Quá trình mà con người hiện đang làm chủ với tỷ lệ chuyển đổi khối lượng thành năng lượng cao nhất là phản ứng tổng hợp hạt nhân. Năng lượng của vụ nổ bom khinh khí có sức công phá kinh hoàng và có thể hủy diệt thế giới. Đây là phản ứng tổng hợp hạt nhân hydro. Trên thực tế, tỷ lệ chuyển đổi khối lượng thành năng lượng của phản ứng tổng hợp hạt nhân cực kỳ nhỏ, chỉ khoảng 7/1000 khối lượng, nghĩa là chỉ có 7 gam trong một kilôgam vật chất được chuyển hóa thành năng lượng. Tại sao nó lại mạnh mẽ như vậy?
Đây chính là sức mạnh của sự chuyển đổi khối lượng thành năng lượng.
Phương trình khối lượng-năng lượng được Einstein phát hiện cách đây hơn một trăm năm và là bước đột phá lớn trong sự hiểu biết của con người về các định luật của vũ trụ.
Phương trình khối lượng-năng lượng là mối quan hệ mô tả sự chuyển đổi khối lượng thành năng lượng hoặc năng lượng thành khối lượng. Nó bao gồm một loạt các quá trình lập luận phức tạp mà chúng tôi sẽ không liệt kê ở đây vì lý do khoa học phổ thông. Kết quả cuối cùng rất đơn giản và rõ ràng, có thể biểu thị như sau: E=MC^2.
Trong công thức này, vế trái của dấu bằng E biểu thị năng lượng, với đơn vị là J (joule); phía bên phải của dấu bằng biểu diễn khối lượng M nhân với tốc độ ánh sáng C bình phương. Đơn vị khối lượng là kg (kilôgam), đơn vị tốc độ ánh sáng là m (mét), và giá trị chuẩn của tốc độ ánh sáng trong chân không là 299792458 m/s (mét/giây). Nếu không có yêu cầu cụ thể nào thì tốc độ ánh sáng thường được đơn giản hóa thành 300000000 m/s để tính toán dễ dàng và nhanh hơn.
Mặc dù đây là một phương trình đơn giản nhưng nó đã mang lại bước đột phá trong kiến thức của nhân loại. Từ đó trở đi, định luật bảo toàn khối lượng và năng lượng đã thay thế định luật bảo toàn khối lượng trước đó và chính xác hơn. Mọi người đều biết rằng khối lượng chứa một lượng năng lượng khổng lồ. Miễn là có cách chuyển đổi khối lượng thành năng lượng thì năng lượng sẽ là vô tận.
Bản chất của phương trình này là sự trao đổi tương đương. Sự tương đương này có nghĩa là khối lượng và năng lượng là tương đương. Miễn là khối lượng của bất kỳ chất nào đều như nhau thì năng lượng mà nó chứa đựng cũng như nhau. 1kg vàng, 1kg thuốc nổ, 1kg bông và 1kg bắp cải đều chuyển hóa thành cùng một lượng năng lượng, khoảng 9*10^16J. Lượng năng lượng này tương đương với 25 tỷ kilowatt-giờ điện, hoặc sức mạnh của vụ nổ 21,51 triệu tấn thuốc nổ TNT.
Trong hàng ngàn năm, con người đã thu được năng lượng thông qua các phương pháp hóa học kém hiệu quả.
Năng lượng thu được từ việc đốt thực vật, than và dầu nhiên liệu đều là năng lượng hóa học, thu được thông qua các phản ứng hóa học và có hiệu suất cực kỳ thấp. Ví dụ, khi đốt than, nhiệt lượng thu được khi đốt 1kg than chuẩn là 7000 kcal, tức là khoảng 29300962,74592J. Năng lượng này chỉ bằng 0,000000000326 tỷ lệ chuyển đổi khối lượng thành năng lượng.
