發現理論上的新能源形式,「夸克融合」威力更甚核融合 8 倍

作者 | 發布日期 2017 年 11 月 08 日 14:07 | 分類 核能 , 網路趣聞 , 能源科技 follow us in feedly

一個來自以色列和美國的國際科學團隊利用愛因斯坦質能等價理論,「計算」出能量可比核融合反應還要高出 8 倍的「底夸克融合」反應,威力連當今殺傷力最強的核武器氫彈都望塵莫及。不過暫時不用擔心這會被應用到不法軍事,研究作者拍胸脯說,如果這會被武器化,他絕對不敢發表論文。目前計算結果表明,底夸克融合存在時間僅 1 皮秒,之後就迅速衰變成較輕的夸克,無法有任何實際應用。



儘管太陽能、風能等再生能源呼聲高漲,科學家始終沒有放棄研究號稱終極清潔能源的核能,前陣子,科學家剛在實驗中找到可能對核融合反應爐造成災難的高能逃逸電子之控制手法,讓核融合反應進一步往實現化邁進。

而釋放能量比核融合還要巨大的「夸克融合」已被一組國際團隊計算得出,在談及這份發表在《自然》期刊的新研究之前,可以先了解一下基本物理概念:夸克(quark)是一種基本粒子,也是構成物質的基本單元,夸克互相結合會形成名為「強子」的複合粒子,強子中最穩定的是質子和中子,原子核又由質子和中子構成,我們周圍看到的大部分物質,都是由夸克組成的質子和中子。

夸克有 6 種「味」(註 1),分別是「上、下、魅、奇、底、頂」,較重的夸克(如底夸克)會通過稱為粒子衰變的過程迅速變成上夸克或下夸克(這兩者質量是所有夸克中最低的)。粒子衰變是一個「高質量態→低質量態」的過程,因為這個原因,上夸克及下夸克一般來說很穩定,所以它們在宇宙中很常見,而奇、魅、頂及底夸克只能經由高能粒子的碰撞產生(如宇宙射線或粒子加速器)。

愛因斯坦的能量轉換公式(E = mc²)是核融合反應發展源由,將兩個較輕的原子核結合,形成另一個較重的核和一個很輕的核(或粒子)就是核融合,最早的人工核融合技術為氫彈爆炸,天然核融合則好比恆星內部作用;如果是由重原子核變化輕原子核則稱為核分裂,如原子彈爆炸、利用核分裂反應來發電的核電廠。

▲ 太陽的巨大能量及來自核心的核融合反應。(Source:NASA

現在,由以色列特拉維夫大學 Marek Karliner 教授和美國芝加哥大學 Jonathan Rosner 教授領導的國際團隊研究了比原子核更小的夸克粒子,他們計算六種夸克中較重的「底夸克」融合時,理論上會釋放大約 138MeV(兆電子伏特)的能量,將近核融合能量(17.6MeV)的 8 倍。

目前地表最強核武器「氫彈」便是採用核融合技術,它可以讓美軍用來轟炸日本的原子彈瞬間變成小兒科,而夸克融合的能量又能讓氫彈抬不起頭。因此,當團隊意識到這種巨大能量可能存在時,幾乎嚇得不敢再繼續進行實驗。所幸,這種能量大概還是只存於科幻小說,底夸克融合時間僅維持 1 皮秒(等於 10-12 秒,基本上是天文在用的單位),幾乎瞬間就衰變成較輕的夸克,恐怖組織想拿它發展核武,炸彈點都點不著。

但不管怎麼說,這項研究仍讓人類看到質量和能量能帶來的驚人尺度。團隊本身並沒有實際融合底夸克,但他們聲稱,利用位於瑞士日內瓦歐洲核子研究組織(CERN)的大型強子對撞機(LHC,註 2)進行實驗,或許可以重現此現象。

▲ 大型強子對撞機地形鳥瞰圖。(Source:By Maximilien Brice (CERN) (CERN Document Server) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

註 1:在粒子物理學中,「味」(Flavour)是基本粒子的一種量子數;在電弱理論中,這種對稱被打破,因此存在味變過程,如夸克衰變或微中子振盪。
註 2:位於瑞士日內瓦歐洲核子研究組織(CERN)的大型強子對撞機(the Large Hadron Collider,縮寫 LHC),是目前世界上最大、最複雜、最先進的對撞型粒子加速器,為國際高能物理學研究用途。

(首圖來源:pixabay)