反物质湮灭可使质量转化成能量,那能量可以转化成质量吗?

星宇飘零 2024-02-14 00:09:59

自从100多年前,爱因斯坦用狭义相对论刷新了人类的时空观,并同时刷新了人类的质能观,使人类对质量和能量的关系有了全新的认识。

质能转化?神奇的反物质湮灭

虽然在提出狭义相对论的时候,爱因斯坦就发现了质量和能量的等价关系,在一个物理系统内,两者可以此消彼长,但两者的载体——物质始终不变,因此能量作为物质的一种内禀属性,与质量仅是一种此消彼长的换算关系。

但随着量子力学的发展,一种特殊的物质——反物质被发现,它有一个奇异的特性,能跟与之对应的普通物质完全湮灭,使原有物质形式消失成为纯电磁辐射。按照狭义相对论,光速传播的电磁辐射是不具有质量的,在量子力学里属于零质量粒子,因此反物质湮灭的过程被称为质量100%转换成能量的过程。也有人直接把之称为物质100%转化成纯能量。但这涉及到对物质的重新定义,因此我们暂且跳过这种说法。

有没有相反的过程,使能量转化成质量?

答案自然是有的!其中一个最为人熟悉的过程就是高能对撞实验。在加速器的高能对撞实验中,两个在加速器中获得了强大动能的粒子发生碰撞,会产生大量微观粒子,而这些产生的微观粒子的总静止质量往往远大于对撞的粒子静质量之和,这些多出的静质量就是由对撞粒子的能量产生的。

有些人对高能碰撞实验有错误的理解,以为高能对撞是把带电粒子撞碎,新产生的大量粒子是对撞粒子的碎片,这种理解是错误的,比如在正负电子对加速对撞实验中,正负电子对皆为基本粒子,基本粒子是没有内部结构的,自然没有撞碎的可能。所以,加速器对撞实验中并不是大力出奇迹把粒子撞碎,而是在对撞过程中极高的能量密度下产生新的粒子,可以认为,加速器中的高能对撞实验就是能量转化成质量的过程。

(高能对撞实验,图源:Wired com)

纯能量转化成质量的过程

对撞机中高能带电粒子碰撞产生大质量粒子毕竟是有质量粒子携带的动能转化,甚至可以认为那是相对论质量转化成静质量,那有没有真正的正反物质湮灭逆过程:纯能量转化成质量?答案当然是有的:光子对撞。

理论上,当两个高能光子的总能量大于一对正反粒子的静能时,它们碰撞就有可能产生一对正反粒子对。以最常见的正负电子对为例,单个电子的静能为511keV,一对的总能量为1022keV,也就是当一对总能量大于1022keV的光子相撞,就有可能产生一对正负电子对,而达到这个总能量的光子至少其中一个已经达到伽马射线频段。

目前人类实验装置中暂时未实现这种对撞,但理论上这种对撞在宇宙间时刻发生,那就是伽马射线暴冲击宇宙微波背景辐射时产生的光子对撞!

(伽马射线暴,图源:Space com)

前面提过,光子对撞过程在地球参考系看来至少要其中一个光子达到伽马射线频段以上,且与宇宙微波背景辐射光子的配对总能量达到一对正反物质的内禀总能量以上,就有可能产生一对正反物质粒子!那还有更直接的吗?答案依然是肯定的!

纯天然质量转化器——黑洞

作为宇宙中已知最特别的天体,黑洞大家一定不陌生,这是爱因斯坦的广义相对论预言的一种天体,是广义相对论时空几何下存在的特殊天体,它里面其实除了弯曲的时空,就什么也没有……而时空弯曲是一种特殊的纯能量形式,黑洞正是以极度弯曲的时空,存储着巨大的能量。等等,不是说质量转化器吗?咋就变成了纯能量……

(黑洞,图源:视频截图)

那是因为我们前面说的是黑洞的内部……但作为一个天体,对于外界宇宙,包括地球上的我们,黑洞实际上是一个由视界面包裹着的球形天体。它反映在外界宇宙中的性质有质量、电荷、角动量和温度。