Do đó, trong các sách giáo khoa trước đây, định luật bảo toàn khối lượng về cơ bản là đúng, vì năng lượng tiêu thụ về cơ bản là không đáng kể. Nhưng dù sao vẫn có một chút tổn thất, cho nên định luật bảo toàn khối lượng chỉ tương đối chính xác, không chính xác lắm, còn định luật bảo toàn khối lượng và năng lượng mới thực sự chính xác.
Vào thế kỷ trước, con người đã phát hiện ra năng lượng hạt nhân, đây là mô hình thu năng lượng thông qua quá trình chuyển đổi khối lượng thành năng lượng. Đây là bước tiến vượt bậc trong việc thu thập năng lượng của con người, nhưng tỷ lệ chuyển đổi cũng rất thấp. Theo như con người biết về hiệu quả chuyển đổi khối lượng thành năng lượng, ngoại trừ việc hủy diệt vật chất và phản vật chất, không có công nghệ nào có thể chuyển đổi toàn bộ khối lượng thành năng lượng. Công nghệ tổng hợp hạt nhân mạnh nhất hiện nay chỉ có thể chuyển đổi 0,7% khối lượng thành năng lượng.
Sự chuyển đổi khối lượng-năng lượng là tương đương, vậy năng lượng có thể chuyển đổi thành vật chất không?
Nhiều người thường thắc mắc: Khối lượng có thể chuyển hóa thành năng lượng, vậy tại sao năng lượng lại không thể chuyển hóa thành khối lượng? Trên thực tế, cách hiểu này là sai. Sự chuyển đổi khối lượng và năng lượng không phải là một chiều mà là sự trao đổi hai chiều. Năng lượng cũng có thể được chuyển đổi thành khối lượng và phương trình khối lượng-năng lượng cũng được áp dụng.
Điều kiện để chuyển đổi một lượng nhỏ khối lượng thành năng lượng là vô cùng khắc nghiệt và khó khăn. Ví dụ, cần có những điều kiện khắc nghiệt như vụ nổ bom nguyên tử hoặc bom khinh khí, với nhiệt độ và áp suất cực cao mới có thể chuyển đổi một lượng nhỏ khối lượng. Việc chuyển đổi năng lượng thành khối lượng thậm chí còn khó hơn.
Bạn nên biết rằng nếu 1 kg vật chất được chuyển hóa thành năng lượng, nó có thể tạo ra lượng điện tương đương với 25 tỷ kilowatt-giờ, hoặc sức mạnh của 21,51 triệu tấn thuốc nổ, tương đương với sức mạnh của 1.655 quả bom nguyên tử Hiroshima phát nổ cùng lúc. Theo nguyên lý trao đổi tương đương, cần phải dồn một lượng năng lượng lớn như vậy vào một bình chứa mà không thải ra bất kỳ chất thải nào để thu được 1 kg chất.
Trên thực tế, quá trình chuyển đổi năng lượng thành khối lượng vật chất vẫn luôn diễn ra. Vũ trụ của chúng ta là một quá trình chuyển đổi năng lượng tinh khiết thành khối lượng vật chất kể từ vụ nổ Big Bang cách đây 13,8 tỷ năm.
Vũ trụ hình thành từ năng lượng như thế nào?
Cơ học lượng tử hiện đại tin rằng trước Vụ nổ lớn không có vật chất, không có thời gian và không gian, chỉ có năng lượng nền, tức là năng lượng điểm không chân không, và năng lượng này cực kỳ lớn.
Năng lượng này ẩn chứa trong khoảng không vũ trụ và tồn tại dưới dạng bong bóng lượng tử. Những bong bóng lượng tử này xuất hiện ngẫu nhiên dưới dạng các cặp hạt ảo và sau đó nhanh chóng hủy diệt. Nếu vũ trụ hoàn toàn đối xứng và được bảo toàn, vũ trụ của chúng ta sẽ không tồn tại, và sẽ không có con người như chúng ta đang nói những điều vô nghĩa ở đây bây giờ.
