對能量本質的探究和猜想

  • 字體大小
  • 閱讀背景色

    一.前言

    能量是我們的宇宙,我們的世界,我們的生活中的一個重要組成部分。它表現為多種形式,而這些能量可以在不同形式間進行相互的轉化,可以說不同形式的能量是一致的。但是對于這些不同形式的能量,我們并不能確切的知道它是如何進行轉化,這主要是因為我們并不知道能量到底是什么樣子的,在我們的概念中能量是一種看不見,摸不到只能通過溫度感受到的“玄而又玄”的東西。但我相信,能量必然具有某種特定的結構,并且以某種特定的方式在不同的物體之間作用和轉化,那么就有必要從已有的知識對能量的構成進行研究,哪怕只是猜想,也有它的意義。

    這份報告以探究的方式,從一個問題開始深入物質的結構和運動,以觀察能量在物質的構成和運動中所起到的作用,最后得出結論并以結論為基礎進行一些猜想和總結。本報告的結構如下:

    二.能量的定義

    一般我們將能量定義為度量物質運動的一種物理量,用來表示物質做功的能力。

    從更專業的角度來說:

    能量是物理學中描寫一個系統或一個過程的一個量。一個系統的能量可以被定義為從一個被定義的零能量的狀態轉換為該系統現狀的功的總和。一個系統到底有多少能量在物理中并不是一個確定的值,它隨著對這個系統的描寫而變換。

    舉一個例子而言,我們觀察一個質量為1kg的固體的能量:

    ·假如我們在研究經典力學而只對它的動能感興趣的話,那么它的能量就是我們要將它從靜止加速到它現有速度所加的功的總和。

    ·假如我們在研究熱學而只對它的內能感興趣的話,那么它的能量就是我們要將它從絕對零度加熱到它現有溫度所加的功的總和。

    ·假如我們在研究物理化學而只對它所含有的化學能感興趣的話,那么它的能量就是我們在合成這個固體時對它的原料加入的功的總和。

    ·假如我們在研究原子物理而只對它所含有的原子能感興趣的話,那么它的能量就是我們從原子能為零的狀態對它做功、使它達到現在狀態的功的總和。

    當然我們也可以用反過來的方法來定義這個固體所含的能量,舉兩個例子:

    ·該固體的內能是將它冷卻到絕對零度所釋放出來的功的總和。

    ·該固體的原子能是將它所含的所有的原子能全部釋放出來的功的總和。

    等等。

    可見,能量雖然是一個非常常用和非常基礎的物理概念,但同時也是一個非常抽象和非常難定義的物理概念。所以一般在常用語中或在科普讀物中能量是指一個系統能夠釋放出來的、或者可以從中獲得的、可以相當于做一定量的功。比如說1千克汽油含12千瓦小時能量的話,那么是指假如將1千克的汽油中的化學能全部施放出來的話可以做12kWh的功。但是這個概念卻在不經意間誤導了很多人,即以為能量和功一樣是由人類定義出來而不是真實存在的,這樣就否認了能量的物質性。出現這樣的錯誤是情有可原的,因為,能量實在是太過“虛無”,它一般蘊涵在物體中,難以分離和觀察,人們只能以間接的方式來研究。功便是這樣一個產物,通過做功,勢能、動能、內能、電能等可以互相轉換,從這個角度應該明確功為能量轉換的一種量度。能量和功是不相同的概念。

    三.物質與能量的統一

    常見的能量形式有機械能、化學能、內能、電能、原子能、光能。我們已經知道在一定的條件下它們可以相互轉化,比如摩擦可以生熱,燃燒產生熱,電燈泡發熱,以及原子彈爆炸放熱便分別是機械能、化學能、電能、原子能轉化成內能的表現。如果較為精確地測量,就會發現在這些轉化中能量既沒有被創造也沒有被消滅,它只是從一種形式轉化成另一種形式。這便是能量守恒定律。與之對應的是質量守恒定律,即物質既不能被創造也不能被消滅,化學變化只能改變物質的組成。

    1。困惑科學家的問題

    但是科學家們在研究中曾經遇到一個使他們感到無比迷惑的問題:原子核的質量小于構成它的粒子的質量的和。這的確很奇怪,因為這個問題說明整體的質量小于局部的質量。

    比如氦的原子核就輕于它的質子和中子之和。氦核包含2個質子和2個中子。質子的相對原子質量是1.0073,中子的相對原子質量是1.0086。如果我們把2個質子和中子的質量加起來得到的相對原子質量是4.0318。但是氦核的相對原子質量卻是4.0015,比質子和中子的質量和小了0.0303。這個質量到哪里去了?

