科學也可以如此靠近

把夸克融合在一起能產生多少能量?


2018年1月27日16時 今日科學 博科園
博科園

博科園-科學科普當涉及到清潔、高效和多產的能源的終極夢想時,很難比在原子內部的秘密做得更好。傳統能源依賴於化學能源和電子的原子/分子躍遷,而核能則要高效得多。

雙重魅力的重子Ξcc++包含兩個魅力夸克和一個上夸克,並且首先在歐洲核子研究中心實驗中發現。現在研究人員已經模擬了如何從「融化」在一起的其他魅力的重子合成它,並且能量產量是巨大的。圖片版權:Daniel Dominguez, CERN

對於同樣數量的質量來說,一個單獨的原子核,在分裂(如鈾)或熔合在一起(在氫的情況下)可以釋放出高達一百萬倍的燃燒反應的能量。最近「熔化的夸克」被發現比聚變反應高10倍。但是雖然核聚變和裂變都有巨大的潛力來革新世界的能量,但融化的夸克永遠不會起作用,這是為什麼呢?

當兩個粒子在合適的條件下相遇時,它們的波函數可以重疊,從而暫時產生一個不穩定的粒子。它幾乎會簡單地分裂回原來的狀態,但在很少的情況下會發生聚變反應,產生更重的元素。圖片版權:E. Siegel / Beyond The Galaxy

核聚變的工作原理是通過穩定、束縛的夸克(如質子、中子和複合原子核),並將它們聚集在高能、高密度的條件下。當克服靜電力並使這些帶電的原子核足夠接近時,它們的量子波函數開始重疊,這意味著它們融合成一個更重,更穩定的原子核的機率是有限的。當這種情況發生時,大量的能量釋放出來:大約是初始反應物剩餘質量能量的0.7%。通過愛因斯坦最著名的方程,E =

mc2,質量轉化為能量,這是聚變反應的最終目標。

1961年的沙皇炸彈爆炸是有史以來在地球上發生的最大的核爆炸,也許是有史以來最著名的核聚變武器,其產量遠遠超過其他任何已開發國家。圖片版權:Andy Zeigert / flickr

但是正常的核束縛態,即使是不穩定的狀態,也是由上下夸克組成的,包括質子,中子,以及元素周期表上的每個元素。然而還有許多其他的可能性,因為有四種其他類型的夸克被稱為:奇夸克、魅力夸克、底夸克和頂夸克。我們甚至用奇異的、迷人的、底部的夸克來模擬質子和中子。如果能把質子、中子和其他有界的夸克結合在一起,也許可以把這些奇怪的、迷人的和底部的「重子」融合在一起(重子是三個夸克的組合結合在一起)。

已知的粒子和標準模型的反粒子都已經被發現。但是任何含有奇夸克、魅力夸克、底夸克和頂夸克的含夸克粒子,最多只能存在幾納秒,在衰減之前,使這些粒子在能量上的應用非常困難。圖片版權:E. Siegel

即使它們只存在於一瞬間,我們也可以對這些粒子進行詳細的計算和模擬。考慮到理解物理定律,可以精確地了解它們的行為。在一項新的研究中,科學家Marek Karliner和Jonathan l . Rosner已經證明了一個空前有效的「熔化夸克」的反應是可能的。

核聚變,兩個輕核融合在一起來產生一個更重的,但是最終的質量低於初始反應物,因此能量通過E = mc ^ 2釋放。在「熔融夸克」的場景中,兩個重夸克的結合產生一個雙重子,通過同樣的機制釋放能量。圖片版權:Gerald A. Miller / Nature

與標準的核聚變不同,兩個光核融合在一起,產生一個更重的原子核,一個原子質量更高,夸克的總數更大;一個「熔融夸克」的反應,在三次中保持了夸克的數量。相反每兩個反應的重子都含有一個重夸克,就像一個夸克或一個底夸克,最後形成一個重子和一個普通的質子或中子一樣的重子。不同於標準的聚變反應,它們的質量大約是能量的一半,而這些「重子」之間的結合能幾乎是「能量」的10倍,這導致了一個反應——高達4%的總質量轉化為能量。

