结果撞出大量基本粒子,和介子等,得到的粒子总质量超过原有的质子束的总质量,那么这多出的质量哪里来的呢?答案就是轨道中被磁场加速时获得的,也就是说轨道磁场的一部分能量被转化成质量了。



除了大型强子对撞机当然还有别的,比如理论上高能量的伽马光子能湮灭产生一对正反电子。

另外还有一个一般人忽略掉的,就是核能。题目里提到核弹的质量转能量,但你知不知道这核能是哪来的?原子核的结合能实际上来自于是夸克结合成质子的强核力溢出的部分,也就是核能的能量本质是强核力,而强核力是由一种称为胶子的传播子携带的,而胶子本身没有静质量,但它拥有超强的能量,当强核力通过胶子的交换把夸克束缚在质子内时,它就在质子上表现为质量,也就是说质子的质量一部分是来自于束缚夸克的0质量粒子——胶子所携带的能量的,那胶子提供的这部分质量大约占多少呢?答案是90%以上。。。😂也就是质子质量的90%以上其实就是胶子所携带的能量。


星宇飘零2099


爱因斯坦的质能方程可谓是距离宇宙本质最近的理论之一,原因在于它揭示了能量和质量其实是可以相互转化的


核弹的发明其实跟爱因斯坦没什么关系,质能方程虽然告诉人们微小的质量对应着巨大的能量,但爱因斯坦早些时候并不相信人类能实现原子核级别的质能转换,只是因为二战开始后德国方面在原子弹领域的研究,爱因斯坦才起草了那封著名的致罗斯福总统的信,美国的曼哈顿工程也才拉开序幕。

原子弹的真正设计和制造是没有爱因斯坦什么贡献的,甚至当原子贷扔在广岛和长崎后爱因斯坦的第一反应就是反对原子弹用于战争中。原子弹和后来的氢弹以及现在的核电站都是基于质能方程和放射性原理的。

现实中将能量转化为质量的例子存在于138.2亿年前宇宙大爆炸那一刻,巨大的能量在大爆炸中变成了巨量的物质,最近的能质转化发生在欧洲的大型强子对撞机中,当强大的电力加上磁轨道把质子束加速到近光速并发生对撞时,对撞产生的基本粒子质量总和是超过原来质子束的质量总和的,这就是能量转化为质量的最好实例。

其实从质能方程来看,把能量转化为质量是很亏的一种行为,因为巨大的能量只能转化一丁点质量,因此人类未来掌握了能量转化成质量的技术后估计也不会大规模应用,因为造一个杯子需要的能量可能就够毁灭整个地球了。


宇宙探索未解之迷


一直以来,我们都有一个错觉,认为能量和质量可以分开看,以致有了“纯能量”和“纯质量”的说法。



质能方程E=mc²,表示的是质能等价关系,却很容易看成“化学反应方程式”,认为质量生成了能量,或者能量生成了质量。


如果正本清源,那么能量和质量是等价的,能量和质量一起存在,一起消失。提问者的问题也就不需要高深的核物理来解释,身边的例子比比皆是。

加热一杯水,踢飞一个足球,水和足球的质量会增加(忽略蒸发),这就是能量转化为质量的例子。水把热量传递给空气而冷却,足球因为摩擦力停止,水和足球的的质量会减小,这就是质量转化为能量的例子。


之所以我们有“质能互相转化”的错觉,是因为有“静止质量”的存在。光子的“静止质量”为零,很多人把光看成了“纯能量”。但是光并不“纯”,所有的光子都有质量,和能量等价的质量。宇宙没有静止的光子,静止下来的光子,能量会和质量一起消失。

爱因斯坦的“质能方程”不考虑“静止质量”,一切能量都是质量,一切质量都是能量。它们不是转换关系,而是等价关系。


飞鱼科普


的确,爱因斯坦的质能方程式告诉我们,质量可以转化为能量,而且很小的质量可以转化为很大的能量,也正因为此,原子弹和氢弹的制成才有了理论依据。

从质能方程式来看,质量和能量其实是等价的,核聚变反应,核裂变反应,放射性衰变以及正物质和反物质的相互湮灭的过程,都是质量转化为能量的事例。那么既然都说了质量和能量是等价的,质能方程式也没说过是单方向成立的,所以能量也是可以转化为质量的。



但是我们却很少听说过能量转化为物质的事例,这主要是因为能量转化为物质太难以进行了。科学家也一直试图验证能量也可以转化为物质,所以科学家用了很多的大型粒子对撞机来制造新的物质。最典型的一个例子就是光子和高速运动的电子发生碰撞,这样会制造出一个光子,一个电子以及另外两个具有质量的正反粒子(比如说质子和反质子)。这样也算是通过能量转化为物质了,但是可以看到的是,这样转化并不容易实现,而且能够转化而来的物质也是很有限的。

其实可以说宇宙中一切的物质最初都是由能量转化而来的,137亿年前宇宙在一场大爆炸中诞生,在诞生之前,宇宙是一个质量无限大,密度无限大,而体积无限小的奇点。大爆炸之后10秒,温度在30亿度,这个时候质子和中子会形成轻原子核(主要是氢原子核)。而大爆炸之后3分钟左右,温度已经降到了10亿度左右,这个时候也就不能再产生新的原子核了,所以可以说宇宙中的物质基本就是在大爆炸之后3分钟内产生的。

我们知道常规的能量是不可以转化为质量的,而只能够在各个物体之间相互转移或者是转化。而想要把能量转化为质量的话,这就要求比较高了,一种是要求比较高的能量或者是热量,而另外一种就是借助于反物质了,这和正物质的能量存在有些相反的方式,因此从能量转化为质量应该相对简单。


镜像宇宙


根据爱因斯坦的质能方程,我们都知道如果物质有质量的变化,那么必定有能量的变化,即ΔE=ΔMxc^2,这也就是原子弹的爆炸机理,通过减少质量来释放能量,但是如果反过来,有人就会觉得有点难实现;就好像这些能量神奇地变成了基本粒子一样,其实不是能量变成了粒子,而是这些能量通过粒子的组合方式被存储起来。自然界中最明显的例子就是光合作用,能量来源就是太阳光。

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1:光合作用实在绿色植物的叶绿体内进行的,其过程分为光反应和暗反应两个过程,光反应的特点是在光的作用下,水分子水分子氧化释放电子,然后通过电子传送系统传送给NADP+,使它还原为NADPH。电子传递的另一结果是基质中质子被泵送到类囊体腔中,形成的跨膜质子梯度驱动ADP磷酸磷酸化生成ATP。这是第一步。<strong>

2:第二个阶段是在没有光的条件下进行的,暗反应阶段利用光反应产生的NADPH和ATP进行碳的同化作用,使气体二氧化碳还原为糖类;光合作用是一个巨型的能量转换过程,植物在同化无机碳化物的同时,将太阳释放的光能转变为化学能,这些能量存储在所形成的有机化合物中。<strong>

3:每年光合作用所同化的太阳能约为300J,约为人体所需能量的10倍。这些能量除了供植物本身和全部异养生物之用外,还可以供人类营养和活动的能来源。可见植物的光合作用就是以无机物为原料,在光的作用下,把能量转换为由质量的有机物存储起来,那么根据爱因斯坦的理论,有能量的增加,必定有质量的增加。

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4:植物再一年内可以吸收二氧化碳约7e+11吨,合成有机物约5e+11吨;人类所需的粮食、油料、纤维、木材、糖、水果等,都是来自光合作用,可以毫不夸张地说,没有光合作用,人类就没有食物和各种生活用品,没有光合作用就没有人类的生存和发展。


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