质量、电荷和角动量是由黑洞无毛定理给出的,而温度则由霍金辐射给出。也就是说,一切落入黑洞的物质能量,最终都只增加或减少了黑洞的质量、电荷、角动量和温度,由于霍金辐射的温度与质量相关,所以我们在讨论能量落入黑洞后产生的变化时可以忽略掉温度变化:当一个不带电的光子落入黑洞,外界宇宙损失了部分能量,而黑洞则增加了质量和角动量,这一过程,我们就可以理解为能量被黑洞转化成了质量!

(星际穿越的黑洞,图源:电影截图)

质量生发器——微黑洞的霍金辐射

黑洞虽然能使落入的能量变成其质量,但实际上它实际上只是化作一段弯曲的时空,那有没有更直接的能量转质量?答案显然是肯定的!

前面说过,黑洞的温度与其质量相关,这种相关并非正相关,而是负相关。根据霍金的计算,黑洞的质量越大,霍金辐射的温度越低,相反黑洞的质量越小,霍金辐射的温度则越高。

(霍金墓碑上的霍金辐射温度公式,图源:网络)

那温度高跟产生质量有什么关系呢?众所周知,在霍金的解释里,霍金辐射所辐射的粒子是直接从真空中产生的虚粒子对,在黑洞很大的时候,视界附近的引力梯度较小,所能分离的虚粒子对的能量很小,所以此时所能产生的霍金辐射只能是一些波长很长、频率很低、能量很小的光子。但当黑洞足够小的时候,视界附近的引力梯度会变得很大,所能分离的虚粒子对能量也随之变大,当其能量超过一个具有静质量的基本粒子时,具有静质量的粒子就有可能从霍金辐射中直接产生!

(霍金辐射,图源:网络)

一切只是物理规律!

看到这里,你大概也能总结出一个结论:无论是质量还是能量,不过是物理规律使然,一切的基本粒子,不过是对应能量密度下在相应的物理规律中自然生成,仅此而已。

我是星宇飘零,关^_^注我,和你分享更多有趣科学知识。

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0 阅读:106
评论列表
  • 2024-03-30 22:49

    凭着想象,我们最能直接得到的一个看法就是,只有物质能够感受一切,也只有物质才能被感受,所以纯能量是否能够存在是人类最难的问题之一。另一个难题就是思想意识或者说灵魂的来源,这是超脱了物质的存在,并且是超脱了生命的存在。生命是可以依靠本能主动运动的,而人类更可以依靠我们的思想来创造属于我们的未来。

  • 2024-03-30 22:51

    只有物质能够被感受,那么我们感觉到的冷,是指物质的冷,而不是空间的冷。

  • 2024-04-22 11:08

    解释光电效应是个笑话。物理机制根本木有涉及,对光谱特性,对光电子能量分布,对偏振和温度影响等都不能解释。是半知乱解,害大于利(笨蛋好于坏蛋)。发现光电效应是宝贵的金山,本是一条通往微观世界的大道。胡编解释光电效应是毒药祸害!!!………证明光速不变是胡编!光反射驱动光帆恰恰证伪了光速不变。迈克尔逊-莫雷实验结果的理解::有质量的光子惯性运动,一点也不奇怪。……光子对实验装置相对速度基本不变,地球重力对光子速度影响太小也测不到,近似为惯性系。

  • 2024-03-30 23:00

    于是有让物质停止运动可以得到绝对零度。

  • 2024-04-22 11:08

    悖论斯坦,背叛数学由公理演绎证明特称命题的传统,号称证明全称公设公理。以光速不变假说祸害相对速度公理,祸害绝对时空,祸害能量质量引力等物理基本概念和认知方法。祸害数学,祸害物理,终身搞骗,祸害极大极深极广。………是恶贯灵魂的彻底的人类公敌!!!迷信悖论斯坦和科幻假说,人类将无法逃脱第六次地球生物大灭绝。

