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浅谈能量起源
德尔    来源社团:科幻协会
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【摘要】主要介绍电磁相互作用(电磁波、基础作用力、化学反应)、量子论、核反应和粒子物理。以同学的问题为切入点,追根溯源。还略有涉及生态学和化学知识。

高中时期,一位外班文科生朋友问了我这样一个问题:“究其本源,能量是从何处而来的呢?”

这是个让人头疼的问题,因为这个世界上所有涉及到根本、源头的自然科学或哲学命题都牵扯到了137亿年前的宇宙起源——大爆炸。而大爆炸的发生,又是难以解释的。

但是,为了解答能量来源,不妨从人说起,再反演到宇宙:

人通过食物摄入能量维系生存,食物有荤有素,荤指消费者(第二营养级及以上的生物),大抵是各种肉类,鸡鸭鱼猪牛羊等,它们靠摄入其之下营养级——大多是植物(生产者)来生长发育和繁殖;而素者多指植物(生产者、第一营养级)。所以究其本源,我们人类摄取食物内的能量都来自生产者所固定的能量,这一能量大多数情况下指的是植物通过光合作用固定的太阳能(至于植物通过光系统I、II和卡尔文循环进行光合磷酸化和碳固定的机理,则又是一套生物学问题了)。

通过这一逻辑推断,不难发现,我们地球上生命维持生存的能量几乎全部来自太阳,只有少部分深海热液口或火山湖的化能合成细菌利用的能量来自地球的地热和无机物。

给他讲到这里,这位小伙伴都能理解。

接下来,他发出了摄人心魂的问题:“那么,太阳的能量又是怎么来的?嗯,我是说,它为什么发亮呢?而那些能量又是怎么到地球的?”

哈,这个问题很不错,我暗自想。但要想说清楚不容易,于是我只是一语带过:“核聚变、质能守恒、电磁辐射。这你该知道吧!”

此刻我没仔细看他的表情,但他大概是懵逼的。

我意识到了这一点,于是计划装个逼把他彻底搞懵:“你要知道,质量是个什么东西?它的本质是什么?一个物体,你感受到了其的质量,它似乎是具体存在的客观事物,但是你能解释质量到底是什么吗?”

他摇了摇头,我觉得目的达到了。于是说:“质量和能量本质上是一样的。世界上物质只有两类,一类是费米子,一类是玻色子,费米子包括六种轻子,六种夸克,它们组成了我们物质世界的绝大多数我们看到摸到感受到的东西。

“而玻色子是一种媒介,负责在费米子之间构建联系,而质量则是通过叫希格斯玻色子的玻色子在费米子之间不断运动、交换而体现出来的。如果希格斯玻色子你感到难以理解,那么说不定你能理解另一种叫做光子的玻色子,光子不断运动、交换体现出来的特性是光,或者叫电磁波,所有物质都发散、反射电磁波。就像所有物质都有质量一样。所以说质量的本质和光一样,只不过光的作用体现起来尺度大,人们能看到能直观认识,质量的作用体现起来尺度小,所以近几年才研究明白。”

这仿佛是把问题复杂化了,但这不要紧,不妨试着从理解光,理解光子这个玻色子开始理解能量、质量吧。

举个例子,二人打架,一人用棍子击中了另一个人的头盖骨。

微观上看,棍子与另一个人的天灵盖是没有“接触”的。只是棍上的原子/分子与人头顶的原子/分子发生了电磁相互作用。

我们都知道原子内部十分空旷,原子核和整个原子比起来,像是乒乓球和整个足球场的大小比例。而在这个足球场(原子)里,飞散着许多比这乒乓球(原子核,由质子和中子组成,质子和中子又各自由三个夸克组成,夸克则均属费米子)还要小的圆珠笔尖珠子大小的东西——电子(是一种轻子,轻子均属费米子)。

这些笔尖珠子大家都熟悉,电子带电荷。所以当原子之间距离极短时,各原子团之间的电子之间会产生排斥力(原子/分子的电子云带统一电性,均带负电荷),同性相斥,异性相吸,这则是不变的古老原理了。

