【文/觀察者網(wǎng)專欄作者 袁嵐峰】

最近，中國在核聚變領域連續(xù)取得重大突破。2016年11月初，中科院合肥物質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

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，我們要關注的是什么？答案是愛因斯坦的質能方程E = mc²，E是能量，m是質量，c是光速（約為30萬公里每秒）。外星文明如果知道這個關系式，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?？墒鞘⒚拢蠖鄶?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。

質能方程究竟說的是什么呢？它說的是，任何質量m必定對應mc²的能量，任何能量E也必定對應E/c²的質量。由于光速c是個常數(shù)，所以我們可以理解為：質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，只要它有這個質量m，就有相應的能量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，就有相應的質量E/c²。當物體的能量發(fā)生變化時，質量必然相應變化。反之，當物體的質量發(fā)生變化時，能量也必然相應變化。

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。你的質量乘以c²得到的能量，指的是把你轉換成無質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：光子的質量不是零嗎？這里的關鍵是要搞清，質量分為靜質量和動質量。靜質量是物體在靜止狀態(tài)下的質量，動質量是物體在運動狀態(tài)下的質量。靜止的物體運動起來，動能增加了，就會增加相應的質量，所以動質量總是大于靜質量。我們平常說光子的質量為零，指的是靜質量為零。但由于光子在以光速運動，具有能量，所以它的動質量并不為零。而像鐵塊或者人這樣的物質，在靜止狀態(tài)下質量就不為零，在運動狀態(tài)下質量也會變化。在日常生活中，鐵塊或人的這點質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，也有質量守恒定律，那么這兩個定律究竟是什么關系？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果，物理學家的第一反應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。質量守恒定律就有點微妙了。根據(jù)質能關系，質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量守恒。

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

那位說了，道爾頓和化學工程師用了這么多年的質量守恒定律，怎么沒出毛??？回答也很簡單，質量變化太小，測不出來。跟靜質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量對應的能量”這個條件，本質上是近似的。

明白了這些之后，就會發(fā)現(xiàn)質能關系還有一大妙處：只需要知道一個變化前后的靜質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！