Trong những năm đầu, lý thuyết bảo toàn chẵn lẻ thống trị thế giới vật lý. Mọi người lúc đó rất bối rối. Vì vật chất và phản vật chất đối xứng, và phản vật chất có thể hủy diệt bất cứ lúc nào, vậy tại sao vũ trụ lại hình thành? Phản vật chất đã biến đi đâu rồi? Những câu hỏi này không được trả lời cho đến khi luật chẵn lẻ không bảo toàn được Dương Chấn Ninh và Lý Chính Đạo đề xuất.
Hóa ra vũ trụ chỉ bảo toàn những tính đối xứng cơ bản, nhưng nó không hoàn hảo và có những điểm đứt gãy, dẫn đến hiện tượng không bảo toàn. Một số cặp hạt ảo xuất hiện và hủy diệt bất cứ lúc nào không tuân theo quy luật và một số không hủy diệt riêng lẻ, và các điểm kỳ dị xuất hiện. Điểm kỳ dị này bùng nổ và tiếp tục mở rộng, và thế giới của chúng ta đã ra đời.
Theo lý thuyết này, chúng ta không thể là hạt ảo bất trị duy nhất, có thể còn rất nhiều hạt khác nữa. Đây là cơ sở cho tuyên bố rằng có nhiều vũ trụ song song bên ngoài vũ trụ của chúng ta.
Khi vũ trụ nguội đi, năng lượng đã biến đổi thế giới của chúng ta
Vào thời điểm xảy ra vụ nổ kỳ dị, vũ trụ chỉ chứa năng lượng. Nhiệt độ của vũ trụ cao vô hạn và mật độ cũng lớn vô hạn, không thể đo lường được. Phải đến thời gian Planck, tức là 10^-43 giây (một phần nghìn tỷ nghìn tỷ nghìn tỷ giây), thì nhiệt độ mới giảm xuống còn 10^32K (nghìn tỷ nghìn tỷ nghìn tỷ K) và mật độ giảm xuống còn 10^94g/cm^3 (gam trên centimet khối), gấp 10^78 lần mật độ của một proton.
Khi vũ trụ giãn nở nhanh chóng, nhiệt độ cũng giảm nhanh chóng. 10^-12 giây (một phần nghìn tỷ giây) sau Vụ nổ lớn, nhiệt độ giảm xuống còn 10^-15K và nhiều hạt khác nhau bắt đầu xuất hiện. Proton, neutron, boson, neutrino, electron, quark và gluon đều xuất hiện và ổn định.
Điều này có nghĩa là vũ trụ đã biến đổi vật chất từ năng lượng, nhưng các chất này chủ yếu vẫn là lepton, còn hadron rất hiếm. Trong một thời gian dài, nhiệt độ và mật độ của vũ trụ vẫn cực kỳ cao. Lực hạt nhân không thể liên kết được nơtron và proton, thậm chí ánh sáng cũng không thoát ra được. Vũ trụ đang ở trong thời kỳ đen tối và mờ đục.
Phải đến 380.000 năm sau, khi nhiệt độ của vũ trụ giảm xuống còn 3000K, các nguyên tử trung tính mới bắt đầu kết hợp và hình thành, và vật chất thực sự hữu hình bắt đầu xuất hiện, chủ yếu là các nguyên tử hydro và heli đơn giản nhất, và một lượng rất nhỏ lithium. Những nguyên tố này trôi nổi trong vũ trụ và bắt đầu ngưng tụ thành tinh vân do lực hấp dẫn của chính chúng, sau đó hình thành nên các ngôi sao và thiên hà.
Vào thời điểm này, thế giới mà chúng ta biết hiện nay đã xuất hiện và tất cả đều được chuyển hóa từ năng lượng.