    科學家一直難以解決這個問題直到相對論的出現。在相對論中愛因斯坦提出劃時代的質能方程E=mC2(E是能量,m是物體的靜質量,C是光速)將質量和能量聯系在一起。而在相對論出現以前,人們認為能量和物質之間是不同的存在物,它們分別遵守它們各自的守恒定律。

    2。這里將細致地探討有關試驗來理解和驗證這個質能方程:

    碳在空氣中燃燒,發生的是化學發應;氫2和氫3聚變后,發生的是原子核反應。這兩類反應中新物質的形成是十分不同的。

    氧分子里的原子是共用電子的,這就形成了化學鍵(相鄰的原子之間強烈的相互作用),當碳和氧反應時,氧分子里的鍵被破壞,而在碳和氧之間形成新的鍵。無論化學鍵的形成或破壞,原子的電子都要重新排列。但原子核卻沒有變化,在化學反應中,反應前后原子的種類和數目都時相同的。

    C+O2→CO2+能量

    氫2和氫3的聚變中,原子核變化了,氫2和氫3原子核里的質子和中子重新排列,變成了氦4的原子核,還剩下一個中子。

    氫2+氫3→氦4+中子+能量

    21H+31H→42He+10n+能量(元素符號的左上標表示質量數,左下標表示質子數)

    3。我們再比較一下再兩類反應中物質的質量。

    (1)當12.00112克的碳核31.9988克的氧結合時,產生了44.0100克的二氧化碳。二氧化碳的質量精確到四位小數,還是等于碳和氧質量的和。這是符合質量守恒定律的。

    C+O2→CO2+能量

    12.0012g31.9988g33.0100g

    (2)

    21H+31H→42He+10n+能量

    2.0141g3.0149g4.0015g1.0086g

    當我們在氫2和氫3聚變的方程中將兩邊相加,反應前物質的總質量等于5.0920g,而反應后物質的總質量等于5.0101g。反應后比反應前少了0.0189g的物質。此時,質量守恒定律不再適用了,這0.0189g的物質到底去哪里了?

    再看質能方程E=mC2

    這個方程中,光速C的值約等于3×108m/s,那么C2=9×1016m2/s2。當這個巨大的數字乘以質量的變化時,結果是巨大的能量被釋放出來。所以,這個方程里的物質似乎消失了,其實是轉化成為了能量。

    但有個疑問:在一般的化學變化和物理變化中似乎沒有質量的損失?

    其實在碳燃燒時是有質量損失的,但由于一般變化中能量釋放得非常少,再用這個數值去除以C2,損失的質量就非常非常小了,我們很難測量出來。

    所以根據愛因斯坦的質能方程和大量的試驗數據,原來的能量守恒定律和質量守恒定律被發展成為質能守恒定律:物質和能量既不能被創造也不能被消滅,但它們能相互轉化。從這一個概念來講,其實物質可以看作能量的一種高度聚合的形式,那么質能守恒定律可以更準確地表達成:在一個封閉的系統中能量既不會增加也不會減少。

    這樣,科學家們終于解決了那個困擾了他們很久的問題。科學家相信,在原子形成時,損失的質量轉化成能量了。正是這種能量使原子核保持在一起。一般來說,原子核具有超過一個的質子,它們都具有正電荷所以會互相排斥,但正是這些能量使它們保持在一起并且還束縛住了中子。使原子核結合在一起的能量叫結合能。

    類比于結合能,化學鍵也起到同樣的作用。雖然化合物是通過兩種方式結合起來的:交換電子形成離子化合物(離子鍵:使陰、陽離子結合成化合物的靜電作用);共用電子對形成共價化合物(共價鍵:原子之間通過共用電子對所形成的相互作用)。但是可以概括地用化學鍵來描述這種結合作用。所以,化學鍵應該也是一種能量,而且說明分子在形成過程中,原子也相應地損失了一部分質量轉化成為化學鍵。

    這里,為了下面敘述的方便我們定義幾個概念:

    束縛質子(中子)能:將質子(中子)束縛在原子核上的能量。束縛一個質子(中子)的能量大小為一單位。

    束縛電子能:束縛電子使其圍繞原子核運動的能量。束縛一個電子的能量大小為一單位。

    質子(中子)內部能:將質子(中子)的內部結構束縛,保持質子(中子)內部結構的能量。

    可以料想,在原子形成的時候,損失的一部分質量將轉化成為能量,用以維持原子的內部結構。

    四.能量和物質結構。

    在這里可以做一個猜想,如果物質可以看作能量的一種高度聚合的形式,那么就不排除有一天可以將物質完全地轉化為能量。反之,可以將這些能量收集在一定條件下將它們重新轉化為物質。比如說我們可以將垃圾完全轉化為能量利用,或者可以將這些能量重新轉化為別的物質比如鐵,銅等。如果這個猜想可以實現必將開創人類的一個全新的時代。你可能覺得將垃圾變成鐵是一件十分荒謬的事情,但是理論上的確有這種可能性。我們現在面對的可能有3種:(1)不同形式的能量(不包括物質)不再具有任何結構,能量即是構成世界的基本存在物。在它們聚合成為物質的時候,產生的物質結構取決于聚合時候的條件。那么將垃圾變成鐵可能性就非常大了。(2)不同形式的能量(不包括物質)都具有相同的結構,在它們聚合成為物質的時候,產生的物質結構取決于聚合時候的條件。那么將垃圾變成鐵便是可能的。(3)不同形式的能量(不包括物質)各自具有不同的結構(此時不同形式能量的劃分不以機械能,內能,化學能等為標準),那么特定結構的能量只能聚合成特定的物質,也許垃圾變成的能量只能是垃圾能,而這些垃圾能只能重新被聚合成為垃圾。

