能量可以转化为质量吗?能量和质量是一体的吗?

bdqnwqk4个月前基础14

当然可以,不但可以,而且我们宇宙中所有的物质的质量都是通过能量转换过来的。

现在宇宙形成的主流理论就是大爆炸,大爆炸开始的时候宇宙温度非常高,首先产生了大量的高能光子,这些光子相互碰撞就按照爱因斯坦的质能公式产生了高速运动的夸克、胶子、电子等基本粒子及其反粒子,可以说是高温的基本粒子浆糊,还不是我们今天说的物质。到了大爆炸后大约一万亿分子一秒的时候,宇宙的温度冷却到了大约一千万亿度,夸克、胶子和电子及其反粒子就开始冷却形成了质子和中子,这就是最初始的物质。大爆炸后大约10秒,温度约30亿度,这就是宇宙的核合成时期,质子和中子就会结合形成氢、氦类稳定轻原子核(化学元素),其他轻原子核也会形成一点,但是非常少。当宇宙冷却到10亿度以下,也就是大爆炸大约三分钟,就不能再产生新的原子核了。所以我们宇宙中的物质基本上都是在宇宙大爆炸之后三分钟以内形成的。

当然今天我们宇宙中的物质并不仅仅有氢、氦类稳定轻原子核,其他的元素主要都是在恒星的中心通过轻元素合成重元素的核聚变过程形成的,这种过程能够产生一直到铁这样的重元素,而核聚变过程中释放能量的过程就是恒星内部的能源机制。此外,超新星爆发的过程中也会产生一些比铁更重的元素。

我们下面看看能量转化成质量的具体过程。

爱因斯坦的质能公式E=mc²反过来写就是m=E/c²,也就是能量可以转换成为物质,因此一对伽马射线光子,只要它们的能量加起来超过两个电子的静止质量,根据E=mc²对应的能量,就能够产生一对电子和正电子。不过实际情况要略微复杂一点,要求的是在两个光子的动量中心的参考系里面(在这个参考系里面两个光子的动量之和等于零),它们的能量之和超过两个电子的静止质量根据E=mc²对应的能量,这样就能够同时满足能量和动量守恒,当然也满足电荷守恒,就能够产生一对电子和正电子了。

正是由于伽马射线光子的这个性质,我们在地球上无法探测到宇宙很远处的高能伽马射线光子,因为这些光子会和宇宙微波背景辐射光子以及恒星和气体发出的红外光子作用产生电子和正电子对。读者可能很奇怪,宇宙微波背景辐射光子和红外光子的能量很低,怎么也会用来产生电子和正电子对呢?原因就是上面说的,只要在两个光子的动量中心的参考系里面它们的能量之和足够大就行。所以,尽管宇宙微波背景辐射光子和红外光子的能量很低,只要伽马射线光子的能量足够高就可以做到了。当然,如果伽马射线光子的能量很高,它们还能够产生很多其它的正反粒子对,只不过最容易产生的就是电子和正电子对而已,这些都已经有了大量的实验和观测证据,并不仅仅是理论推测。实际上,两个光子相撞产生正负电子对的过程也可以在实验室中实现,而且已经实现了。

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本题很有价值,但似乎很难有令人满意的回答。也许,能量变质量的实验,耗资必然巨大,又没什么功利。倒是质量变能量,如电子湮灭,用于材料科学,有些钱途。

用能量参与质量生成,司空见惯,只是能量对质量贡献占比太小,常被忽略。最典型的是光合作用。

但是,把能量100%转化为质量,这样的成功实验,我没查到相关记载。即便教科书上的恒星的生成机制,也只是猜测。按理讲,有正电子猛击负电子的湮灭反应,就该有其逆反应,可惜,我没查到可靠的资料。注意,查资料与密切关注科技动态,是科研主要工作之一。

恒星的形成机制,或许就是能量变质量的典型过程。我们知道太空中,①充满背景辐射波(其实就是电磁波),②有大量的等离子体主要是自由电子(e)与自由质子(p),③还充满引力波(估计是一种超长电磁波)。

也许,不同频率的背景辐射波与引力波纠缠,生产e与p,而pp纠缠生成氢元素氕氘氚(¹H,²H,³H),ep纠缠生成中子(n)。

关于能量会变成什么物态或元素,不妨先做一估计。伽玛谱线上的某1高能光子,频率υ=2×10^23Hz,其能量E=hυ=6.63×10^-34 ×2×10^23=1.33×10^-12J,其静质量m=E/c² =1.48×10^-27kg,接近1质子1.73×10^-27kg。

这个估算可以设想,只要设法迟滞光速,例如托克马克约束环,一个高能光子,可以变成一个质子。若低4个数量级,一个低能光子可以变成一个电子。

就光电效应而言,1个电子被激发,逃离核外电子轨道,变成1个光电子(就是光子),便完全把自己的质量,变成了1个光子光能(hυ)。从中,可以看出电子与光子的对应关系。