Các nhà khoa học đã mô phỏng trạng thái của vũ trụ một giây sau Vụ nổ lớn
Tại Máy gia tốc hạt lớn ở Châu Âu, các nhà khoa học đã sử dụng nguồn năng lượng mạnh mẽ lên tới 1045 nghìn tỷ electron volt để đẩy hai chùm ion chì về phía nhau trong một đường ống ngầm dài 27km. Khi tốc độ của hai chùm ion chì đạt tới 99,9999991% tốc độ ánh sáng, chúng va chạm, ngay lập tức tạo ra nhiệt độ 10 nghìn tỷ độ. Một phiên bản thu nhỏ của Vụ nổ lớn xuất hiện, khôi phục lại bối cảnh một giây trước Vụ nổ lớn, khi đó là một "súp hạt nguyên thủy" đặc bao gồm các hạt quark và gluon dưới nhiệt độ và áp suất cao.
Thí nghiệm này không chỉ xác nhận kỳ vọng của thuyết Big Bang mà còn cung cấp bằng chứng về sự chuyển hóa năng lượng thành vật chất. Trong nhiều thí nghiệm trong máy gia tốc, sự chuyển đổi lẫn nhau giữa khối lượng và năng lượng tuân thủ chặt chẽ theo phép tính của phương trình khối lượng-năng lượng của Einstein, điều này càng chứng minh sự vĩ đại của lý thuyết đã được khám phá trong hơn 100 năm qua.
Trong thế giới loài người, phương pháp chính được sử dụng là chuyển đổi khối lượng thành năng lượng.
Điều kiện để chuyển đổi khối lượng thành năng lượng rất khắc nghiệt. Hiện nay, ngoài việc hủy diệt vật chất và phản vật chất, không có công nghệ nào có thể chuyển đổi toàn bộ khối lượng thành năng lượng. Công nghệ có tỷ lệ chuyển đổi khối lượng thành năng lượng cao nhất mà con người có thể làm chủ hiện nay là công nghệ tổng hợp hạt nhân.
Con người đã làm chủ được công nghệ phân hạch hạt nhân và tổng hợp hạt nhân trong thế kỷ trước, nhưng cho đến nay, khả năng kiểm soát công nghệ này vẫn chỉ giới hạn ở phân hạch hạt nhân. Do đó, nó có thể được sử dụng cho mục đích dân sự, chẳng hạn như phát điện hạt nhân và đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết vấn đề năng lượng cho nhân loại.
Ngoại trừ "tiếng nổ" của bom khinh khí, phản ứng tổng hợp hạt nhân không thể giải phóng năng lượng chậm và có thể kiểm soát được. Chỉ bằng cách đạt được sự giải phóng chậm và có kiểm soát thì nó mới có thể được thúc đẩy sử dụng cho mục đích dân sự và mang lại lợi ích cho xã hội.
Phản ứng phân hạch hạt nhân là quá trình phân tách các hạt nhân nguyên tử nặng thành các hạt nhân nguyên tử nhỏ hơn. Trong quá trình phân tách, một phần khối lượng sẽ bị mất đi. Lượng tổn thất này rất nhỏ, về mặt lý thuyết là dưới 0,1%. Công nghệ phân hạch hạt nhân hiện nay chủ yếu sử dụng hai nguyên liệu thô là urani 235 và plutoni 239. Lượng khối lượng bị mất trong quá trình phân hạch của urani 235 là khoảng 0,0946%, còn lượng khối lượng bị mất của plutoni 239 là khoảng 0,0961%.
Năng lượng hạt nhân hiện là công nghệ chuyển đổi khối lượng thành năng lượng hiệu quả nhất trên thế giới.
Mặc dù chỉ có chưa đến 0,1% khối lượng của 1 kg urani hoặc plutoni được chuyển hóa thành năng lượng trong quá trình phân hạch, nhưng lượng năng lượng này không thể so sánh với năng lượng hóa học mà loài người đã sử dụng trong quá khứ. Theo phương trình khối lượng-năng lượng của Einstein, 1 kg nhiên liệu phân hạch hạt nhân chuyển hóa khoảng 1g năng lượng, tương đương 9*10^13J. Lượng năng lượng này tương đương với 25 triệu kilowatt-giờ điện, hoặc năng lượng nổ của 25.150 tấn thuốc nổ.