    這里非常關鍵的因素就是能量的本質和其運動規律,但實際的觀察是難以實現的,那么我們可以從這個方式來猜想能量的結構:以已知的物質的結構為基礎,研究能量在物質構成、運動、轉化中所起到的作用,這樣就可以比較有效地猜測能量的本質了。

    1。物質結構

    (1)分子。

    我們已知物質是粒子構成的,物質中能獨立存在并保持其組成和一切化學特性的最小微粒是分子。分子是由原子用化學鍵結合在一起而構成的,原子之間的作用力比較強,但分子之間的作用力卻相當弱,所以分子在一定程度上表現出獨立粒子的行為。分子可以由同種原子組成,也可以由不同種類的原子組成。最簡單的分子只含有一個原子,如稀有氣體的分子。大多數非金屬構成的分子為雙原子分子,如氮、氧等分子。化合物是由不同元素組成的分子,為數最多。

    物質一般可以分為固體,液體,氣體三種。一種物質在不同的條件下(如溫度,壓力等)可以處于不同的物態。而決定一種物質究竟處于何種狀態的一個基本因素就是組成物質的分子之間的距離。固體和液體有一個共同特點:它們的分子間的距離不大,因而分子間有較強的相互作用,這使得固體和液體都不易壓縮,而且在微觀結構上不像氣體那樣無序。

    可以用能量的觀點來看上表,那么物態體現出的是物質內部的能量狀況:氣體的分子動能很大,它們的分子可以基本在空間內自由移動和擴散;液體和固體的分子動能較小,分子間的勢能起主導作用,它們被相互束縛起來。液體的分子可以較大地振動,所以液體可以整體地,有限地擴散和移動。固體的分子被束縛得很緊,它們只能很輕微地振動,因此固體可以在長時間內保持穩定而不擴散和移動。

    (2)原子

    構成化學元素的基本單元和化學變化中的最小微粒,即不能用化學變化再分的微粒。原子由帶正電的原子核和帶負電的核外電子組成,原子核非常小,但原子質量的99.95%以上都集中在原子核內。質量很小的電子在原子核外的空間繞核作有規律的高速運動,原子核和核外電子相互吸引,組成中性的原子。原子核由質子和中子組成。質子和中子統稱為核子,核電荷數即為核內質子數。核是非常致密的,核子彼此緊靠在一起。

    上左圖為一種經典的原子模型,每一個電子都在一定的軌道上繞著原子核運動。沒有電子能夠旋轉于這些固定的軌道之間的任何一點上,電子也不能落入原子核里。另外,每一個軌道包含的原子都有一個最大值。

    右上圖為較新的電子云模型。電子充滿原子核周圍的球形空間。在含有多個電子的原子里,由于電子的能量不同,它們運動的區域也不同。通常,能量低的電子在離核較遠的區域運動。我們可以將不同的區域分為不同的能級,分別對應不同能量的電子。

    在這兩個模型中都有一個共同點,就是電子離核越遠,能量也就越高。我們同樣可以用動能和勢能的觀點來解釋原子的模型:原子核和電子之間有吸引力,而動能的存在維持著原子核和電子的相互位置和關系,所以在電子和原子核之間包含著勢能,原子核和電子間的吸引力越強,那么勢能就越強。但在這里,假定一個電子在靠近原子核,那么勢能會轉化為電子的動能,當動能足以克服吸引力,它就會停止靠近原子核并最終遠離原子核;當它遠離原子核時,動能便轉化為勢能,當動能不足以克服吸引力時,它便會停止遠離原子核而開始靠近原子核……這樣子往復下去,除非有外來的能量打破這種平衡。

    (3)物質的能量穩定

    由于物質的結構特點,導致不通物態的物質在吸收一定能量后產生的改變是完全不同的。比如熱脹冷縮的程度:氣體受熱膨脹地十分劇烈和明顯,液體較為明顯而固體最不明顯。這是因為在氣體分子間的束縛最弱,在吸收能量后分子間的距離迅速地擴大,導致空間上的體積迅速擴大。

    不同物態的物質本質是一致的,只不過在微觀結構上的能量狀況不同。如果再看一個例子將對這個問題有更深入的認識。

    固體可以分為晶體和非晶體兩大類。晶體和非晶體在外形上和物理性質上都有很大區別:

    外觀上晶體有規則的幾何形狀,非晶體沒有規則的幾何形狀;晶體的一些物理性質表現為各向異性(晶體的物理性質和方向有關),非晶體的各種物理性質是各向同性(非晶體的各種物理性質在各個方向上都是相同的);晶體有確定的熔點,非晶體沒有確定的熔點。

