自從100多年前，愛因斯坦用狹義相對(duì)論刷新了人類的時(shí)空觀，并同時(shí)刷新了人類的質(zhì)能觀，使人類對(duì)質(zhì)量和能量的關(guān)系有了全新的認(rèn)識(shí)。

質(zhì)能轉(zhuǎn)化？神奇的反物質(zhì)湮滅

雖然在提出狹義相對(duì)論的時(shí)候，愛因斯坦就發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量和能量的等價(jià)關(guān)系，在一個(gè)物理系統(tǒng)內(nèi)，兩者可以此消彼長，但兩者的載體——物質(zhì)始終不變，因此能量作為物質(zhì)的一種內(nèi)稟屬性，與質(zhì)量?jī)H是一種此消彼長的換算關(guān)系。

但隨著量子力學(xué)的發(fā)展，一種特殊的物質(zhì)——反物質(zhì)被發(fā)現(xiàn)，它有一個(gè)奇異的特性，能跟與之對(duì)應(yīng)的普通物質(zhì)完全湮滅，使原有物質(zhì)形式消失成為純電磁輻射。按照狹義相對(duì)論，光速傳播的電磁輻射是不具有質(zhì)量的，在量子力學(xué)里屬于零質(zhì)量粒子，因此反物質(zhì)湮滅的過程被稱為質(zhì)量100%轉(zhuǎn)換成能量的過程。也有人直接把之稱為物質(zhì)100%轉(zhuǎn)化成純能量。但這涉及到對(duì)物質(zhì)的重新定義，因此我們暫且跳過這種說法。

有沒有相反的過程，使能量轉(zhuǎn)化成質(zhì)量?

答案自然是有的！其中一個(gè)最為人熟悉的過程就是高能對(duì)撞實(shí)驗(yàn)。在加速器的高能對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)在加速器中獲得了強(qiáng)大動(dòng)能的粒子發(fā)生碰撞，會(huì)產(chǎn)生大量微觀粒子，而這些產(chǎn)生的微觀粒子的總靜止質(zhì)量往往遠(yuǎn)大于對(duì)撞的粒子靜質(zhì)量之和，這些多出的靜質(zhì)量就是由對(duì)撞粒子的能量產(chǎn)生的。

有些人對(duì)高能碰撞實(shí)驗(yàn)有錯(cuò)誤的理解，以為高能對(duì)撞是把帶電粒子撞碎，新產(chǎn)生的大量粒子是對(duì)撞粒子的碎片，這種理解是錯(cuò)誤的，比如在正負(fù)電子對(duì)加速對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中，正負(fù)電子對(duì)皆為基本粒子，基本粒子是沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的，自然沒有撞碎的可能。所以，加速器對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中并不是大力出奇跡把粒子撞碎，而是在對(duì)撞過程中極高的能量密度下產(chǎn)生新的粒子，可以認(rèn)為，加速器中的高能對(duì)撞實(shí)驗(yàn)就是能量轉(zhuǎn)化成質(zhì)量的過程。

（高能對(duì)撞實(shí)驗(yàn)，圖源：Wired com）

純能量轉(zhuǎn)化成質(zhì)量的過程

對(duì)撞機(jī)中高能帶電粒子碰撞產(chǎn)生大質(zhì)量粒子畢竟是由質(zhì)量粒子攜帶的動(dòng)能轉(zhuǎn)化，甚至可以認(rèn)為那是相對(duì)論質(zhì)量轉(zhuǎn)化成靜質(zhì)量，那有沒有真正的正反物質(zhì)湮滅逆過程：純能量轉(zhuǎn)化成質(zhì)量？答案當(dāng)然是有的：光子對(duì)撞。

理論上，當(dāng)兩個(gè)高能光子的總能量大于一對(duì)正反粒子的靜能時(shí)，它們碰撞就有可能產(chǎn)生一對(duì)正反粒子對(duì)。以最常見的正負(fù)電子對(duì)為例，單個(gè)電子的靜能為511keV，一對(duì)的總能量為1022keV，也就是當(dāng)一對(duì)總能量大于1022keV的光子相撞，就有可能產(chǎn)生一對(duì)正負(fù)電子對(duì)，而達(dá)到這個(gè)總能量的光子至少其中一個(gè)已經(jīng)達(dá)到伽馬射線頻段。

目前人類實(shí)驗(yàn)裝置中暫時(shí)未實(shí)現(xiàn)這種對(duì)撞，但理論上這種對(duì)撞在宇宙間時(shí)刻發(fā)生，那就是伽馬射線暴沖擊宇宙微波背景輻射時(shí)產(chǎn)生的光子對(duì)撞！

