質量エネルギー変換はどれほど強力ですか?核融合は、地球を揺るがすものを作り出すのにほんの少しのエネルギーしか必要としない

現在人類が習得した質量エネルギー変換率が最も高いプロセスは核融合です。水素爆弾の爆発のエネルギーは地球を揺るがし、世界を破壊する可能性があります。これは水素の核融合です。実際、核融合の質量エネルギー変換率は質量の約7/1000と非常に小さく、1キログラムの物質のうち7グラムだけがエネルギーに変換されることを意味します。なぜそんなに強力なのでしょうか?

これが質量エネルギー変換の力です。

質量とエネルギーの方程式は100年以上前にアインシュタインによって発見され、宇宙の法則に関する人類の理解に大きな進歩をもたらしました。

質量-エネルギー方程式は、質量からエネルギーへの変換、またはエネルギーから質量への変換を記述する関係です。これには一連の複雑な議論のプロセスが含まれますが、科学の普及のためにここでは列挙しません。最終結果は非常に単純かつ明確で、E=MC^2 と表すことができます。

この式では、等号 E の左側はエネルギーを表し、単位は J (ジュール) です。等号の右側は質量 M と光速 C の 2 乗を掛けたものを表します。質量の単位はkg（キログラム）、光速の単位はm（メートル）で、真空中の光速の標準値は299792458m/s（メートル/秒）です。特に厳密な要件がない場合は、計算を簡単かつ迅速に行うために、光の速度は通常 300000000 m/s に簡略化されます。

これは非常に単純な方程式ですが、人類の知識に画期的な進歩をもたらしました。それ以来、質量とエネルギーの保存の法則が以前の質量保存の法則に取って代わり、より正確になりました。質量には非常に大きなエネルギーが含まれていることを人々は知っています。質量をエネルギーに変換する方法がある限り、エネルギーは無尽蔵です。

この式の本質は等価交換です。この等価性は質量とエネルギーが同等であることを意味します。物質の質量が同じであれば、含まれるエネルギーも同じです。 1kg の金、1kg のダイナマイト、1kg の綿、1kg のキャベツはすべて同じ量のエネルギーに変換され、約 9*10^16J になります。このエネルギーは、250億キロワット時の電力、またはTNT火薬2,151万トンの爆発の威力に相当します。

何千年もの間、人類は非効率的な化学的手段によってエネルギーを得てきました。

植物や石炭、重油を燃やして得られるエネルギーは、すべて化学反応によって得られる化学エネルギーであり、効率が極めて低いものです。例えば、石炭を燃焼させる場合、標準的な石炭1kgを燃焼させることで得られる熱エネルギーは7000kcal、これは約29300962.74592Jです。このエネルギーは質量エネルギー変換率のわずか 0.000000000326 です。

したがって、過去の教科書では、消費されるエネルギーは基本的に無視できるため、質量保存の法則は基本的に正しかったのです。しかし、結局、まだ少し損失があるので、質量保存の法則は比較的正確であるだけで、非常に正確ではなく、質量とエネルギーの保存の法則は本当に正確です。

前世紀、人類は質量エネルギー変換を通じてエネルギーを得るモデルである原子力エネルギーを発見しました。これは人類のエネルギー獲得における飛躍的な進歩ですが、その変換率も非常に低いです。質量エネルギー変換の効率について人類が知る限り、物質と反物質の消滅以外に、すべての質量をエネルギーに変換できる技術は存在しません。現在利用可能な最も強力な核融合技術でも、質量の 0.7% しかエネルギーに変換できません。

質量とエネルギーの変換は同等なので、エネルギーを物質に変換できるのでしょうか?