    一種材料是晶體還是非晶體并不是絕對的,許多非晶體在一定條件下可以轉化為晶體。例如古老建筑中的窗玻璃就經常出現局部的結晶狀態。另外,人們發現,只要冷卻得足夠快并冷卻到足夠低的溫度,幾乎所有的材料都能成為非晶體。晶體又有單晶體和多晶體之分。一個食鹽小顆粒是單晶體,許多食鹽的單晶體粘在一起成了個大鹽塊,這就是食鹽的多晶體。一般說來,如果整個物體是由許多雜亂無章排列著的單晶體組成的,這樣的物體就叫多晶體。多晶體通常沒有規則的幾何形狀,各方向的物理性質也相同,但是仍有確定的熔點。日常見到的各種金屬都是多晶體。把純鐵做成的樣品放在顯微鏡下觀察,可以看到它是由許多晶粒組成的。因為多晶體的機構特點使它的性質介于單晶體和非晶體之間。

    為什么們晶體和非晶體有這么多差異呢?這樣從晶體的微觀結構中尋找答案:

    組成晶體的物質微粒(分子、原子或離子)的確依照一定的規律在空間中整齊地排列著。因此晶體中物質微粒間的相互作用力很強,微粒的熱運動不足以克服它們的相互作用而使粒子遠離,微粒的熱運動表現為在一定的平衡位置附近的微小振動。非晶體內部物質微粒的排列是不規則的,所以非晶體沒有規則的外形。

    有的物質能夠生成幾種不同的晶體,這是因為組成這種物質的微粒可以按幾種不同的方式形成不同的晶體結構。碳原子按照不同的排列可以形成金剛石和石墨。金剛石中碳原子間的作用力很強,所以金剛石具有很大的硬度。石墨中碳原子組成層狀結構,各層間的距離比較大,相互作用力比較弱,所以質地松軟。

    可見物質的微觀結構(能量狀況)對物質的物理性質和化學性質產生極大的影響。

    我們可以定義一個概念能量穩定度來描述不同物態、不同結構物質性質的一個漸變關系。

    能量穩定度是指由物質內部結構決定的物質性質的穩定程度,它表現在同一等級上等量的能量對物質結構和性質改變的多少。如果一定量能量作用于A,B兩物體,而A物體的性質和結構改變較小,就說A物體比B物體具有更高的能量穩定度。

    由此,我們可以將不同物質的能量穩定度通過一個表來表示。

    物質能量穩定度表

    普通物質級氣體↓

    液體↓

    固體非晶體↓

    多晶體↓

    單晶體↓

    分子結構級↓

    原子結構級↓

    原子核結構級↓

    ……

    ↓指能量穩定度更高

    這個表想要說明的是:一般說來,物質的機構越小,越微觀,其能量穩定度就越高。意味著物質的微觀結構越來越穩定,相比較下需要更多的能量才能改變。

    2。物質的運動和轉化

    (1)物理變化

    *1行星繞恒星運轉

    舉太陽系中的地球為例,這種狀況非常類似于經典的原子模型。不同在于地球在一個十分確定的軌道上繞太陽運轉。太陽和地球之間有非常大的萬有引力,而地球本身又在不停運動具有動能,而動能的存在維持著太陽和地球的相互位置和關系,所以在太陽和地球之間的包含著勢能,太陽和地球之間的萬有引力越強,那么勢能就越強。由于并沒有外來強大的外來能量干擾,地球的運轉軌道是地球的動能和勢能之間達到平衡的結果,而地球的動能和勢能幾乎從不受到影響以至于這個軌道是如此得恒定和精確。

    在實際情況中還要考慮地球和其他行星之間的影響,但原理不會有太大的變化。可以說還是太陽系的能量關系,決定了太陽與不同行星之間的相互位置和關系。

    *2地球表面的物體的升降運動

    相比起地球的質量和體積來說,地球表面的很多物體實在是非常的小,因此大部分都被緊緊地束縛在地球表面上,但是在某些情況下,物體可以離開地球表面,到較高一點的地方去。舉向天空拋小球為例:我將手中的小球拋向天空,我的化學能轉化成為手的機械能再轉化成為小球的動能,然后小球飛了出去。在上升過程中,小球的動能不斷轉化成為勢能,直到在最高點小球的動能為0而重力勢能達到最大,它開始下降做自由落體運動。在自由落體運動中,它的重力勢能不斷減小,動能不斷增大,它的速度越來越快最后“轟”砸在地上,則此時動能最大勢能最小。能量最終又傳給大地。在這個過程中,能量由我傳給小球,小球經過轉化最終把能量傳給大地(中間有一些能量傳給了空氣)。這個過程符合質能守恒定律。

    *3物態變化

    物態變化是物理變化,并不會改變分子的構成,只是改變分子的排列

    前面已經討論過,分子(包括單原子分子)構成物質。人們認為之所以物質會分為常見的固態,液態,氣態,原因在于分子是不停運動的,具有動能;而分子之間還有吸引力叫分子間力。既然分子間力維持著分子之間的相互位置,那么這種分子間力包含著勢能。分子間力越強,分子的勢能就越大。在固體和液體里,分子的動能不足以克服分子間力。在氣體中,分子的動能足以克服分子間力所以分子分離開來。對于物質來說,它所包含的分子(以及分子間)的能量決定了它的物態。但實際上能量是不是唯一決定物質的狀態的因素呢?

