基本的回答是两点:一,确实了质量重核裂变;二,但是科学界没有人对此感到不安,因为大家都知道,质量守恒定律并不是个精确的定律,能量守恒定律才是精确的定律,由此必然导出质量不守恒的结果。
为了解释清楚这些论述是什么意思,我们首先要明白,目前认为精确的定律是什么样的,也就是说,我们在理论上的出发点是什么。就关于质量和能量的问题而论,目前认为精确的理论是相对论,而牛顿力学是相对论在低速运动下的一个近似。
我们必须强调一下,相对论是精确的,牛顿力学是粗略的。如果你愿意的话,你可以说牛顿力学是错误的,或者说牛顿力学已经被相对论推翻了。也许会有其他一些人表示反对,说牛顿力学并没有被推翻,仍然是一个正确的理论。这两种看似矛盾的说法,其实都不算错。它们实际的意思是一样的,都是说:当速度远远低于光速时,实验结果跟牛顿力学预测的结果在很高的精度内是一致的;而当速度跟光速可以比较的时候,实验结果就会跟牛顿力学的预测结果有显著的偏差。
这里的一个关键思维模式是,在自然科学中,没有绝对精确的理论。当我们说某个理论正确的时候,意思只是它的预测结果跟实验结果在很高的精度内符合。但你永远不能肯定,如果精度进一步提高下去,还会不会符合。
按照相对论,能量跟质量之间存在质能关系:E = mc^2,这里的c是真空中的光速,约等于30万公里每秒。这是个内涵非常丰富的公式,基本的意思是,有一定的能量,就必然对应一定的质量,反之亦然。
好,让我们看看这个公式对化学反应意味着什么。考察一个典型的化学反应,2 H2 + O2 = 2 H2O,氢气和氧气生成水。
液态水的摩尔生成焓是-285.8 kJ/mol,意思就是,在标准条件下(25摄氏度,1个大气压),从氢气和氧气单质生成1 mol液态水(即18克水)放出的能量是285.8 kJ。
这么多能量对应的质量是多少呢?用国际单位制表示,光速c大约是3E8 m/s(3E8表示3乘以10的8次方),光速的平方c^2 = 9E16 m^2/s^2,待求的质量是285.8E3 / 9E16 kg = 31.8E-13 kg = 3.18E-9 g。
2克氢气和16克氧气生成18克水时,质量只减少了3.18乘以10的-9次方克!就比例而言,是1.76E-10,即100亿分之1.76。
这幺小的质量变化,你能察觉出来吗?当然不能。甚至如果你专门想要测量这个质量变化,我都不确定目前最先进的测量手段能不能做到。因此,在日常生活中,我们认为质量守恒定律是一个很好的定律。
但是对于核聚变,牵涉的能量变化就大得多了,伴随的质量变化也大得多。
一个典型的例子是,把一个氦原子核(由两个质子和两个中子组成,在自由状态下,质子的质量只比中子低0.14%)跟四个氢原子核(只包含一个质子)相比,质量小了0.8%。也就是说,如果把4个H聚合成一个He,那么质量会减小0.8%。这么大的质量变化,当然就能测出来了!
事实上,正是因为核聚变的质量变化如此之大,所以放出的能量也非常惊人,能量密度比化学反应高一亿倍的量级,恒星才能持续地发光。
太阳
太阳与地球的距离远达1.5亿公里,而地球的半径只有6400公里,这意味着从太阳发出的光,只有大约百亿分之4照到了地球上。这么少的比例,就养活了整个地球生态圈,想想看吧,这就是核聚变的威力!