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【文/觀察者網(wǎng)專欄作者 袁嵐峰】

最近，中國在核聚變領(lǐng)域連續(xù)取得重大突破。2016年11月初，中科院合肥物質(zhì)科學研究院等離子體物理研究所的EAST（先進超導托卡馬克實驗裝置），成為世界首個實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模運行持續(xù)時間達到分鐘量級的托卡馬克核聚變實驗裝置。

10月24日，中國科研人員在升級全超導托卡馬克核聚變實驗裝置

12月10日，《新聞聯(lián)播》播發(fā)了我國研制的核聚變堆核心部件在國際上率先通過認證的消息，這是我國對國際熱核聚變實驗堆項目的重大貢獻。

我國率先突破核聚變工程核心技術(shù)

如何理解這些突破？核聚變的原理是什么？意義何在？本文將解答這些問題。

愛因斯坦質(zhì)能方程

核聚變最基本的原理是什么？或者說，如果我們發(fā)現(xiàn)了一個外星文明，想知道他們是否可能已經(jīng)掌握了聚變技術(shù)，我們要關(guān)注的是什么？答案是愛因斯坦的質(zhì)能方程E = mc²，E是能量，m是質(zhì)量，c是光速（約為30萬公里每秒）。外星文明如果知道這個關(guān)系式，我們就要當心了，他們有可能已經(jīng)會核聚變了，而且有大得多的可能會核裂變。他們說不定會跨越星海殺過來（《三體》愛好者請舉手），即使不能，至少可以拿原子彈抵御我們。如果他們不知道，那我們可以放寬心，他們的技術(shù)最多只是到導彈這個層次，沒有核武器，肯定不是我們的對手。

E =mc²很可能是歷史上最著名的科學公式，以至于霍金雖然聽說“每個公式都會使你的讀者減半”，還是在《時間簡史》中寫上了這個公式。可是盛名之下，大多數(shù)人對它的意義，我相信，還是似懂非懂。（敲黑板）那么我們開始上課了！

這個方程的形式極其簡單，內(nèi)涵卻極其深邃，在美學欣賞的意義上，妙到毫巔。

質(zhì)能方程究竟說的是什么呢？它說的是，任何質(zhì)量m必定對應(yīng)mc²的能量，任何能量E也必定對應(yīng)E/c²的質(zhì)量。由于光速c是個常數(shù)，所以我們可以理解為：質(zhì)量和能量是同一個東西的兩種表示方法，或者說壓根就是同一個東西。具體一點說，一個質(zhì)量為m的物體，比如說一塊鐵，一個光子，或者一個人，無論它是靜止的還是在運動中，只要它有這個質(zhì)量m，就有相應(yīng)的能量mc²。反過來，一個能量為E的物體，比如說一塊鐵，一個光子，或者一個人，無論它是靜止的還是在運動中，只要它有這個能量E，就有相應(yīng)的質(zhì)量E/c²。當物體的能量發(fā)生變化時，質(zhì)量必然相應(yīng)變化。反之，當物體的質(zhì)量發(fā)生變化時，能量也必然相應(yīng)變化。

上面的話可能讓很多人迷糊了。我時常處于靜止中，咋沒覺得自己身上有這么大的能量呢？回答是：能量的絕對值是無法測量的，可測量的是相對值。你的質(zhì)量乘以c²得到的能量，指的是把你轉(zhuǎn)換成無質(zhì)量的虛空所放出的能量——沒錯，破碎虛空！現(xiàn)在還沒辦法把一個人變成虛空，所以這超級巨大的能量根本放不出來。你平時走路、跑步、刷微博所消耗的能量，確實會反映為你的質(zhì)量的變化，但這點變化實在太小了，超出儀器的探測能力。

有人會問：光子的質(zhì)量不是零嗎？這里的關(guān)鍵是要搞清，質(zhì)量分為靜質(zhì)量和動質(zhì)量。靜質(zhì)量是物體在靜止狀態(tài)下的質(zhì)量，動質(zhì)量是物體在運動狀態(tài)下的質(zhì)量。靜止的物體運動起來，動能增加了，就會增加相應(yīng)的質(zhì)量，所以動質(zhì)量總是大于靜質(zhì)量。我們平常說光子的質(zhì)量為零，指的是靜質(zhì)量為零。但由于光子在以光速運動，具有能量，所以它的動質(zhì)量并不為零。而像鐵塊或者人這樣的物質(zhì)，在靜止狀態(tài)下質(zhì)量就不為零，在運動狀態(tài)下質(zhì)量也會變化。在日常生活中，鐵塊或人的這點質(zhì)量變化小得無法觀測。但如果速度非常高，跟光速可以比較，那質(zhì)量變化就會顯著了。

現(xiàn)在我們可以回答一個令許多人迷惑的問題：有能量守恒定律，也有質(zhì)量守恒定律，那么這兩個定律究竟是什么關(guān)系？是等價的？還是一個是精確的，另一個是近似的？實際上，能量守恒定律是一個完全精確的定律，或者說物理學家愿意為了捍衛(wèi)它戰(zhàn)斗到最后一滴血。每當發(fā)現(xiàn)能量似乎不守恒的實驗結(jié)果，物理學家的第一反應(yīng)就是某些能量被遺漏了，然后拼命去找，絕不會不做抵抗就放棄能量守恒定律，而到目前為止他們每次也都能找到。質(zhì)量守恒定律就有點微妙了。根據(jù)質(zhì)能關(guān)系，質(zhì)量跟能量只是差一個常數(shù)比例而已，那么能量守恒當然就等價于質(zhì)量守恒。

在這個意義上，質(zhì)量守恒定律也是一個完全精確的定律。但要注意，這里說的是動質(zhì)量，靜質(zhì)量可沒有理由守恒。然而我們平時說的質(zhì)量守恒定律，指的卻是靜質(zhì)量，例如說化學反應(yīng)前后質(zhì)量不變，證據(jù)就是拿天平稱一稱，反應(yīng)物和生成物的質(zhì)量確實相等。這就出問題了。實際應(yīng)該是，反應(yīng)物和生成物的靜質(zhì)量不相等！雙方的靜質(zhì)量差，就對應(yīng)于反應(yīng)中的能量變化，即化學能。如果反應(yīng)放出能量，生成物的質(zhì)量就小于反應(yīng)物。如果反應(yīng)吸收能量，生成物的質(zhì)量就大于反應(yīng)物。

那位說了，道爾頓和化學工程師用了這么多年的質(zhì)量守恒定律，怎么沒出毛?。炕卮鹨埠芎唵?，質(zhì)量變化太小，測不出來。跟靜質(zhì)量中蘊含的巨大能量相比，化學能實在是微不足道。所以日常用的（靜）質(zhì)量守恒定律仍然是一個相當準確的定律，但要注意，它的準確程度就比能量守恒定律低一級了，因為它依賴于“能量變化遠小于靜質(zhì)量對應(yīng)的能量”這個條件，本質(zhì)上是近似的。

明白了這些之后，就會發(fā)現(xiàn)質(zhì)能關(guān)系還有一大妙處：只需要知道一個變化前后的靜質(zhì)量差就能預測能量變化，而不需要知道變化的細節(jié)。這個特點讓核裂變與核聚變一下子就變成了可以利用的現(xiàn)象——在我們找到實現(xiàn)它們的辦法之前！