    這里可以做一個定量的試驗:加熱36g的冰直至全部變為水蒸氣,再將水蒸氣凝結成冰。測量在這過程中的能量變化可得:

    0℃的冰+能量→100℃的水蒸氣

    36g108864J36g

    100℃的水蒸氣+能量→0℃的冰

    36g108864J36g

    這個試驗在這里便可以說明能量在物態變化中所起到的作用了:似乎只有能量在物態的轉變中起著決定性的作用。

    (2)化學變化

    化學變化會通過改變原子排列來改變分子的構成。結果導致一種新的物質產生,化學變化也伴隨能量的變化。

    *1釋放能量的反應

    任何以熱的形式釋放能量的化學反應是放熱的。

    例如氫在氧氣里燃燒:

    2H2+O2→2H2O+能量

    這個反應其實是2個氫氣分子被拆分為4個氫原子,一個氧氣分子拆分成的2個氧原子,重新排列成為2個水分子并放出能量。更確切的說是氫分子和氧分子的化學鍵破碎而氫氧原子之間形成新的化學鍵,新的化學鍵和原來的化學鍵是不同的。既然原子本身并沒有變化那么有沒有可能能量是因為化學鍵的變化而放出的呢?那么到底什么是化學鍵,是什么在維系著分子的結構和原子的結構?

    *2吸收能量的反應

    2H2O+能量→2H2+02

    這個反應實際上是在能量的作用下,2個水分子中的化學鍵都破碎然后4個氫原子和2個氧原子分別形成新的化學鍵。如果假定反應前后化學鍵的變化是吸收、釋放能量的原因,就可以得出2個水分子中的化學鍵能量小于2個氫分子中化學鍵能量與1個氧分子中化學鍵能量的和。這樣方程兩邊的能量才是平衡的。

    在化學反應中,許多能量都是用來打破分子中的鍵,并在原子間形成新的鍵。在物理變化中,需要較小的能量來克服分子相互吸引的分子間力。打破分子中的鍵所需要的能量比克服在分子間的力大得多。對應不同能量穩定度的物質可以在不同得反應中劃分出一個能量級別來。

    前面的想法畢竟是猜想,就一般而言人們是這樣解釋化學反應中能量的變化的:能量可以作為化學能儲存在原子里和分子里。在釋放熱量的反應中,化學能只是簡單地轉化成為熱能放出;在吸收能量的反應中,熱能轉化成為生成物的化學能儲存起來

    有些反應只有在物質已經升高到一定的溫度后才開始。比如,需要一定的能量來加熱炭,使它能夠著火。但是一旦點著,炭在燃燒時放出的能量就比加熱炭所需要的能量更多。化學家能夠測量升高每種物質的溫度帶到開始發生化學變化所需要的能量。他們也能夠測量在這個反應進行中放出的能量。如果這個反應是放熱的,釋放的能量總大于這個反應所需要的能量。另一方面,如果在反應開始后繼續吸收能量,那么這個反應就是吸熱的反應。可以發現,對于不同的物質,有一個不同的臨界能量值分隔開它的物理變化和化學變化。

    (3)原子核反應

    *1天然放射性

    由于從原子核里自發放射粒子,而使一種元素變為另一種元素的過程,被稱為放射性衰變。

    鈾的放射性衰變

    鈾238(質量數為238的鈾的同位素)衰變時,它的原子核放出一個阿爾法粒子,這種粒子由2個質子和2個中子組成,同時放出熱能和伽瑪輻射,形成釷234的原子核。

    鈾238→阿爾法粒子+釷234+能量

    92P2P90P

    146N2N144N(P代表質子,N代表中子。質量數等于質子數加中子數。)

    注意原子核的粒子怎樣重新安排,鈾238的原子核損失2個質子和2個中子形成一個阿爾法粒子,剩下的形成釷234的原子核,它是由90個質子和144個中子形成的。方程兩邊質子數核中子數都沒變,看起來這里的能量來自把阿爾法粒子束縛在原子核上的2個單位的質子束縛能和2個單位的中子束縛能,它一起被釋放出來。

    釷的貝他衰變

    當釷234發生貝他衰變時,放出一個貝他粒子(實際上是一個電子),釷234變成鏷234。

    釷234→電子+鏷234+能量

    90P91P

    144N143N

    可以發現在這個反應中釷234里的一個中子分裂為一個質子和一個電子。那么,產生的鏷234的原子核就比原來的釷234原子核少一個中子而多一個質子。好像一個中子就是由一個質子和一個電子通過一定關系組成的。這里的能量變化是:1個中子破碎,釋放出1單位的束縛中子能和中子內部能,然后新質子吸收一部分作為質子束縛能使自己束縛在原子核上。最終釋放的能量來自于1單位的束縛中子能加上1單位的中子內部能減去1單位的束縛質子能的差值。

    *2元素的嬗變

    1911年,盧瑟福用阿爾法粒子打進金箔,從這個研究,他獲得了原子核概念的證據。然后1919年,盧瑟福用相同的方法把一束阿爾法粒子流對準氮14沖擊。下面是發生的變化。