由于这些原子分子之间存在着这种斥力(电磁作用力),所以分子/原子之间、电子之间是没有真正发生“碰撞”的,它们只是像两块磁铁同极靠近时一样,彼此弹开了。

所以说,生活中所谓的冲力、压力、摩擦力,本质上都和磁铁之间的作用力一样,都是电磁相互作用,只是尺度大小不同,都没有发生真实的接触。由此可见:你触摸到的,并非真正触及,只是感受到了它给你的那股电磁力罢了。

讲到这里,离我们那位文科小伙伴想要的答案已经不远了。只差一个环节需要填补,那就是电子之间怎么传播能量的,电磁力为何存在?解决这个问题,就能知道太阳光这种一清二白不带实体物质的东西,为何具有能量了。

答案就埋藏在光子这个玻色子里。光子这个玻色子是专门对应电磁相互作用的,就宛如之前对小伙伴提到的希格斯玻色子对应了质量。

通过初高中的学习,小伙伴们不论文理其实大多认识了光的波粒二象性,光子的产生,从粒子性的角度去说,便是“能级跃迁”,原子核带正电,电子带负电,所以离原子核不同远近的电子具备着不同的电势能,对电子来说,原子核宛如是一个坑的底部,电子绕着坑壁的固定某一高度转圈,是为一个电子轨道,如果此时电子受外力掉的更接近原子核了,那么它所带的电势能就相当于减少了(此处仅仅是比喻,事实上由于原子核不像是引力那样,所以不能用引力的那套动能和引力势能作机械能守恒定律的能量转化,电子围绕原子核的运转更是无规则而混乱不堪的,不像是行星围绕太阳一样,电子轨道需要用薛定谔方程去阐述)。

那少的这部分能量去哪了呢?

量子论给出的答案是,通过发射出光子,这部分能量从原子中跑掉,而如果其他原子接收到这份光子,它就接受了这份能量,其内部接收到这光子的电子轨道便发生跃迁(到更高能级或更低能级,如果是到更低能级则还会发出光子)。这就是光的粒子性。

或许理解起粒子性有些无厘头,但是之所以诞生量子论,只是因为发现能量的传递不是连续的,而是“一包一包”的。而我们还同时理解光作为波的特性,那么从波的特性去讲,相信读者就更好理解电子或其他带电荷物质是怎么发射电磁波(光、光子)的了:

我们可以做一个简单的对比,方便理解。

静止或按照固定规律运动的带电体,具有一个稳定的电场(对于静止带电体,比如一个静止电子)或一个稳定的磁场(对于固定规律运动的带电体,比如一个在电子轨道的电子)。

一个电子存在于空间当中,就像是一块石头放在小水滩上,电子在空间形成了电场,就如同石头放在水滩挤开了周围的水,不过此时水滩的水没有波动。

而原子内的电子从高电势能的电子轨道受到不稳定力或原子自身力的影响,轨道发生迁移,进到了低电势能的轨道。或者,静止电荷比如电子、原子核发生了移动。那么此时等势面就产生了变化。

这就如同水滩的石头突然被移动了,被人踢了一脚,石头滚到另一处。此时必然导致了水面产生波纹,就是因为石头本身占水的位置没有水了,而一块本来有水的位置又被石头占据了,这一消一长,就产生了水波。

所以,倘若电场或磁场的场源(轨道上的电子或静止的电子或其他电荷,一般是微观尺度上)产生了振动、变化,那便会如同水中移动了的石头产生水波一样,产生电磁波。然而又根据热力学定律,我们知道这世界上所有物质原子分子微观粒子都具有高于绝对零度(-273.9℃,0K)的温度,也就是指做着无规则热运动。所以说,所有物体都向外辐射电磁波,只不过不同温度(热运动剧烈程度不同)的物体,会辐射出不同波长的电磁波。

温度高的,就如同水滩里快速动来动去的石头,产生密而“急促”的水波,换到电磁作用里,也就是波长短频率高,能量大的电磁波,比如γ射线、X光、紫外线。温度低的,就是运动没那么快的石头,产生“松散”的水波,换到电磁作用里,也就是波长长频率低,能量小的电磁波,比如可见光、红外线、微波、无线电波。