多くの人がよく疑問に思うことがあります。質量はエネルギーに変換できるのに、なぜエネルギーは質量に変換できないのでしょうか?実は、この理解は間違っています。質量とエネルギーの変換は一方通行ではなく、双方向の交換です。エネルギーは質量に変換することもでき、質量-エネルギー方程式も適用されます。

わずかな質量をエネルギーに変換するための条件は極めて厳しく困難です。たとえば、ほんの少しの質量を変換するには、原子爆弾や水素爆弾の爆発のような、極めて高温かつ高圧の極端な条件が必要になります。エネルギーを質量に変換するのはさらに困難です。

1kgの物質をエネルギーに変換すると、250億キロワット時の電力、または2,151万トンの爆薬に相当するエネルギーを生み出すことができることを知っておく必要があります。これは、広島型原子爆弾1,655個が同時に爆発したエネルギーに相当します。等価交換の原理によれば、1kgの物質を得るためには、このような強力なエネルギーを無駄なく1つの容器に詰め込む必要があります。

実際、エネルギーから物質への変換は常に起こっています。私たちの宇宙は、138億年前のビッグバンの瞬間から、純粋なエネルギーを物質の塊に変換するプロセスを続けてきました。

宇宙はどのようにしてエネルギーから生まれたのでしょうか?

現代の量子力学では、ビッグバン以前には物質も時間も空間もなく、背景エネルギー、つまり真空のゼロ点エネルギーだけが存在し、このエネルギーは極めて巨大であると信じられています。

このエネルギーは空間の空隙に隠されており、量子バブルの形で存在します。これらの量子バブルは仮想粒子のペアの形でランダムに現れ、すぐに消滅します。もし宇宙が完全に対称的で保存されているなら、私たちの宇宙は存在せず、今ここでナンセンスなことを言っている私たちのような人間も存在しないでしょう。

初期の頃は、パリティ保存の理論が物理学の世界を支配していました。当時の人々は非常に混乱していました。物質と反物質は対称的であり、反物質はいつでも消滅する可能性があるのに、なぜ宇宙は誕生したのでしょうか?反物質は今どこへ行ったのでしょうか?これらの疑問は、楊振寧と李正道によってパリティ非保存の法則が提案されるまでは答えられませんでした。

宇宙は基本的な対称性のみを保存していることが判明しましたが、それは完璧ではなく、破綻があり、非保存現象につながります。随時出現して消滅する仮想粒子対の中にはルールに従わないものもあり、個別に消滅せず特異点が出現する。この特異点は爆発し、拡大し続け、私たちの世界が誕生しました。

この理論によれば、私たちは唯一の手に負えない仮想粒子ではないはずで、他にもたくさん存在するかもしれない。これが、私たちの宇宙の外に多くの並行宇宙が存在するという主張の根拠です。

宇宙が冷えると、エネルギーが私たちの世界を変えました

特異点爆発の瞬間、宇宙にはエネルギーしか存在していませんでした。宇宙の温度は無限に高く、密度も無限に大きく、測定不可能でした。プランク時間、つまり 10^-43 秒 (1 兆兆兆兆分の 1 秒) になって初めて、温度は 10^32K (1 兆兆兆兆 K) に下がり、密度は 10^94g/cm^3 (グラム/立方センチメートル) に下がりました。これは陽子の密度の 10^78 倍です。

宇宙が急速に膨張するにつれて、温度も急速に低下します。ビッグバンから10^-12秒（1兆分の1秒）後、温度は10^-15Kまで下がり、さまざまな粒子が現れ始めました。陽子、中性子、ボソン、ニュートリノ、電子、クォーク、グルーオンがすべて出現し、安定しました。

これは、宇宙が物質をエネルギーから変換したことを意味しますが、これらの物質は依然として主にレプトンであり、ハドロンは非常にまれです。長い間、宇宙の温度と密度は依然として極めて高かった。核力は中性子と陽子を結合できず、光さえも逃げることができませんでした。宇宙は暗く不透明な時代にあった。

それから38万年後、宇宙の温度が3000Kまで下がって初めて、中性原子が結合して形成され始め、真に触れられる物質、主に最も単純な水素とヘリウムの原子、そしてごく少量のリチウムが出現し始めました。これらの元素は宇宙に漂い、自身の重力によって星雲に凝縮し始め、その後、星や銀河を形成しました。

