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【文/觀察者網(wǎng)專(zhuān)欄作者 袁嵐峰】

最近，中國(guó)在核聚變領(lǐng)域連續(xù)取得重大突破。2016年11月初，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所的EAST（先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置），成為世界首個(gè)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模運(yùn)行持續(xù)時(shí)間達(dá)到分鐘量級(jí)的托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。

10月24日，中國(guó)科研人員在升級(jí)全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置

12月10日，《新聞聯(lián)播》播發(fā)了我國(guó)研制的核聚變堆核心部件在國(guó)際上率先通過(guò)認(rèn)證的消息，這是我國(guó)對(duì)國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆項(xiàng)目的重大貢獻(xiàn)。

我國(guó)率先突破核聚變工程核心技術(shù)

如何理解這些突破？核聚變的原理是什么？意義何在？本文將解答這些問(wèn)題。

愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程

核聚變最基本的原理是什么？或者說(shuō)，如果我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)外星文明，想知道他們是否可能已經(jīng)掌握了聚變技術(shù)，我們要關(guān)注的是什么？答案是愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程E = mc²，E是能量，m是質(zhì)量，c是光速（約為30萬(wàn)公里每秒）。外星文明如果知道這個(gè)關(guān)系式，我們就要當(dāng)心了，他們有可能已經(jīng)會(huì)核聚變了，而且有大得多的可能會(huì)核裂變。他們說(shuō)不定會(huì)跨越星海殺過(guò)來(lái)（《三體》愛(ài)好者請(qǐng)舉手），即使不能，至少可以拿原子彈抵御我們。如果他們不知道，那我們可以放寬心，他們的技術(shù)最多只是到導(dǎo)彈這個(gè)層次，沒(méi)有核武器，肯定不是我們的對(duì)手。

E =mc²很可能是歷史上最著名的科學(xué)公式，以至于霍金雖然聽(tīng)說(shuō)“每個(gè)公式都會(huì)使你的讀者減半”，還是在《時(shí)間簡(jiǎn)史》中寫(xiě)上了這個(gè)公式。可是盛名之下，大多數(shù)人對(duì)它的意義，我相信，還是似懂非懂。（敲黑板）那么我們開(kāi)始上課了！

這個(gè)方程的形式極其簡(jiǎn)單，內(nèi)涵卻極其深邃，在美學(xué)欣賞的意義上，妙到毫巔。

質(zhì)能方程究竟說(shuō)的是什么呢？它說(shuō)的是，任何質(zhì)量m必定對(duì)應(yīng)mc²的能量，任何能量E也必定對(duì)應(yīng)E/c²的質(zhì)量。由于光速c是個(gè)常數(shù)，所以我們可以理解為：質(zhì)量和能量是同一個(gè)東西的兩種表示方法，或者說(shuō)壓根就是同一個(gè)東西。具體一點(diǎn)說(shuō)，一個(gè)質(zhì)量為m的物體，比如說(shuō)一塊鐵，一個(gè)光子，或者一個(gè)人，無(wú)論它是靜止的還是在運(yùn)動(dòng)中，只要它有這個(gè)質(zhì)量m，就有相應(yīng)的能量mc²。反過(guò)來(lái)，一個(gè)能量為E的物體，比如說(shuō)一塊鐵，一個(gè)光子，或者一個(gè)人，無(wú)論它是靜止的還是在運(yùn)動(dòng)中，只要它有這個(gè)能量E，就有相應(yīng)的質(zhì)量E/c²。當(dāng)物體的能量發(fā)生變化時(shí)，質(zhì)量必然相應(yīng)變化。反之，當(dāng)物體的質(zhì)量發(fā)生變化時(shí)，能量也必然相應(yīng)變化。

上面的話可能讓很多人迷糊了。我時(shí)常處于靜止中，咋沒(méi)覺(jué)得自己身上有這么大的能量呢？回答是：能量的絕對(duì)值是無(wú)法測(cè)量的，可測(cè)量的是相對(duì)值。你的質(zhì)量乘以c²得到的能量，指的是把你轉(zhuǎn)換成無(wú)質(zhì)量的虛空所放出的能量——沒(méi)錯(cuò)，破碎虛空！現(xiàn)在還沒(méi)辦法把一個(gè)人變成虛空，所以這超級(jí)巨大的能量根本放不出來(lái)。你平時(shí)走路、跑步、刷微博所消耗的能量，確實(shí)會(huì)反映為你的質(zhì)量的變化，但這點(diǎn)變化實(shí)在太小了，超出儀器的探測(cè)能力。