（伽馬射線暴，圖源：Space com）

前面提過，光子對(duì)撞過程在地球參考系看來至少要其中一個(gè)光子達(dá)到伽馬射線頻段以上，且與宇宙微波背景輻射光子的配對(duì)總能量達(dá)到一對(duì)正反物質(zhì)的內(nèi)稟總能量以上，就有可能產(chǎn)生一對(duì)正反物質(zhì)粒子！那還有更直接的嗎？答案依然是肯定的！

純天然質(zhì)量轉(zhuǎn)化器——黑洞

作為宇宙中已知最特別的天體，黑洞大家一定不陌生，這是愛因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言的一種天體，是廣義相對(duì)論時(shí)空幾何下存在的特殊天體，它里面其實(shí)除了彎曲的時(shí)空，就什么也沒有……而時(shí)空彎曲是一種特殊的純能量形式，黑洞正是以極度彎曲的時(shí)空，存儲(chǔ)著巨大的能量。等等，不是說質(zhì)量轉(zhuǎn)化器嗎？咋就變成了純能量……

（黑洞，圖源：視頻截圖）

那是因?yàn)槲覀兦懊嬲f的是黑洞的內(nèi)部……但作為一個(gè)天體，對(duì)于外界宇宙，包括地球上的我們，黑洞實(shí)際上是一個(gè)由視界面包裹著的球形天體。它反映在外界宇宙中的性質(zhì)有質(zhì)量、電荷、角動(dòng)量和溫度。

質(zhì)量、電荷和角動(dòng)量是由黑洞無毛定理給出的，而溫度則由霍金輻射給出。也就是說，一切落入黑洞的物質(zhì)能量，最終都只增加或減少了黑洞的質(zhì)量、電荷、角動(dòng)量和溫度，由于霍金輻射的溫度與質(zhì)量相關(guān)，所以我們?cè)谟懻撃芰柯淙牒诙春螽a(chǎn)生的變化時(shí)可以忽略掉溫度變化：當(dāng)一個(gè)不帶電的光子落入黑洞，外界宇宙損失了部分能量，而黑洞則增加了質(zhì)量和角動(dòng)量，這一過程，我們就可以理解為能量被黑洞轉(zhuǎn)化成了質(zhì)量！

（星際穿越的黑洞，圖源：電影截圖）

質(zhì)量生發(fā)器——微黑洞的霍金輻射

黑洞雖然能使落入的能量變成其質(zhì)量，但實(shí)際上它實(shí)際上只是化作一段彎曲的時(shí)空，那有沒有更直接的能量轉(zhuǎn)質(zhì)量？答案顯然是肯定的！

前面說過，黑洞的溫度與其質(zhì)量相關(guān)，這種相關(guān)并非正相關(guān)，而是負(fù)相關(guān)。根據(jù)霍金的計(jì)算，黑洞的質(zhì)量越大，霍金輻射的溫度越低，相反黑洞的質(zhì)量越小，霍金輻射的溫度則越高。

（霍金墓碑上的霍金輻射溫度公式，圖源：網(wǎng)絡(luò)）

那溫度高跟產(chǎn)生質(zhì)量有什么關(guān)系呢？眾所周知，在霍金的解釋里，霍金輻射所輻射的粒子是直接從真空中產(chǎn)生的虛粒子對(duì)，在黑洞很大的時(shí)候，視界附近的引力梯度較小，所能分離的虛粒子對(duì)的能量很小，所以此時(shí)所能產(chǎn)生的霍金輻射只能是一些波長很長、頻率很低、能量很小的光子。但當(dāng)黑洞足夠小的時(shí)候，視界附近的引力梯度會(huì)變得很大，所能分離的虛粒子對(duì)能量也隨之變大，當(dāng)其能量超過一個(gè)具有靜質(zhì)量的基本粒子時(shí)，具有靜質(zhì)量的粒子就有可能從霍金輻射中直接產(chǎn)生！

（霍金輻射，圖源：網(wǎng)絡(luò)）

一切只是物理規(guī)律！

看到這里，你大概也能總結(jié)出一個(gè)結(jié)論：無論是質(zhì)量還是能量，不過是物理規(guī)律使然，一切的基本粒子，不過是對(duì)應(yīng)能量密度下在相應(yīng)的物理規(guī)律中自然生成，僅此而已。

我是星宇飄零，關(guān)^_^注我，和你分享更多有趣科學(xué)知識(shí)。

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