Tất nhiên, đây chỉ là hiệu suất đạt được nhờ chuyển đổi hoàn hảo trên lý thuyết. Trong thực tế vận hành, hiệu quả này không thể đạt được. Vì nhiên liệu không thể đạt tới độ tinh khiết 100% nên phản ứng phân hạch cũng không thể đạt tới độ hoàn thiện 100%. Ví dụ, khi một quả bom nguyên tử phát nổ, nó sẽ vỡ tan trước khi phản ứng phân hạch hoàn tất. Theo một số thông tin, hiệu suất thực tế của bom nguyên tử Hiroshima chỉ là 1,2%. Đây chính là lý do.
Hiệu suất của phản ứng tổng hợp hạt nhân cao hơn nhiều so với phản ứng phân hạch hạt nhân. Mặt trời và tất cả các ngôi sao có thể liên tục tỏa năng lượng vì phản ứng tổng hợp hạt nhân liên tục diễn ra trong lõi của chúng. Vì phản ứng tổng hợp hạt nhân đòi hỏi nhiệt độ hoặc áp suất cực cao nên việc kiểm soát năng lượng tổng hợp hạt nhân trong bình chứa và giải phóng liên tục, chậm rãi vẫn là vấn đề khó khăn đang được nghiên cứu trên toàn thế giới.
Tại sao phản ứng tổng hợp hạt nhân được gọi là “mặt trời nhỏ nhân tạo”?
Nguyên nhân là do phản ứng tổng hợp hạt nhân mô phỏng cách mặt trời chuyển đổi khối lượng và năng lượng, nên người ta gọi phản ứng tổng hợp hạt nhân có kiểm soát là "mặt trời nhỏ nhân tạo". Nhưng xin hãy làm rõ rằng mặt trời nhân tạo không phải là tạo ra một mặt trời nhỏ tỏa sáng để chiếu xuống thế giới, mà là sử dụng phản ứng tổng hợp hạt nhân trong lõi mặt trời để tạo ra năng lượng phục vụ cho việc phát điện hoặc cung cấp năng lượng cho nhân loại.
Trên thực tế, mặt trời nhân tạo chỉ là một cỗ máy khổng lồ gọi là thiết bị tokamak (xem hình trên) và phản ứng tổng hợp hạt nhân được điều khiển bên trong cỗ máy này.
Có hai thách thức lớn nhất mà phản ứng tổng hợp hạt nhân có kiểm soát cần phải giải quyết. Một cách là nhốt hàng tỷ độ nhiệt độ trong một cái lồng, nhưng không có vật liệu nào trên thế giới có thể chịu được nhiệt độ cao như vậy. Các phương pháp chính được sử dụng để giới hạn plasma nhiệt độ cao cho phản ứng tổng hợp hạt nhân là giới hạn từ tính và giới hạn quán tính. Tôi đã nói về điều này nhiều lần rồi nên tôi sẽ không đi sâu vào chi tiết ở đây.
Một khó khăn khác là tỷ lệ năng lượng đầu vào-đầu ra. Công nghệ này chỉ có giá trị khi đầu ra lớn hơn đầu vào theo một cấp số nhất định. Phản ứng tổng hợp hạt nhân đòi hỏi nhiệt độ đánh lửa rất cao, nghĩa là cần một lượng năng lượng lớn. Nếu năng lượng đầu vào lớn hơn năng lượng đầu ra hoặc chỉ nhỏ hơn một chút thì nó sẽ không có nhiều giá trị.
Hiện nay hai khó khăn này đã được khắc phục và tất cả các quốc gia đều đã đạt được tiến bộ đáng kể. Trong lĩnh vực này, Trung Quốc đang đi đầu thế giới. Nhiệt độ và thời gian giới hạn của plasma nhiệt độ cao trong phản ứng tổng hợp hạt nhân liên tục được mở rộng và hiện nay đã đạt được bước đột phá trong việc giới hạn ở nhiệt độ 120 triệu độ trong 101 giây.
