物质可转化为能量，那么能量可以转化为物质吗？

爱因斯坦质能方程捅破了质量和能量之间的一层窗户纸，揭示了物质质量与能量之间的等价交换关系，让人类对自然规律认识得到了一次突破性的提升，从而揭示了宇宙万物诞生的根源，也为人类未来能源利用提供了一把金钥匙。

质能方程的核心是质量和能量能够等价互换。所谓等价互换，就是相互都能够转换，这样当然质量能够转化为能量，能量也能转化为物质了。至于其中的道理和证据，就请耐着性子看完。

先说下质量转化为能量

爱因斯坦质能方程有一套复杂完整的推导过程（下图），最后浓缩成一个简单的公式：E=MC^2。这里的E代表能量，M表示质量，C表示光速。从这个公式，我们可以看到，质量转化出的全部能量是非常惊人的。

根据公式计算，1kg质量（忽略物质属性）全部转化为能量，能得到约9*10^16J（焦耳）的能量，这些能量有多大呢？差不多是太阳每秒钟辐射到地球的全部能量，或者相当2500万亿度电，或者2151万吨TNT炸药爆炸威力（相当1千多颗广岛原子弹同时爆炸）。

这已经不仅仅是理论推导了。自从爱因斯坦创立了这个方程，科学家们在100多年时间里，经历了无数次实验验证，所有结论都精准符合这个理论。但要将质量转化为能量的条件是非常苛刻的，需要超高的温度或巨大的压力。

太阳核心的核聚变就是在3000亿个大气压和1500万度高温下持续进行的，在氢核聚变过程中，将部分质量转化为巨大能量，以电磁辐射的方式源源不断释放到太空。

人类过去使用能源方式，如烧煤烧油等，并不是质能转化，而主要是化学变化，其质能转化率是非常低的。如燃烧1kg煤只能得到29307000J的能量，如按质能方程计算，质能转化率只有约3*10^-10，也就是300亿分之一。

现在人类掌握的最大质能转化能力为核裂变和核聚变。

人类掌握的核裂变技术已经从不可控到可控，这就是核发电。这种核裂变发电转化率可以达到质能转化率的约0.1%，也就是1kg纯核燃料可以转化出约1克质量的能量，相当约2500万度电能；而核聚变还处于不可控阶段，只能以氢弹爆炸的方式瞬间释放能量，这种转化率约达到0.7%，比核裂变提升了近7倍。但可控核聚变依然在试验开发过程中，进展缓慢。

质能转换的完美方式是正反物质湮灭

即便实现了可控核聚变，人类对物质质量的转化率也只有0.7%。反物质遇到正物质，会立即发生湮灭，同时释放出100%质量蕴含的能量，因此被认为是最完美的质能转化。

反物质在自然界普遍存在，早就被科学证实了。如我们人体和香蕉都有少量的钾-40，钾-40是天然同位素，在衰变时就会释放出正电子。组成我们世界物质的原子外层电子都是带负电的，因此正电子就是反物质。香蕉每75分钟会释放一个正电子，可能有人会说，世界上这么多香蕉，还有70多亿人，还有其他许多其他物质，如果都释放反物质，那这个世界怎么还存在呢？

其实这些正电子等反物质在我们世界是极其微量的，它们只是以亚原子粒子形式存在，据科学测算，在大气中每立方米约有100个反粒子，而一个针尖上就可以排列亿亿个质子或电子，我们周围的空气每立方厘米就有2700亿亿个大气分子。因此这些反粒子刚一出现，就立即与正粒子湮灭了，而我们毫不察觉。

正是反物质具有很难在自然界存在的特性，捕捉保存反物质的条件就非常高且苛刻。科学家们在大型对撞机里要制造出极高度真空和接近绝对零度的温度，还要用磁阱控制，不让反物质碰到任何地方，才能够勉强控制住反物质很短时间。

经过几十年努力，科学家们花费了无法计算的能量，全世界制造出来的反物质还不够烧开一杯开水。因此要实现用反物质作为能量或动力，造福人类社会，目前还只能是一个梦想。

那么能量转化为物质有怎么证据呢？

很多人对这个问题有质疑，认为，如果质能转换是是一个科学理论，质量和能量是等价的，就能够相互转化。为什么只见物质转化为能量，而不见能量转化为物质呢？其实，说这话的只能说是孤陋寡闻，自己没看到，并不能说明没有。

能量转化为物质当然更难，要知道2500万度电一点都不漏掉，全部转化为物质，才能够转化出1g（克）质量。2500万度电是多少？如果一家人一年用电1000度的话，可以供应25000户人家一年的用电。这是一个小城镇一年居民用电总和，而这些用电总和集中起来全部转化，才能够产生1g物质。

