发现理论上的新能源形式,「夸克融合」威力更甚核融合 8 倍

2020年06月23日 01:25 R漾生活
发现理论上的新能源形式,「夸克融合」威力更甚核融合 8 倍

一个来自以色列和美国的国际科学团队利用爱因斯坦质能等价理论,「计算」出能量可比核融合反应还要高出 8 倍的「底夸克融合」反应,威力连当今杀伤力最强的核武器氢弹都望尘莫及。不过暂时不用担心这会被应用到不法军事,研究作者拍胸脯说,如果这会被武器化,他绝对不敢发表论文。目前计算结果表明,底夸克融合存在时间仅 1 皮秒,之后就迅速衰变成较轻的夸克,无法有任何实际应用。

儘管太阳能、风能等再生能源呼声高涨,科学家始终没有放弃研究号称终极清洁能源的核能,前阵子,科学家刚在实验中找到可能对核融合反应炉造成灾难的高能逃逸电子之控制手法,让核融合反应进一步往实现化迈进。

而释放能量比核融合还要巨大的「夸克融合」已被一组国际团队计算得出,在谈及这份发表在《自然》期刊的新研究之前,可以先了解一下基本物理概念:夸克(quark)是一种基本粒子,也是构成物质的基本单元,夸克互相结合会形成名为「强子」的複合粒子,强子中最稳定的是质子和中子,原子核又由质子和中子构成,我们周围看到的大部分物质,都是由夸克组成的质子和中子。

夸克有 6 种「味」(注 1),分别是「上、下、魅、奇、底、顶」,较重的夸克(如底夸克)会通过称为粒子衰变的过程迅速变成上夸克或下夸克(这两者质量是所有夸克中最低的)。粒子衰变是一个「高质量态→低质量态」的过程,因为这个原因,上夸克及下夸克一般来说很稳定,所以它们在宇宙中很常见,而奇、魅、顶及底夸克只能经由高能粒子的碰撞产生(如宇宙射线或粒子加速器)。

爱因斯坦的能量转换公式(E = mc²)是核融合反应发展源由,将两个较轻的原子核结合,形成另一个较重的核和一个很轻的核(或粒子)就是核融合,最早的人工核融合技术为氢弹爆炸,天然核融合则好比恆星内部作用;如果是由重原子核变化轻原子核则称为核分裂,如原子弹爆炸、利用核分裂反应来发电的核电厂。

发现理论上的新能源形式,「夸克融合」威力更甚核融合 8 倍

太阳的巨大能量及来自核心的核融合反应。

现在,由以色列特拉维夫大学 Marek Karliner 教授和美国芝加哥大学 Jonathan Rosner 教授领导的国际团队研究了比原子核更小的夸克粒子,他们计算六种夸克中较重的「底夸克」融合时,理论上会释放大约 138MeV(兆电子伏特)的能量,将近核融合能量(17.6MeV)的 8 倍。

目前地表最强核武器「氢弹」便是採用核融合技术,它可以让美军用来轰炸日本的原子弹瞬间变成小儿科,而夸克融合的能量又能让氢弹抬不起头。因此,当团队意识到这种巨大能量可能存在时,几乎吓得不敢再继续进行实验。所幸,这种能量大概还是只存于科幻小说,底夸克融合时间仅维持 1 皮秒(等于 10-12 秒,基本上是天文在用的单位),几乎瞬间就衰变成较轻的夸克,恐怖组织想拿它发展核武,炸弹点都点不着。

但不管怎幺说,这项研究仍让人类看到质量和能量能带来的惊人尺度。团队本身并没有实际融合底夸克,但他们声称,利用位于瑞士日内瓦欧洲核子研究组织(CERN)的大型强子对撞机(LHC,注 2)进行实验,或许可以重现此现象。

发现理论上的新能源形式,「夸克融合」威力更甚核融合 8 倍

大型强子对撞机地形鸟瞰图。

注 1:在粒子物理学中,「味」(Flavour)是基本粒子的一种量子数;在电弱理论中,这种对称被打破,因此存在味变过程,如夸克衰变或微中子振荡。注 2:位于瑞士日内瓦欧洲核子研究组织(CERN)的大型强子对撞机(the Large Hadron Collider,缩写 LHC),是目前世界上最大、最複杂、最先进的对撞型粒子加速器,为国际高能物理学研究用途。
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