    阿爾法粒子+氮14→氧17+質子

    2P7P8P1P

    2N7N9N0N

    當氮14的原子核擒獲阿爾法粒子時,產生了氧17的原子核和質子。方程兩邊的質子和中子的總數是相等的。盧瑟福實現了煉金術士的夢想,他能把物質變成另一種。但只有很少的阿爾法粒子能夠穿透氮原子,因為帶正電的阿爾法粒子與帶正電的原子核士互相排斥的。為了使帶正電的粒子能夠打中帶正電的原子核,科學家制出了粒子加速器,即增大電子、質子和其他帶電粒子能量的裝置,用加速后的粒子沖擊元素。

    不久科學家開始使用中子來進行這項試驗。中子不帶電荷,不受帶正電的原子核的排斥,也不受環繞原子核的電子的排斥,比質子和阿爾法粒子更有效。下面是發生的變化。

    氮14+中子→氮15

    7POP7P

    7N1N8N

    可以看出,當原子擒獲中子時,產生的是同種元素的同位素。這個新產生的同位素常常是放射性的。

    如果我們分析這些反應的能量情況就會發現:通常是將一個特定的粒子加速使其有很大的動能后打進一個原子,使這個粒子能夠被束縛在這個原子內。這個被打進的粒子帶有很大的能量,那么它的進入改變了原子核內的能量平衡,從而導致了原子核的重新排列。

    *3原子的裂變和聚變

    科學家曾經用中子轟擊鈾235,結果發現鈾分裂為鋇和氪(鈾有92個質子,鋇有56個質子,氪有36個質子)。

    然后他們進一步試驗得出以下結論:

    a.鈾原子的裂變有時候產生除鋇和氪以外的其他一對元素。不管是什么樣的碎片,其質子的總數等于鈾的原子序數92。

    b.所產生的元素通常是具有放射性的。

    e.每一次鈾原子的分裂除了產生大量的熱能和伽瑪輻射以外,還要放射出2、3個中子。

    d.裂變過程中似乎有微小的能量損失。

    不管怎么說,這是人類的一個成功。因為后來人們根據這個原理制成了裂變炸彈。而裂變炸彈爆炸時,成功地產生了一千萬攝氏度的溫度(在這以前,這樣高的溫度只有太陽和其他恒星上才能存在)。這為人們制造聚變炸彈奠定了基礎。

    我們知道太陽的能量時從一系列氫結合成氦的聚變反應產生的。

    4氫1→氦4+能量

    411H→42He+能量

    在地球上若想實現這種聚變反應就必須要有足夠的溫度,而裂變炸彈剛好已經可以達到這種高溫,所以其實人們已經可以實現這種聚變了。

    氫2+氫3→氫4+中子+能量

    21H+31H→42H+10n+能量

    聚變炸彈需要很大的能量來開始聚變的過程,但一旦聚變開始,它可以釋放更多的能量。

    裂變和聚變給我們的啟示是:好像物質的基本結構(分子,原子,原子核)不是絕對的。雖然在我們眼中它們有如此大的差異。比如說有些是氣體,有些是固體;有些柔軟,有些堅韌;有些有毒,有些沒毒。它們之所以成為各具特色的物質還是取決于它們的能量狀態。也就是說,理論上,只要有足夠的能量條件,我們可以用氫原子聚變成為任何已知和未知的原子,而這些聚變成的原子又可以再一次聚變;反過來講,我們可以把已知的原子全都裂別成為氫原子。但,這一切還停留在理論階段,因為僅僅是把氫原子聚變成為氦原子,就需要達到恒星的溫度條件。

    *4結合能和化學鍵

    3。能量作用級別和結論

    當我們整體地研究了在物質的構成、運動和轉化中能量所起到的作用,我們會發現,無論是組成物質的基本粒子,還是聯系這些基本粒子之間的因素,好像都是能量在起作用。正是因為能量作用的級別不同,而產生不同的反應,我們可以用一個簡表將這個體現出來。

    需要說明的是這個表只描述能量作用級別的概況,不涉及具體的運動或反應。而最后那個純能反應能量級是猜想中的,所有的物質都可轉化成為能量的反應能量級。

    能量作用級別表

    物理變化能量級機械運動↓

    (分子排列能量級)物態變化特例:非晶體的熔化和凝固↓

    晶體的的熔化和凝固↓

    化學變化能量級起始反應能量低的化學變化↓

    (原子排列能量級)起始反應能量高的化學變化↓

    原子核反應能量級原子核裂變反應↓

    (原子核排列能量級)原子核聚變反應↓

    …………↓

    純能反應能量級↓

    ↓指越高的能量級

    這個表與前面那個物質能量穩定度表是對應的,都表現了能量在構成物質和轉化物質中所起的作用是漸變的。

    通過這個表可以發現:之所以會產生不同的變化,都是因為反應處于不同能量級的結果。例如如果實際的能量處于物理變化中的物態變化能量級,就說明如果這些能量作用在一個特定物體上,只能改變分子的排列而不能改變分子的構成;而如果實際的能量處于化學變化能量級,就說明這些能量如果作用在特定的物體上,只能改變原子的排列而不可以改變原子的構成。

