【博科園-科學(xué)科普】當(dāng)涉及到清潔、高效和多產(chǎn)的能源的終極夢想時，很難比在原子內(nèi)部的秘密做得更好。傳統(tǒng)能源依賴于化學(xué)能源和電子的原子/分子躍遷，而核能則要高效得多。
【博科園-科學(xué)科普】當(dāng)涉及到清潔、高效和多產(chǎn)的能源的終極夢想時，很難比在原子內(nèi)部的秘密做得更好。傳統(tǒng)能源依賴于化學(xué)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，并且首先在歐洲核子研究中心實驗中發(fā)現(xiàn)?，F(xiàn)在研究人員已經(jīng)模擬了如何從“融化”在一起的其他魅力的重子合成它，并且能量產(chǎn)量是巨大的。圖片版權(quán)：Daniel Dominguez, CERN
對于同樣數(shù)量的質(zhì)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(yīng)的能量。最近“熔化的夸克”被發(fā)現(xiàn)比聚變反應(yīng)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，這是為什么呢？
當(dāng)兩個粒子在合適的條件下相遇時，它們的波函數(shù)可以重疊，從而暫時產(chǎn)生一個不穩(wěn)定的粒子。它幾乎會簡單地分裂回原來的狀態(tài)，但在很少的情況下會發(fā)生聚變反應(yīng)，產(chǎn)生更重的元素。圖片版權(quán)：E. Siegel / Beyond The Galaxy
核聚變的工作原理是通過穩(wěn)定、束縛的夸克(如質(zhì)子、中子和復(fù)合原子核)，并將它們聚集在高能、高密度的條件下。當(dāng)克服靜電力并使這些帶電的原子核足夠接近時，它們的量子波函數(shù)開始重疊，這意味著它們?nèi)诤铣梢粋€更重，更穩(wěn)定的原子核的概率是有限的。當(dāng)這種情況發(fā)生時，大量的能量釋放出來：大約是初始反應(yīng)物剩余質(zhì)量能量的0.7%。通過愛因斯坦最著名的方程，E = mc2，質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量，這是聚變反應(yīng)的最終目標(biāo)。
1961年的沙皇炸彈爆炸是有史以來在地球上發(fā)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(chǎn)量遠遠超過其他任何發(fā)達國家。圖片版權(quán)：Andy Zeigert / flickr
但是正常的核束縛態(tài)，即使是不穩(wěn)定的狀態(tài)，也是由上下夸克組成的，包括質(zhì)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(zhì)子和中子。如果能把質(zhì)子、中子和其他有界的夸克結(jié)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(jié)合在一起)。
已知的粒子和標(biāo)準模型的反粒子都已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)。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(yīng)用非常困難。圖片版權(quán)：E. Siegel
即使它們只存在于一瞬間，我們也可以對這些粒子進行詳細的計算和模擬?？紤]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(xué)家Marek Karliner和Jonathan l . Rosner已經(jīng)證明了一個空前有效的“熔化夸克”的反應(yīng)是可能的。
核聚變，兩個輕核融合在一起來產(chǎn)生一個更重的，但是最終的質(zhì)量低于初始反應(yīng)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(jié)合產(chǎn)生一個雙重子，通過同樣的機制釋放能量。圖片版權(quán)：Gerald A. Miller / Nature
與標(biāo)準的核聚變不同，兩個光核融合在一起，產(chǎn)生一個更重的原子核，一個原子質(zhì)量更高，夸克的總數(shù)更大；一個“熔融夸克”的反應(yīng)，在三次中保持了夸克的數(shù)量。相反每兩個反應(yīng)的重子都含有一個重夸克，就像一個夸克或一個底夸克，最后形成一個重子和一個普通的質(zhì)子或中子一樣的重子。不同于標(biāo)準的聚變反應(yīng)，它們的質(zhì)量大約是能量的一半，而這些“重子”之間的結(jié)合能幾乎是“能量”的10倍，這導(dǎo)致了一個反應(yīng)——高達4%的總質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量。
核聚變反應(yīng)，如在太陽中發(fā)生的，不能將初始質(zhì)量的1%轉(zhuǎn)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(quán)：Wikimedia Commons user Kelvinsong
你的大腦可能會立即想到前所未有的應(yīng)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(zhì)宇宙中任何實際應(yīng)用中實現(xiàn)。
為什么不呢？
因為這些粒子太不穩(wěn)定了，它們需要的能量遠比你能得到的能量大得多。
540gev的質(zhì)子反質(zhì)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(wěn)定的粒子都是在碰撞中產(chǎn)生的，但它們都需要大量的能量來制造，而粒子則非常短暫。
為了創(chuàng)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：足夠制造等量的物質(zhì)和反物質(zhì)。假設(shè)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(jié)合——導(dǎo)致聚變反應(yīng)，最后得到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(wěn)定，這意味著它們會在短時間內(nèi)衰變?yōu)楦p的粒子：一納秒或更少。最后當(dāng)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(zhì)子鏈負責(zé)產(chǎn)生絕大多數(shù)的太陽能量。將兩個氦- 3核融合成he4，這是鏈條上的最后一步，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(quán)：Borb / Wikimedia Commons
核聚變是能量的圣杯，因為有許多因素，包括:
1、反應(yīng)物的豐度和穩(wěn)定性
2、反應(yīng)的可控性質(zhì)
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(dāng)談到第三點時，融化的夸克可能會有優(yōu)勢，因為釋放能量的增加近10倍，但它在所有其他點上的災(zāi)難性失敗使它成為一種科學(xué)的好奇心。它對能源或武器潛在應(yīng)用依賴于不現(xiàn)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(zhì)子(或中子)，這意味著在核/粒子反應(yīng)中會有更多的結(jié)合能，但還有其他的問題，否則我們都將轉(zhuǎn)換成100%有效的物質(zhì)-反物質(zhì)湮滅。圖片版權(quán)：APS/Alan Stonebraker
這仍然是一個非常重要的發(fā)現(xiàn)——即使是通過模擬這些束縛-夸克系統(tǒng)是如何結(jié)合在一起并相互作用的。重要的是要了解結(jié)合能如何工作，釋放多少能量，以及當(dāng)不同的不穩(wěn)定粒子發(fā)生反應(yīng)時需要采取什么形式。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(wěn)定的能量上，相對于傳統(tǒng)的核融合效率的提高遠遠超過了物質(zhì)-反物質(zhì)湮滅的100%效率。如果能制造出可以融化夸克的粒子，也可以制造反物質(zhì)：宇宙中最節(jié)能的來源。但對于廉價的、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(xué)無國界，博科園-科學(xué)科普
作者：Ethan Siegel（天體物理學(xué)家）
