核聚变技术是人类目前所掌握的质能转换效率最高的手段。氢弹的爆炸威力巨大，足以造成毁灭性的灾难，这正是核聚变所释放的能量。尽管核聚变的质能转换率相对较低，大约只有质量的0.7%，也就是说，每千克物质中仅有7克能够转化为能量，但这种转换所产生的能量却极为惊人。这背后的原因何在呢？

质能转换的威力

爱因斯坦在一百多年前提出的质能方程，是人类对自然界规律理解的一次重大飞跃。

质能方程揭示了质量与能量之间的转换关系，虽然其论证过程相当复杂，但最终表达式却极为简洁，即著名的𝐸=𝑀𝐶^2。

在这个公式中，E代表能量，单位是焦耳（J）；M代表质量，单位是千克（kg）；C代表光速，单位是米每秒（m/s），标准值为299792458 m/s。在进行计算时，为了简化，通常将光速近似为300000000 m/s。

这个简洁的方程式，却标志着人类对世界理解的一次革命性飞跃。它使得质能守恒取代了传统的质量守恒，提供了更为精确的物理法则；人们意识到质量中潜藏着巨大的能量，只要能够将质量转换为能量，就拥有了几乎无限的能量来源。

质能方程的核心在于质量和能量的等价性，即它们可以相互转换，且在数量上是等价的。无论物质的种类如何，只要质量相同，它们所蕴含的能量也相同。例如，1千克的黄金、1千克的炸药、1千克的棉花或1千克的白菜，如果完全转化为能量，它们释放的能量都是相同的，大约为9×10^16焦耳。这相当于250亿度电能，或相当于2151万吨TNT炸药的爆炸力。

几千年来，人类获取能量方式都是低效的化学方式

草木、煤炭、燃油等物质通过燃烧释放的能量，属于化学能的范畴，它们是通过化学反应来释放能量的，但这种能量转换的效率相对较低。以煤炭为例，1千克标准煤燃烧释放的热能大约为7000大卡，换算成焦耳大约是29300962.74592J。然而，这个数值与质能转换的效率相比，仅占其0.000000000326的比例。

在过去的教科书中，质量守恒定律被视作基本准确的法则，因为在化学反应中消耗的能量微乎其微，几乎可以忽略。然而，这并不意味着没有能量损失，质量守恒定律只能说是相对准确的，并非绝对精确。质能守恒定律提供了更为精确的描述。

上个世纪，随着核能的发现，人类在获取能量的方式上实现了一次质的飞跃。核能是通过质能转换来获取能量的，虽然其转换效率并不高，但与化学能源相比，已经是一个巨大的提升。目前，除了正反物质湮灭这一极端情况外，还没有技术能够实现将物质的全部质量转化为能量。即便是最先进的核聚变技术，也只能将大约0.7%的质量转化为能量。

质能转换是等价的，那么能量能够转化为物质吗？

人们有时会疑惑：既然质量能够转化为能量，为何能量不能转变成质量呢？实际上，这种观点是片面的，质能转换是双向的，能量同样可以转化为质量，这一点同样符合质能方程。

将少量质量转化为能量所需的条件极为苛刻，过程极为复杂。例如，原子弹或氢弹的爆炸，需要极端的高温和高压环境，才能实现质量到能量的微小转换。而将能量转化为质量的过程，其难度更是有过之而无不及。

试想，如果将1千克物质完全转化为能量，它所释放的能量相当于250亿度电能，或者2151万吨TNT炸药的爆炸力，这相当于1655颗广岛原子弹同时爆炸所产生的威力。根据质能等价原则，要实现这样的能量转化为1千克物质，需要将如此巨大的能量完全集中于一个容器中，且不损失一丝一毫。

事实上，能量转化为物质的质量是一个持续不断的过程，自宇宙诞生于138亿年前的大爆炸以来，这一过程就一直在进行中。大爆炸释放的纯能量就逐步转化为了物质的质量。这是一个宇宙级的质能转换，它标志着宇宙的诞生和物质的起源。

在人类社会，我们主要依赖的是质量向能量的转化过程

质量转化为能量的条件极为严格，目前除了正反物质的湮灭，尚未有技术能够实现质量的完全能量转化。核聚变技术是目前我们掌握的质能转化效率最高的手段。

自上个世纪以来，人类已经掌握了核裂变和核聚变技术，但至今可控性技术主要应用于核裂变，这在民用领域，如核电站等，为解决能源问题发挥了重要作用。

质能转换的威力是惊人的。核聚变技术即便只使用了一小部分，也足以产生巨大的影响。尽管核聚变技术除了氢弹爆炸外，目前还未能实现能量的可控缓慢释放，但只有当这种技术能够实现时，它才能被广泛用于民用，为社会带来福祉。

核裂变涉及将重原子核分裂为更小的原子核，这一过程中会有极小的质量损失，理论上不超过0.1%。目前核裂变技术主要使用铀235和钚239作为原料，其中铀235的裂变质量损失约为0.0946%，钚239约为0.0961%。

核能技术是当前人类效率最高的质能转化方式

尽管1公斤铀或钚的裂变只有不到0.1%的质量转化为能量，但与过去的化学能源相比，这种能量已经是非常巨大的。按照质能方程计算，1公斤核裂变燃料转化出约1克质量的能量，即9×1013焦耳，相当于2500万度电或25150吨炸药的爆炸能量。

核聚变技术的效率远高于核裂变。太阳和其他恒星之所以能持续释放能量，是因为它们的核心不断进行核聚变。核聚变需要极高的温度或压力，如何将这种能量控制在容器中并持续缓慢释放，仍是全球科学家正在研究的难题。

“人造小太阳”

核聚变有时被称为“人造小太阳”，这是因为它模仿了太阳的质能转换方式。但需要明确的是，“人造小太阳”并不是指制造一个发光的小太阳，而是指利用太阳核心的核聚变方式来获取能量，用于发电或其他用途，造福人类。

可控核聚变面临的最大挑战包括如何将亿度高温的等离子体约束在一定空间内，以及如何确保能量输入与输出的比率。只有当输出能量远大于输入能量时，这项技术才具有实际价值。

目前，这两个难题正在逐步克服，中国在这一领域取得了显著进展，实现了1.2亿度下101秒的高温等离子体约束。然而，要实现可控核聚变的商业应用，还有很长的路要走。

核聚变的质能转化率虽然只有0.7%，但已经是目前人类掌握的最高效率的质能转化方式。从0.7%到100%，还有很大的提升空间，未来的技术发展可能会发现更高效的质能转化方法。

反物质与正物质的碰撞可以实现最完美的质能转化，1公斤反物质与1公斤正物质湮灭，可以得到2公斤的质能转化。但反物质在自然界中极为稀有，科学家们经过数十年的努力，全球获得的反物质粒子总量仅有15纳克，这些能量甚至不足以烧开一杯水。

参考链接：

• https://m.toutiao.com/sj/i7032493545839755809?app=gold_browser×tamp=1719801153&use_new_style=1&req_id=20240701103232CE12E14F80F91C5AD3E3&group_id=7032493545839755809&share_type=article&is_share_backflow=1&share_token=e9004b43-9823-4311-b17c-3951ca6cb3a0