    結論:物質的結構、性質和狀態,以及能夠改變物質結構、性質和狀態的運動,反應所能夠達到的程度,都是由能量決定的。而能量是構成物質的基本存在物。

    我們可以這樣理解這個結論,即其實我們的這個世界只不過是能量自導自演的一場“電影”:組成物質的是能量,聯系物質的是能量,決定物質的是能量,而改變物質的還是能量。好像我們的宇宙世界從頭到尾都沒有其他的東西,這宇宙和世界一眼望去就是能量的茫茫海洋。

    在明確了這一點以后,我們的問題就轉向:(1)能量以什么形式存在以及能量自身的性質。(2)能量如何形成物質,它以什么方式物體中以及不同物體之間作用。(3)如何用能量去解釋已知的物理和化學模型和定律。(4)生命和智慧是否與能量有關。

    五.對能量的猜想

    1。假想中的能量體

    根據我們的結論,可以將能量具體化、物質化為一種存在體,它可能是粒子,可能是線形的,可能是立方體的,可能像水那樣不具有具體的形狀……我們無從得知,但是可以根據前面的結果得出一些它的一些性質和特點:

    (1)能量體是次于物質的一種基本存在物,我們現在無法確定它是否具有內部結構,所以不能說能量體是宇宙最基本的存在物。

    (2)能量體沒有質量,因而質量只是物質的屬性而不是能量的屬性。因為如果能量體有質量那么根據E=mC2它就還可以繼續放出能量體,說明能量體沒有質量。而這進一步說明,能量體就是能量的基本存在物,它本身不再蘊涵任何能量。

    (3)能量體的尺度極其微小,在我們看來非常致密的的物質,在能量體的尺度下可能只是非常非常稀松的,所以,它可以很容易地穿過物質,即在不同物質中轉化。

    (4)我們前面得到,元素之所以不同只是因為原子內部的能量關系不同,它們雖然在物理和化學性質上差異很大,而本質其實是相同的。所以,作為物質的基本存在物能量體不以元素為劃分標準,那么前面的猜想即可以用能量來改變物質,以及用純能來制造物質就是完全可行的了。

    我們可以這樣理解能量體的作用:把能量體當成一種沙子。當沙子和沙子凝結起來便成為磚頭,我們再用沙子把磚頭凝結起來便可成為房子,而房子與房子之間又可以有磚頭(或磚頭組成的結構)連接便成為城市。說到底,城市完全是由沙子構成的,就好像我們的宇宙完全是由能量體構成的。

    2。熱力學第二定律與宇宙模型

    科學家們通過大量試驗和事實得出熱力學第二定律:不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體而不引起其他變化。

    在這里判斷熱量流向的標準是溫度,而不是物質所蘊涵能量的大小。比如說,我們把一小塊100℃的鐵塊扔進大海,熱量將由鐵塊流進大海。用我們的理論來說,決定熱量流向的標準是局部空間里能量體的密度。能量體總是由能量體密度大的地方流向能量體密度小的地方。

    于是我們可以建立這樣一個宇宙模型:奇點是一個能量體密度極限高的點,它的大爆炸使宇宙中充滿了能量體密度非常高的物質,宇宙不斷膨脹的過程中,這些物質通過各種反應和變化使自身能量體密度逐漸減小,并在最后放出單個的能量體。由于熱力學第二定律,這些物質將最終全部變成單個能量體,并使宇宙各處的能量體密度處處相等。此時宇宙中各處的溫度都相等為絕對零度。這個叫做宇宙的熱寂。

    可以舉太陽為例說明這個過程,宇宙大爆炸后形成了太陽這個能量體密度非常高的物質聚合體,它通過自身不斷的聚合反應,放出大量能量體密度較低的物質甚至單個能量體(光和熱),這個過程最后將導致太陽的最終耗盡和它周圍能量體密度的平衡。

    當我們發現宇宙的這個趨勢以后,作為宇宙的一個部分來說,可以從這個角度出發來看待生命和智慧的問題:生命便是這樣一種結構,在它的活動中,它將加速宇宙中能量體的流動過程:在它的新陳代謝中,它把能量的聚合體物質,轉化成為能量體,其實就加速了熱寂的到來。而智慧,也就是一種更快的加速手段(比如說人們已經掌握了原子核裂變和聚變的技術,這比起新陳代謝來說可以更快地將物質轉化成能量體)。所以說生命和智慧只是宇宙發展中的一個手段(它們都好像一個不斷燃燒的小太陽,不斷將物質轉化成為能量),它們必將隨著熱寂的到來而消失。而對于生命和智慧來說,不管是否愿意,它們的存在就是作為一件工具最大程度地加速能量體的擴散,并最終加速熱寂的到來,可以說這就是生命存在并且不斷延續和進化的一種意義。

    3。純能制造物質猜想實現的步驟

    (1)清楚地研究物質的微觀結構以及能量的本質。(對光、電、磁的研究可以帶給人類極大的啟示,因為它們可以說與能量有密切的關聯。我認為光量子就是能量體一種較低的能量聚合體)。