有人會(huì)問(wèn)：光子的質(zhì)量不是零嗎？這里的關(guān)鍵是要搞清，質(zhì)量分為靜質(zhì)量和動(dòng)質(zhì)量。靜質(zhì)量是物體在靜止?fàn)顟B(tài)下的質(zhì)量，動(dòng)質(zhì)量是物體在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的質(zhì)量。靜止的物體運(yùn)動(dòng)起來(lái)，動(dòng)能增加了，就會(huì)增加相應(yīng)的質(zhì)量，所以動(dòng)質(zhì)量總是大于靜質(zhì)量。我們平常說(shuō)光子的質(zhì)量為零，指的是靜質(zhì)量為零。但由于光子在以光速運(yùn)動(dòng)，具有能量，所以它的動(dòng)質(zhì)量并不為零。而像鐵塊或者人這樣的物質(zhì)，在靜止?fàn)顟B(tài)下質(zhì)量就不為零，在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下質(zhì)量也會(huì)變化。在日常生活中，鐵塊或人的這點(diǎn)質(zhì)量變化小得無(wú)法觀測(cè)。但如果速度非常高，跟光速可以比較，那質(zhì)量變化就會(huì)顯著了。

現(xiàn)在我們可以回答一個(gè)令許多人迷惑的問(wèn)題：有能量守恒定律，也有質(zhì)量守恒定律，那么這兩個(gè)定律究竟是什么關(guān)系？是等價(jià)的？還是一個(gè)是精確的，另一個(gè)是近似的？實(shí)際上，能量守恒定律是一個(gè)完全精確的定律，或者說(shuō)物理學(xué)家愿意為了捍衛(wèi)它戰(zhàn)斗到最后一滴血。每當(dāng)發(fā)現(xiàn)能量似乎不守恒的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，物理學(xué)家的第一反應(yīng)就是某些能量被遺漏了，然后拼命去找，絕不會(huì)不做抵抗就放棄能量守恒定律，而到目前為止他們每次也都能找到。質(zhì)量守恒定律就有點(diǎn)微妙了。根據(jù)質(zhì)能關(guān)系，質(zhì)量跟能量只是差一個(gè)常數(shù)比例而已，那么能量守恒當(dāng)然就等價(jià)于質(zhì)量守恒。

在這個(gè)意義上，質(zhì)量守恒定律也是一個(gè)完全精確的定律。但要注意，這里說(shuō)的是動(dòng)質(zhì)量，靜質(zhì)量可沒(méi)有理由守恒。然而我們平時(shí)說(shuō)的質(zhì)量守恒定律，指的卻是靜質(zhì)量，例如說(shuō)化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)量不變，證據(jù)就是拿天平稱(chēng)一稱(chēng)，反應(yīng)物和生成物的質(zhì)量確實(shí)相等。這就出問(wèn)題了。實(shí)際應(yīng)該是，反應(yīng)物和生成物的靜質(zhì)量不相等！雙方的靜質(zhì)量差，就對(duì)應(yīng)于反應(yīng)中的能量變化，即化學(xué)能。如果反應(yīng)放出能量，生成物的質(zhì)量就小于反應(yīng)物。如果反應(yīng)吸收能量，生成物的質(zhì)量就大于反應(yīng)物。

那位說(shuō)了，道爾頓和化學(xué)工程師用了這么多年的質(zhì)量守恒定律，怎么沒(méi)出毛病？回答也很簡(jiǎn)單，質(zhì)量變化太小，測(cè)不出來(lái)。跟靜質(zhì)量中蘊(yùn)含的巨大能量相比，化學(xué)能實(shí)在是微不足道。所以日常用的（靜）質(zhì)量守恒定律仍然是一個(gè)相當(dāng)準(zhǔn)確的定律，但要注意，它的準(zhǔn)確程度就比能量守恒定律低一級(jí)了，因?yàn)樗蕾?lài)于“能量變化遠(yuǎn)小于靜質(zhì)量對(duì)應(yīng)的能量”這個(gè)條件，本質(zhì)上是近似的。

明白了這些之后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)質(zhì)能關(guān)系還有一大妙處：只需要知道一個(gè)變化前后的靜質(zhì)量差就能預(yù)測(cè)能量變化，而不需要知道變化的細(xì)節(jié)。這個(gè)特點(diǎn)讓核裂變與核聚變一下子就變成了可以利用的現(xiàn)象——在我們找到實(shí)現(xiàn)它們的辦法之前！