  • 胡扯,爱因斯坦!质能永远不会转换

    用户10xxx45 回复: 真理永远在探索的路上哈哈
    老子在胡扯。
    真理永远在探索的路上哈哈 回复:
    你知道?你见过?胡扯什么呀?
  • 2024-02-28 22:41

    相对速度是自然公理,是绝对真理。为什么悖论斯坦要用光速不变假说祸害自然真理,欺师灭祖???还造谣说真理是相对的,蔑视自然和它的绝对诚实???————悖论斯坦,一个蔑视自然,号称证明全称命题的,终身骗子。……全称命题 — 普遍规律,无法证明,可以证伪,证明无效,证伪有效。

  • 2024-02-28 22:42

    为了批判人类公敌——骗子。不奢求鼓励,但求真诚反驳!!!!!! ——创造公设,太阳公鸡睡觉相对性原理:“公鸡睡觉太阳就睡觉”。……号称能证明???证明一万次有用吗???

  • 2024-02-28 22:42

    空间弯曲是很好玩的——用250公斤的石头压悖论斯坦,用同样体积形状的气球压诚实的人。然后比较空间弯曲有何不同???悖论斯坦和氢气球在万米高空搞升天比赛,他想往哪弯呢???气球相信悖论吗???………三维空间的现在是存在,可观测。四维涉及过去和未来,无法观测。站在不同位置赏月(三维)的是人,看昨天明天日出(四维)的是活鬼(悖论斯坦)。……数学是意识工具,其可表达的数学时空几乎是无限的。物理空间是完全确定的,对应自然存在之真。物理数学完全不同。数学时空弯曲变大小,数学等效质量,数学能量,绝对数学速度,都是虚幻。不真的想象力和精神病无异,欺骗读书人,祸害子孙!

  • 2024-02-28 22:42

    创造公理(公设),号称可以证明,这是爱因斯坦的方法。 公理可以证明吗?不可能。万有引力定律能证明吗?不可能。但可以证伪!!! 参考系平权公设(宇宙处处可放羊)可以证明吗?不可能。只能号称证明了! 所谓的物理定律对所有参考系不变,是个已经证伪的大笑话: 狭义相对论让星钟变慢,再来个广义相对论让星钟变快,你说这钟倒不倒霉?关键是反复修正还是不行(有效证伪)!这不是两头骗吗?参见论文“部分相对论效应对北斗原子钟性能影响分析” ———明天还有太阳,需要原因和证明吗?能证明吗?(所有观测结果都是过去了)……所有自然规律都是全称命题,永远无法证明,但一个观测经验足够证伪。……数千年经验归纳的绝对空间清清楚楚,空间处处唯一彼此不同且动态变化,所以只能依靠惯性系概念,像用pi表达复杂地球形状一样,表达绝对空间。

  • 2024-02-28 22:42

    引力是空间弯曲???空间对质量有力的作用???空间还知道质量的大小(穿越时间有变化)???有作用力和反作用力?空间不可入吗???没见过鬼,只见装鬼。👻两个质点靠在一起,质量引力的作用力和反作用力,空间往哪个方向弯呢?骗子知道吗?

  • 2024-02-28 22:41

    专搞创造假说的悖论斯坦!…… 创造假说10000个,也不可能认知自己后脑勺的形状,只可能是欺骗!认知自然规律只能靠观测归纳。……依靠老婆数学,依靠创假物理,解释稀奇,号称证明了不可能证明的公理。。。蔑视自然——违反相对速度自然公理,否定三维绝对空间自然公理,胡编时空关联,胡编相对时间,挑战诚信,欺师灭祖,终身搞骗!………自然绝对诚实,观测认知可能走弯路,但真理永远是绝对的,真就是真假就是假。………“相对真理”是悖论斯坦的骗术之一!………看到别人从符合经验的几何公理公设出发证明具体命题,他偏要号称证明公理公设,真是蛤蟆学水牛的蠢货!

星宇飘零

简介:专注宇宙、天文、物理的科普