    (2)試圖將能量體從物質中分離出來并且收集起來。(這是非常關鍵的一步,只有先將能量儲存起來才有可能進行下一步的處理。現在某些國家的科學家已經能夠將光“冰凍”,即是將光的速度降低,這無疑是一個極好的開端。)

    (3)通過一系列處理將能量體聚合成為物質。(這一步非常困難因為目前對此沒有任何已有的經驗。我們雖然并不清楚需要怎樣的處理能將能量聚合成為物質,但是理論上將這是可能的并且我相信終有一天可以實現。)

    (4)將聚合成的物質進一步處理直至成為我們需要的元素。(其實這一步很有可能是人類科技可以達到的第一步,但是卻是純能制造物質的最后一步。如果科技足夠先進,這一步可以包含在第(3)步中。人類已經可以將石墨轉化成為磚石,而這一步的原理與此相差不大)

    其實大家會疑惑純能制造物質是違反熱力學第而定律的,其實不是:因為在用純能制造物質的時候,我們需要使用更多的能量,也就是說要將更多的物質轉化成為能量。比如說,我們用純能制造1Kg物質,可能需要1.5Kg的物質釋放出的能量。唯一不同的是我們可以用廢棄的物質去制造有用的物質,比如我們可以用垃圾去制造鐵和銅等。(這一點和生命很像,生命從表面上看也是違背熱力學第二定律的,其實生命的存在反而加速了熱力學第二定律的過程)。

    不得不說的是,這個猜想對于人類而言還需要很漫長的時間和努力才有可能實現,但是這的猜想的存在昭示著人類的美好未來,如果這個夢想實現那么人類就不再需要擔心能量和廢棄物等等問題了,這對人類來說無疑是一場飛躍。

    六.結語

    1。報告中存在的問題

    這份報告畢竟只是一份猜想報告,其內容帶有很多想象的成分,它是否能實現還只是未知數,這里只是做一種可能性的假設。客觀世界極其紛繁復雜,而筆者知識和能力極其有限,很多地方只是自己的推斷,并沒有辦法引用試驗結果或做試驗驗證,所以并不能得到任何必然的結論。

    報告中提出一種“能量體”的模型,雖筆者勉力為之,仍舊無法用這個模型去解釋物理、化學以及許多其它的現象。所以這種模型只是一種非常不完善甚至完全錯誤的模型。所以筆者將繼續努力完善或尋找新的模型,以期能夠很好地解釋客觀世界。

    2。報告中體現出來的哲學思想

    *1從量變到質變

    元素周期表中元素的排列,是原子結構中質子數、中子數、電子數變化的結果,雖然只是數量的變化卻導致不同元素在物理和化學特性上巨大的本質的差異。

    物質的存在,是因為能量大量高度聚合的結果。正是這種量的增加導致本質的變化,使沒有質量的能量體變成了有質量的物質。

    量變到質變的存在,說明事物發展變化的連續性和協調性,也同時提醒人們依照已經體現出的規律進行探索,很有可能發現人們從沒有意識到的甚至是不可思議的現象和事實。同時,也告訴人們不能固守已有的知識和定律,因為它們很有可能只是客觀真理的近似情況,是人類發展中一個階段而已。人們只有在前人研究的基礎上不斷批判前人的研究成果,不斷將特殊擴展到一般,才能推動人類持續向前發展。

    *2世界的相對和統一

    不同物態的物質本質是相同的。比如說冰、水和水蒸氣,雖然它們的物理形態是如此不同,其實都是由水分子構成的,唯一不同的在于分子的排列,即分子級別上的能量狀況不同。

    以前人們認為不同元素之間有極其本質的區別,知道后來發現不同的元素之間在一定條件下可以相互轉化,實現了古人煉金術的夢想。以前人們認為物質和能量,時間和空間是完全孤立的事物。直到愛因斯坦跨時代的理論才揭示了它們之間的精確關系,將看似完全不同的事物聯系起來。

    我們現在的結論是之所以會有物態的區別,元素的區別,物質和能量的區別,其實都在于它們在能量層面上的狀況不同。那么就可以將物質構成、運動、轉化統一于能量的作用,并且可以反過來運用,即用通過改變物質的能量狀況來改變物質的構成、運動、轉化。

    由此可見,我們世界本質上還是有可能統一起來,人類的發展將導致人類感知范圍和層面的拓展,并逐漸逼近世界本來的面目以及掩藏在種種表象下的真理。雖然這是個漫長的過程,但也是人類不得不肩負的使命。

    

    

書評區>> 看全部書評

目前共發表了 0 篇書評 我要發表
本月排名
-
本月票數
0
0 人評分

關注本書讀者還關注

1004179514_21_73-m
天道圖書館
作者 橫掃天涯
  張懸穿越異界,成了一名光榮的教師,腦海中多出了一個神祕的圖書館。只要他看過的東西,無論人還... (馬上閱讀)

其他奇幻玄幻類熱門作品
+看更多

回頁首