Tuy nhiên, chỉ số này rõ ràng vẫn còn rất xa mới đạt đến ứng dụng thương mại thực sự của phản ứng tổng hợp hạt nhân có kiểm soát.
Tỷ lệ chuyển đổi năng lượng nhiệt hạch vẫn còn rất thấp. Liệu nó có cao hơn trong tương lai không?
Nguyên tố càng nặng thì điều kiện phản ứng tổng hợp hạt nhân càng nghiêm ngặt. Ví dụ, nhiệt độ để phản ứng tổng hợp hạt nhân heli phải đạt ít nhất 200 triệu độ. Do đó, phản ứng tổng hợp hạt nhân có kiểm soát chỉ có thể bắt đầu từ nguyên tố nhẹ nhất - hydro, vì loại phản ứng tổng hợp này đòi hỏi điều kiện nhiệt độ thấp nhất. Nói một cách dễ hiểu, phản ứng tổng hợp hạt nhân hydro có kiểm soát trên Trái Đất là quá trình trong đó các hạt nhân hydro liên tục tổng hợp thành các hạt nhân heli nặng hơn ở nhiệt độ 100 triệu độ C. Trong quá trình này, 0,7% khối lượng được chuyển đổi thành năng lượng, cao hơn 6 lần so với tốc độ chuyển đổi khối lượng-năng lượng của phản ứng phân hạch hạt nhân.
Nghĩa là, trong 1kg hydro, 7g khối lượng của nó được chuyển hóa thành năng lượng. Theo phương trình khối lượng-năng lượng, có thể thu được 6,3*10^14J năng lượng. Lượng năng lượng này tương đương với 175 triệu kilowatt-giờ điện, hoặc sức mạnh của vụ nổ 150.000 tấn thuốc nổ TNT. Tất nhiên, giống như phản ứng phân hạch hạt nhân, phản ứng tổng hợp hạt nhân cũng chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố và hiệu suất của nó sẽ không đạt tới mức hoàn hảo 100%.
Nhưng dù thế nào đi nữa, đây chính là phương pháp chuyển đổi khối lượng thành năng lượng hiệu quả nhất mà con người có thể làm chủ được hiện nay.
Từ tỷ lệ chuyển đổi khối lượng thành năng lượng từ 0,7% đến 100%, vẫn còn khoảng cách 99,3% đang chờ con người khám phá. Trong tương lai, liệu con người có thể tìm ra phương pháp chuyển đổi khối lượng thành năng lượng hiệu quả hơn không? không biết gì cả. Nhưng điều chắc chắn là tỷ lệ chuyển đổi khối lượng thành năng lượng càng cao thì điều kiện chuyển đổi cần thiết càng cao. Tôi tin rằng khi khoa học nhân loại tiếp tục phát triển, sẽ luôn có những đột phá mới.
Sự chuyển đổi khối lượng-năng lượng hoàn hảo nhất là sự va chạm giữa phản vật chất và vật chất. Sự hủy diệt của 1kg phản vật chất và 1kg vật chất có thể tạo ra 2kg khối lượng chuyển đổi thành năng lượng. Tuy nhiên, phản vật chất cực kỳ hiếm trong thế giới của chúng ta. Các nhà khoa học đã dành rất nhiều năng lượng cho các thí nghiệm trong nhiều thập kỷ, nhưng tổng lượng hạt phản vật chất (proton và nguyên tử) thu được trên thế giới chỉ là 15ng (nanogram). Nếu tất cả chúng đều bị tiêu diệt thì cũng không đủ để đun sôi một cốc nước.
Tất nhiên, thật may mắn khi có rất ít phản vật chất trên thế giới của chúng ta, nếu không thì nếu bọn khủng bố có được chúng, con người sẽ không thể sống sót. Bạn nghĩ sao? Chào mừng bạn đến thảo luận, cảm ơn bạn đã đọc.
Bản quyền thuộc về Space-Time Communication. Vi phạm và đạo văn là hành vi phi đạo đức. Xin hãy hiểu và hợp tác.