核聚變反應,如在太陽中發生的,不能將初始質量的1%轉化為能量。在一個「熔融夸克」的場景中,這種能量可以增加近十倍,但在有意義的方式中,卻有阻礙能量的障礙。圖片版權:Wikimedia Commons user Kelvinsong

你的大腦可能會立即想到前所未有的應用。你可能會想:這可能會徹底改變我們的能源需求。這可能是有史以來最有效的武器。但事實是:這些只是白日夢,從來沒有在物質宇宙中任何實際應用中實現。

為什麼不呢?

因為這些粒子太不穩定了,它們需要的能量遠比你能得到的能量大得多。

540gev的質子反質子相互作用,在流光室中顯示粒子軌跡。雖然許多高能量、不穩定的粒子都是在碰撞中產生的,但它們都需要大量的能量來製造,而粒子則非常短暫。

為了創造一個有重夸克(奇夸克、魅力夸克、底夸克和頂夸克)的粒子,必須在極高的能量中相互碰撞其他粒子:足夠製造等量的物質和反物質。假設需要兩個重子(比如兩個或兩個底物),必須讓他們在合適的條件下進行結合——導致聚變反應,最後得到3 - 4%的能量。

但是要使這些粒子一開始就達到100% ,它們也非常不穩定,這意味著它們會在短時間內衰變為更輕的粒子:一納秒或更少。最後當它們衰變時以新粒子的形式和它們的動能,得到100%的能量。換句話說,沒有得到任何凈能量。

質子鏈負責產生絕大多數的太陽能量。將兩個氦- 3核融合成he4,這是鏈條上的最後一步,可能是地球在核聚變的最大希望,也是一個清潔、豐富、可控的能量來源。圖片版權:Borb / Wikimedia Commons

核聚變是能量的聖杯,因為有許多因素,包括:

1、反應物的豐度和穩定性

2、反應的可控性質

3、從聚變本身釋放出的大量能量

4、以及利用能量的便利性

當談到第三點時,融化的夸克可能會有優勢,因為釋放能量的增加近10倍,但它在所有其他點上的災難性失敗使它成為一種科學的好奇心。它對能源或武器潛在應用依賴於不現實的條件,需要克服其他障礙。

的確,把一個或兩個光夸克替換成一個重質子(或中子),這意味著在核/粒子反應中會有更多的結合能,但還有其他的問題,否則我們都將轉換成100%有效的物質-反物質湮滅。圖片版權:APS/Alan Stonebraker

這仍然是一個非常重要的發現——即使是通過模擬這些束縛-夸克系統是如何結合在一起並相互作用的。重要的是要了解結合能如何工作,釋放多少能量,以及當不同的不穩定粒子發生反應時需要採取什麼形式。這些步驟是核和粒子物理的一個組成部分。但是熔化夸克永遠不會成為能量源或武器來源,因為在這些高的、不穩定的能量上,相對於傳統的核融合效率的提高遠遠超過了物質-反物質湮滅的100%效率。如果能製造出可以融化夸克的粒子,也可以製造反物質:宇宙中最節能的來源。但對於廉價的、豐富的、清潔的能源、核聚變,而不是熔化夸克是未來的潮流。

知識:科學無國界,博科園-科學科普

作者:Ethan Siegel(天體物理學家)

來自:Forbes science

編譯:光量子

審校:博科園


延伸閱讀

人們認為是吸血鬼的化身,看起來讓人覺得非常恐怖

從大腦到說話:是什麼原因造成口吃?

做到這 7 點,基層醫生也能發 SCI

浩瀚宇宙人類太幸運,如果地球距離太陽近5%,會有

想吃大個兒的蝦?讓它們都變成男孩子就好了!


熱門內容

友善連結



APP