この時点で、私たちが現在知っている世界が出現し、これらすべてがエネルギーから変換されました。

科学者たちはビッグバンの1秒後の宇宙の状態をシミュレーションした

ヨーロッパの大型ハドロン衝突型加速器では、科学者らが1045兆電子ボルトという強力なエネルギーを使い、27キロメートルの地下パイプ内で2本の鉛イオンビームを互いに押し付けた。 2本の鉛イオンビームの速度が光速の99.9999991%に達したとき、それらは衝突し、瞬間的に10兆度の温度が発生しました。ビッグバンのミニバージョンが現れ、ビッグバンの1秒前の光景が再現された。それは、高温高圧下でクォークとグルーオンから構成される濃厚な「原始粒子スープ」だった。

この実験はビッグバン理論の予想を裏付けただけでなく、エネルギーが物質に変化する証拠も提供した。衝突型加速器での多くの実験では、質量とエネルギーの相互変換がアインシュタインの質量エネルギー方程式の計算に厳密に準拠しており、100年以上にわたって発見されてきたこの理論の偉大さをさらに証明しています。

人間の世界では、質量をエネルギーに変換する方法が主に使われています。

質量をエネルギーに変換するための条件は非常に厳しいです。現在、物質と反物質の消滅以外に、すべての質量をエネルギーに変換できる技術は存在しません。現在人類が習得できる質量エネルギー変換率が最も高い技術は核融合技術です。

人類は前世紀に核分裂​​と核融合の技術を習得しましたが、現在までこの技術の制御可能性は核分裂に限られていました。そのため、原子力発電などの民生用途にも利用することができ、人類のエネルギー問題の解決に大きな役割を果たしてきました。

水素爆弾の爆発の「衝撃」を除けば、核融合はゆっくりと制御可能なエネルギーの放出を実現することはできません。制御されたゆっくりとした放出を実現することによってのみ、民間での使用を促進し、社会に利益をもたらすことができます。

核分裂は重い原子核を小さな原子核に分裂させるプロセスです。分割プロセス中に、いくらかの質量が失われます。この損失額は非常に小さく、理論的には 0.1% 未満です。現在の核分裂技術では、主にウラン235とプルトニウム239という2つの原料が使用されています。ウラン235の核分裂過程での質量損失は約0.0946％で、プルトニウム239の損失は約0.0961％です。

原子力エネルギーは現在、世界で最も効率的な大量エネルギー変換技術です。

核分裂の際にエネルギーに変換されるのはウランやプルトニウム1キログラムの質量の0.1％未満ですが、このエネルギー量は人類が過去に使用した化学エネルギーとは比べものにならないほどです。アインシュタインの質量エネルギー方程式によれば、1 キログラムの核分裂燃料は約 1 グラムのエネルギー、つまり 9*10^13J に変換されます。このエネルギーは、2,500万キロワット時の電力、または25,150トンの爆薬の爆発エネルギーに相当します。

もちろん、これは理論上、完全な変換によって達成される効率にすぎません。実際の運用では、この効率は達成できません。燃料が 100% の純度に達することは不可能であるため、100% 完全な核分裂反応を達成することも不可能です。たとえば、原子爆弾が爆発すると、核分裂反応が完了する前に粉々に砕け散ります。ある情報によると、広島原爆の実際の効率はわずか1.2%だったそうです。これが理由です。

核融合の効率は核分裂の効率よりもはるかに高い。太陽やすべての星は、中心核で核融合が継続的に起こっているため、エネルギーを継続的に放射することができます。核融合には極めて高い温度や圧力が必要なため、容器内の核融合エネルギーをいかに制御し、連続的にゆっくりと放出するかは、今もなお世界中で研究されている難しい問題です。

なぜ核融合は「人工の小さな太陽」と呼ばれるのでしょうか?

