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【文/觀察者網專欄作者 袁嵐峰】

最近，中國在核聚變領域連續取得重大突破。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），成為世界首個實現穩態高約束模運行持續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，《新聞聯播》播發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，如果我們發現了一個外星文明，想知道他們是否可能已經掌握了聚變技術，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。可是盛名之下，大多數人對它的意義，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，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。當物體的能量發生變化時，質量必然相應變化。反之，當物體的質量發生變化時，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下的質量，動質量是物體在運動狀態下的質量。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，在靜止狀態下質量就不為零，在運動狀態下質量也會變化。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它戰斗到最后一滴血。每當發現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。根據質能關系，質量跟能量只是差一個常數比例而已，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，怎么沒出毛病？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，就會發現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。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象——在我們找到實現它們的辦法之前！