也就是因此,人们才创造出了红外线摄影机(一般生活中的常见温度的物体、动植物、人向外辐射红外线),它的原理只是把检测到的红外线波长等比例缩短改成了可见光显示在屏幕上。而温度更高些的东西,我们不需要红外线也能判断它的温度,比如炉灶红色火焰外焰的亮的发白的部分温度高于内部偏红的,而蓝色火焰温度高于红色火焰(蓝光波长<红光波长)。所以说,我们看到了温度——通过它们辐射的电磁波波长。

当然,此时话题已经有些偏离了目标,回到文科小伙伴的问题上去看,我们看罢刚才那么长一段,便能知道,太阳的能量能传导到地球,依赖的是光,或者说各种电磁波。能量以这种形式(波、粒子的特性)从遥远的太阳传递过来。

我们都知道波的传递必然伴随损耗,水滩里的石头移动发出的水波,用不了太远就会衰弱甚至消失(波长越来越长直到趋平),因为水波本质是一种机械波(虽然本质也是电磁相互作用),它靠的是水分子之间的振动传递的,水分子本身又会损耗一部分动能,所以水波越来越弱,光波也会衰弱,但只有光子与其他费米子交互(如之前提到的与其他电子结合)后能量被其吸收,后才会发射出新的更少能量的光子(波长更长的光子)。所以虽然宇宙庞大,从太阳到地球距离遥远,抵达我们的太阳光并不会衰减多少(也就是波长没太多变化)。

当我们继续回溯,就能找到这些光子的源头,那就是暴脾气的太阳。太阳内的原子电子分子必然是运动很激烈了,不然怎么能辐射出如此巨量且源源不断的可见光甚至更高能量(更短波长更高频率)的紫外线等电磁波呢?(太阳表面差不多5700℃,事实上,我们获知太阳的温度,正是根据这些电磁波推算的)

不过,能够让它源源不断发射出可见光甚至更高能量电磁波的原因是什么呢?

如果是一般的燃料比如煤炭,升高自身温度靠的是化学反应——氧化放热。碳原子与氧气分子在一丁点刺激(比如火花——周围温度突升)下,碳原子和氧原子/分子的电子轨道发生重排,二者产生电子杂化轨道,共享电子,形成新的分子——二氧化碳或一氧化碳。这一过程中,我们可以发现对化学反应起到决定作用的是电子轨道的转变,就此,化学和物理的边界被打通了,化学反应本质是电磁相互作用。在氧化反应里,参与反应的最外层电子总体上都从较高能级轨道到了相对低一点能量的杂化轨道上,因此释放了能量(辐射出光子),而辐射出的光子又刺激到了周围的碳原子和氧气分子,让它们继续发生这一反应,释放更多能量,直到碳原子和氧气分子耗尽。

当然,在这个剧烈的氧化过程里,是有多余的光子的,这部分多余的光子产生了燃烧的火焰——对外放出的光,也影响了周围空气或物体的热运动(光子的能量加强了周围,比如空气其他分子的热运动),这便体现为放出了“热”。

由此可见,在化学反应里,本质靠的还是电磁相互作用,产生的能量是很有限的,如果太阳是个煤球的话,一方面它没有办法获得供给它燃烧的氧气,另一方面,就算有氧气,它也燃烧不了多少年,更不用说现在已知它燃烧了近五十亿年,所以它不可能是靠化学反应,或者说电磁相互作用产生这么持久热烈的能量的。

回到那个问题,那靠的是什么呢?