これは、核融合が太陽の質量とエネルギーの変換方法を模倣しているためであり、制御された核融合は「人工の小さな太陽」と呼ばれています。しかし、人工太陽は世界を照らす小さな太陽を創り出すことではなく、太陽の中心部での核融合を利用して発電や人類の利益となる電力を得るためのエネルギーだということを明確にしてください。

実は、人工太陽はトカマク装置と呼ばれる巨大な機械（上の写真参照）であり、この機械の中で核融合反応が制御されているのです。

制御された核融合が解決しなければならない最大の課題は 2 つあります。一つは、何十億度もの温度をケージの中に閉じ込めることですが、世の中にそのような高温に耐えられる物質は存在しません。核融合のための高温プラズマを閉じ込めるために使用される主な方法は、磁気閉じ込めと慣性閉じ込めです。これについては過去に何度も話したので、ここでは詳しくは述べません。

もう一つの難しさは、エネルギーの入出力比率です。この技術は、出力が入力よりも一定桁大きい場合にのみ価値があります。核融合を点火するには非常に高い点火温度が必要であり、それは大量のエネルギー入力を意味します。入力エネルギーが出力エネルギーよりも大きい場合、またはわずかに小さい場合、そのエネルギーはほとんど価値がありません。

現在、これら2つの困難は克服されつつあり、すべての国が大きな進歩を遂げています。この分野では中国は世界の最先端に立っています。核融合高温プラズマを閉じ込める温度と時間は継続的に延長され、現在では1億2千万度を101秒間閉じ込めるというブレークスルーが達成されています。

しかし、この指標は明らかに、制御された核融合の真の商業的応用には程遠いものです。

核融合エネルギー変換率はまだ非常に低い。将来的にはもっと高くなるのでしょうか？

元素が重くなればなるほど、核融合の条件は厳しくなります。たとえば、ヘリウム核融合の温度は少なくとも 2 億度でなければなりません。したがって、制御された核融合は、最も軽い元素である水素からのみ開始できます。これは、このタイプの核融合には最低の温度条件が必要であるためです。簡単に言えば、地球上での制御された水素核融合とは、水素原子核が摂氏1億度の温度下で継続的により重いヘリウム原子核に融合するプロセスです。この過程で質量の0.7%がエネルギーに変換されますが、これは核分裂の質量エネルギー変換率の6倍に相当します。

つまり、1kgの水素のうち7gの質量がエネルギーに変換されます。質量-エネルギー方程式によれば、6.3*10^14Jのエネルギーが得られます。このエネルギーは、1億7500万キロワット時の電力、または15万トンのTNT火薬の爆発力に相当します。もちろん、核分裂と同様に、核融合も多くの要因の影響を受け、その効率は完全に 100% に達することはありません。

しかし、いずれにせよ、これは人類が現在習得できる最も効率的な質量エネルギー変換です。

質量エネルギー変換率が 0.7% から 100% までの間には、人類が発見すべき 99.3% のギャップがまだ残っています。将来、人類は質量エネルギー変換のより効率的な方法を見つけることができるでしょうか?全く分かりません。しかし、確かなのは、質量エネルギー変換率が高くなるほど、必要な変換条件も高くなるということです。人類の科学が発展し続ける限り、常に新たな進歩が生まれると信じています。

最も完璧な質量エネルギー変換は反物質と物質の衝突です。 1kg の反物質と 1kg の物質が消滅すると、2kg の質量エネルギー変換が発生します。しかし、反物質は私たちの世界では非常に稀です。科学者たちは何十年にもわたって膨大なエネルギーを実験に費やしてきましたが、世界で得られた反物質粒子（陽子と原子）の総量はわずか15ng（ナノグラム）です。それらがすべて消滅したとしても、コップ一杯の水を沸かすのにも足りないでしょう。

もちろん、私たちの世界に反物質がほとんど存在しないのは幸運なことです。そうでなければ、テロリストが反物質を入手した場合、人類は生き残ることができないでしょう。どう思いますか？議論へようこそ。読んでいただきありがとうございます。

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