而且这种集中条件还非常苛刻，要求这些电瞬间释放，这种威力相当于1.65颗广岛原子弹爆炸释放的威力，而这些能量只能转化出1g物质。

其实科学家们早就在大型强子对撞机里面做了这种实验，用巨大的能量推动两束铅离子束相向而行，当极端接近光速时让它们相撞，在撞击的瞬间爆发出10万亿度高温，再现了宇宙大爆炸百万分之一秒时的情景。这时的宇宙已经从能量中开始产生物质，这种物质叫“夸克—胶子等离子体”，是产生原子核的前奏。

科学家们还通过实验，在大象强子对撞机中，让一个获得了足够高能量的电子和足够高能量光子相撞，制造出了一个新的电子和一个新的光子，同时还产生了一对正反物质粒子，如正反质子或电子对。以上实验，是人类在地球上用能量制造出物质的典型证据。

我们宇宙中所有物质，都是从能量中转化而来。

爱因斯坦质能方程解开了宇宙诞生物质来源之谜，也给大爆炸宇宙模型更有利的支持。现在这个模型已经成为了科学界主流共识：宇宙起源于138亿年前某一刻，一个无限小无限密度无限曲率无限热量的奇点爆发了，这是一种纯能量的爆发。

随之而来，能量转化为物质的过程开始了。在宇宙大爆炸开始时，能量以高能光子的形式出现，这些光子相互碰撞就产生了夸克、胶子、电子等基本粒子和反粒子，那时的宇宙就像一锅超高温的粒子浆糊汤。

宇宙大爆炸开始后万亿分之一秒时，温度下降到了约1000万亿度，开始形成质子和中子。这时的宇宙已经形成了组装原子的各种基本粒子：质子、中子和电子，以及原子核的粘合剂胶子。随后，这些粒子组装成为氢、氦、锂等轻原子核。但这时，宇宙的温度极高密度极大，连光（电磁波）也无法脱耦，因此那时候的宇宙是不透明的，中性原子也无法形成。

一直到大爆炸开始38万年以后，宇宙已经冷到了3000K的温度，这时候，原子核和电子才有条件结合成中性原子，以元素组成的物质出现了。整个宇宙主要是氢和氦组成，还有极少量的锂，其他元素都还没有产生。

由于引力作用，氢氦组成的原始粒子渐渐聚集成团，形成原始星云。这些星云碰撞收缩，渐渐形成了恒星和星系。以后通过恒星演化和超新星大爆发，在高温高压的核聚变过程中，逐渐产生了氢氦锂以上更重的元素。如今我们已知宇宙中存在的118种元素，都是通过恒星演化和大爆炸得来的。

现在我们宇宙千姿百态的物质，地球上亿万生态物种，都是由这些元素组成的。因此我们世界上所有的物质，都是从能量中转化过来的。没有宇宙能量的爆发，就没有今天的所有物质。

大爆炸前的能量奇点哪里来？

谈到此类话题，总有人问，宇宙大爆炸之前的奇点是从哪里来的呢？那么小小奇点怎么爆发出这么巨大的能量呢？这是另一个话题，说来话长，而且科学界至今也并没弄清楚，我也不能随意下个定论。

但我们可以根据目前理论做些探讨。一般认为，奇点处是我们世界时空的汇集点、消失处，不受人类认知的科学约束，或者说人类所有科学理论在那里都失效。因此宇宙奇点是是研究的禁区。

但量子力学对大爆炸开始前有一个猜想，这就是真空零点能理论。这个理论认为，在时空还没有出现之前，也就是在虚无的真空中，蕴藏着巨大的真空零点能，这是宇宙的本底能量。这些能量会以量子泡沫的状态随机扰动，以虚粒子对（正反虚粒子）形式不断涌现又瞬间湮灭。如果这个世界是完美对称的，宇宙就永远不会出现。

但杨振宁和李政道创立的“弱相互作用中宇称不守恒定律”，打破了这种完美和平衡。在这之前，科学界一直认为宇称是守恒的，这就像一个死胡同，无法解释宇宙大爆炸这一时刻。现在这个死胡同被打开了一条通道，宇宙大爆炸的出现就合理了。

量子随机扰动的虚粒子对，有那么一个打单了，没有湮灭，就是我们宇宙的奇点，这个奇点不断膨胀，就成为了今天的宇宙。这就是现代物理学对宇宙大爆炸前的猜想，尽管这个理论还不完美，却是所有宇宙起源猜想中最具有说服力和证据的猜想。

尽管宇宙起源依然没有定论，但质能方程的正确和精确，迄今没有一例反证能挑战这个理论。就说这些，欢迎讨论，感谢阅读。

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