答案是核反应,准确的说是核聚变。

到二十世纪以前,人们理解的自然界的全部,几乎都在原子以外的水平,而四大基本作用力人类也只认识了宏观的两种——引力和电磁力。在原子核内,一直有个未解之谜,那就是,彼此都携带正电荷的质子,加上没有电荷的中子,怎么能够抱在一起呢?这显然违背人们对电磁学的认知。

显然,自然界具备另一种作用力,是将原子核稳定住的。科学家给它起了个名,叫核力。不过后来人们发现,核力只是片面之观,(就像压力只是片面之观,本质是电磁力),核力属于更大的力学家族,这个力叫强力(强相互作用力)。强力是夸克之间的力,而我们熟悉的质子和中子都是夸克组成的。强力与电磁力类似,只不过电磁力对应的玻色子是光子,而强力对应的玻色子是胶子,如同电磁相互作用靠光子交换传递实现,强相互作用靠胶子的交换传递实现,而夸克不仅仅具有电荷,还具有色荷。电荷只有一种(仅具备正负之分),而色荷有三种,其作用机制复杂得多。

抛开复杂的不看,科学家了解到原子核中质子和中子可以互相转化,因为质子和中子本质只差一个夸克,而通过胶子,原子核内部的夸克其实时刻处于交互状态,如同一锅粥。但如果没有中子加强强力的粘合,原子核仅靠质子之间的强力是无法胶合在一起的(质子之间还存在电磁斥力)。

而所谓核裂变这样的核反应,是外来中子前来捣乱的结果,中子撞入原子核中打散了原先聚集在一起的原子核,这又导致其中许多其他强相互作用被“击穿”,于是产生了新原子核、新的中子,并引发链式反应,质量减少了(差不多减少了一个电子的质量),以能量的形式释放。

而核聚变,正是我们的太阳发生的事,它需要极高温度,以至于原子核外电子全部电离(也就是能量过高导致电子无法维持在自己轨道上,脱离原子四处弥散),形成物质状态叫等离子体,没有了核外电子,原子核相互就可以靠近,发生聚合。在太阳核心每秒有七亿吨的氢转化为氦,释放五百万吨能量(质量)。

由此,聚变带来近乎不竭的能量。截止到太阳系内的能量来源,这位文科小伙伴的问题,终于算是得到解答了。

-完-
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我要评论
山之魂泉之魄 2018-10-02 20:17
非常不错的一篇文章,人类对微观世界的探索,在不断的否定中,不断推出新的量子力学理论。曹天元的《上帝掷骰子了吗?》很多人读起来比较吃力,只有真正对量子力学感兴趣的人才能不断的读下去。本文作者能够把物质和能量的基本原理进行通俗的解答,让大多数人能读下去,对于量力物理科晋文章来说,还是很不错的,限于篇幅有些地方没有展开,希望作者能写出更好的文章,普及物理学知识,让中国也涌现出一大批哥本哈根男孩。加油!牛同学。
科普作品
浅谈能量起源
德尔

学校:中国海洋大学

学历:本科

专业:生物科学

社团:科幻协会

职业:学生

评委点评 评语汇总

本文具有一定的可读性,条理性较强。对话体设置巧妙,但主要是一个人在说,未构成真正的“对话”。解释能量来源时虽遵循从从身边日常到远方太空的线索,但前面解释“质量和能量本质上是一样的”时,就抛出了费米子和玻色子的概念,而相对简单的电磁波又在后文出现。这样不太符合读者从易到难的认知规律。也许谋篇布局还可再巧妙些。

2018-09-15 17:04 匿名 ——

这篇作品对一个理科生来说,读起来真的很爽,虽涉及大量的概念与名词,但都能通过为同学解答这一形式逐一理清关系,条理清晰,向读者娓娓道来!唯一的不足就是,对于那些对物理学不感冒的人,从一开始就会丧失读下去的兴趣,不过某种程度来说,也并非作者的错。

2018-09-12 18:11 匿名 ——

本文作者具有很好的物理功底,对文中提到的现象理解较准确,可喜的是,本文作者文笔不错,表述清楚。一篇好的科普文章在保证科学性的同时更要注重通俗性和趣味性。本文涉及概念过多,一般的读者不容易准确把握作者的意图,建议作者进一步聚焦。

2018-09-10 22:27 魏红祥 ——

相当精彩的一篇关于恒星能源科普的文章,设问的形式蛮有意思,一步步深入电磁波,物质,质量,温度等习以为常的概念的本质。不过无法回避的问题是,阅读起来也许会有些难度。

2018-09-07 17:58 高雪雨 ——

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