核聚變反應溫度需要上億度?怎麼測量?溫度到底是什麼?

2020-11-20 01:40:24 616 views
摘要

目前聚變界常規的“小目標”都是:一億度!因此,啟動氫彈裡面的核聚變反應,首先需要一顆原子彈做“引信”,而對於磁約束核聚變裝置,為了實現這一億度的高溫,則需要龐大的加熱系統提供能量輸入。要知道,世界上最耐熱的金屬,熔點也只有3000多攝氏度,相比之下,一億度是個什麼概念呢?

核聚變反應的發生,有一個重要的前提,就是需要極高的溫度。有多高呢? 目前聚變界常規的「小目標」都是:一億度!

因此,啟動氫彈裡面的核聚變反應,首先需要一顆原子彈做「引信」,而對於磁約束核聚變裝置,為了實現這一億度的高溫,則需要龐大的加熱系統提供能量輸入。

核聚變反應溫度需要上億度?怎麼測量?溫度到底是什麼?

我國的EAST托卡馬克裝置,曾在2018年,已經實現一億度的高溫等離子體放電。而目前全球合作共建的國際熱核聚變實驗堆的目標,則是1.5億度。

核聚變反應溫度需要上億度?怎麼測量?溫度到底是什麼?

要知道,世界上最耐熱的金屬,熔點也只有3000多攝氏度,相比之下,一億度是個什麼概念呢?又是如何測量的呢?溫度到底是什麼?

今天我們就來聊聊關於「溫度」的故事。

溫度的實質是什麼?

100度,可以使水沸騰;

1000度,很多金屬開始融化;

5500度,最耐熱的金屬鎢也會直接氣化!這也差不多是太陽表面的溫度。

溫度再往上升,化學結構將不復存在,原子的原子核和電子被分開,物質呈現出一種等離子體形態。

核聚變反應溫度需要上億度?怎麼測量?溫度到底是什麼?

28000度,是閃電的溫度,它是自然界中最常見的等離子體。

1600萬度,太陽核心的溫度,核聚變無時無刻都在發生。

3.5億度,氫彈爆炸的核心溫度

10萬億度,人類目前創造出的最高溫度,來自於歐洲核子中心的質子對撞機

核聚變反應溫度需要上億度?怎麼測量?溫度到底是什麼?

其實溫度的實質是微觀粒子的運動。速度越快,動能越大,溫度則越高。

日常生活中,我們用溫度計測量的溫度,一般針對於物體的固、液、氣三態。而當溫度再升高時,物質將呈等離子體態,此時,沒有化學結構,只有粒子。

對於微觀粒子而言,高溫、高速或者高能,其實是等效的概念。因此對粒子溫度的測量,其實也就是對粒子速度或者能量的測量。

核聚變反應溫度需要上億度?怎麼測量?溫度到底是什麼?

舉個例子,對於最簡單的氫原子核,也就是一個質子,一億度意味著什麼呢?

根據溫度/速度轉換公式,粒子溫度與粒子的質量和速度平方成正比。其中,質子質量約為1.7×10^-27 kg,若要加熱到1億度,則需要將其加速到900km/s,相當於光速的千分之三。

核聚變反應溫度需要上億度?怎麼測量?溫度到底是什麼?

溫度、核聚變與萬有引力

既然溫度代表著速度和能量,那麼為什麼會有速度呢?能量又是哪裡來的?

其實真正主宰一切的是:萬有引力!

我們知道,恆星的核聚變是宇宙中的能量來源。而恆星之所以會發生核聚變反應,是萬有引力造成的其核心的高溫高壓環境。

最小的恆星質量約為0.08個太陽質量,核心溫度約為400萬度,可以使氫的核聚變緩慢發生!而隨著恆星質量的增加,萬有引力越來越大,核心溫度也越來越高。

核聚變反應溫度需要上億度?怎麼測量?溫度到底是什麼?

大於10個太陽質量的恆星,核心溫度可達30億度!在這個溫度下,氫聚變成氦,氦聚變成碳,碳聚變成氖,一路向上,直到最終生成鐵。

由於鐵的原子核異常穩定,鐵核聚變,不會釋放能量,反而需要吸收大量能量。恆星內核一旦沒有足夠的能量產生,自身巨大的引力就會造成內核的坍塌,這也意味著恆星的終結!

核聚變反應溫度需要上億度?怎麼測量?溫度到底是什麼?

大質量恆星核聚變產生的主要元素,從內向外,重核聚變到輕核聚變

所以,從某種程度上講,萬有引力不光主宰著溫度和核聚變,也是宇宙萬物的締造者和終結者!

溫度的兩極,代表著宇宙的起源和終結

再聊回溫度本身,我們都知道,溫度的下限是絕對零度,也就是-273.15℃,那麼溫度有上限嗎?

答案是:溫度有上限!

讓我們再回到最初的那個公式,將粒子的速度換成光速,質量換成普朗克質量。這樣我們就得到了溫度的上限:1.4億億億億度!這個溫度發生在宇宙大爆炸的瞬間!

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這個公式里,最令人驚訝的是,普朗克質量並不是一個很大的天文數字,而是一個我們能輕易獲取的質量:21微克。

它是宏觀尺度與微觀尺度的分界點,當物質的質量小於普朗克質量時,它的行為是不確定的,表現出微觀的量子特性。而之所以會出現這種特性,是由於引力場效應所產生的結果。

核聚變反應溫度需要上億度?怎麼測量?溫度到底是什麼?

宇宙誕生之初,溫度是極高的!經過138億年的膨脹和冷卻,目前的我們身處的宇宙,背景溫度是2.7K,大概-270.5℃,可謂是極其冰冷的!

不過由於恆星核聚變反應的存在,相當於在廣袤虛空的宇宙中,一個個局部的熱源,將推動著宇宙的繼續膨脹。與此同時,宇宙的溫度也將繼續降低!

核聚變反應溫度需要上億度?怎麼測量?溫度到底是什麼?

那麼問題來了,宇宙的溫度會降低到絕對零度嗎?

目前的理論,絕對零度不可能達到,因為它意味著絕對靜止,意味著體積為零

不過,這裡我們倒是不妨腦洞一下:假如宇宙膨脹到最後,溫度降至絕對零度,宇宙會瞬間體積為零,回到誕生之初的那個點嗎?

宇宙從一個原點,生出溫度的兩極,伴隨著自身的誕生與消亡!

聽起來,這樣的劇情是不是很熟悉!

正所謂:天下大勢,合久必分,分久必合。

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