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反物质飞船

胜于蓝2023-02-03【小说杂谈】人已围观

简介美国研究反物质太空船是以正电子为燃料，理论上6周可达火星，以正电子为燃料只需几十毫克，速度却比核动力太空船快一倍。发展现状美国宇航局先进理念研究所（NIAC，Nasa's Insti

美国研究反物质太空船是以正电子为燃料，理论上6周可达火星，以正电子为燃料只需几十毫克，速度却比核动力太空船快一倍。

发展现状

美国宇航局先进理念研究所（NIAC，Nasa's Institute for Advanced Con-cepts）正在资助一个研究小组，该小组正致力于以反物质作为动力的太空船研究。

燃料重量

美国宇航局正在开发的正电子发动机概念图
科幻小说中，大多数自主型恒星飞船使用反物质做燃料，原因是反物质是最具潜力的燃料。要想把人类送上火星，需要成千上万吨的化学燃料，但是如果以反物质为燃料的话，仅仅几十毫克的反物质（一毫克约为一块方糖重量的千分之一）就能帮助人类实现登上火星的梦想，而且只需要6周时间。
以前的反物质太空船设计使用反质子，它们在湮灭时会产生危害性的高能γ射线，所以可行性不大。新设计将采用正电子，正电子产生的伽马射线能量为反质子的四百分之一，从而可以避免产生这种极具放射性污染的副作用。

技术挑战

先进理念研究所正对此展开初步研究，不过目前还面临一个技术挑战，那就是生产正电子价格过于昂贵。在太空中，宇宙射线中高速粒子可以通过相互碰撞产生反物质。而在地球上，我们却需要通过粒子加速器来生产反物质，NIAC首席研究员史密斯说，“据粗略估计以现在的技术来为人类火星之旅生产正电子，每生产10毫克正电子将耗资约25亿美元”。
另一个挑战就是如何在小型空间内储存足够的正电子。因为它们会吞食正常物质，而现在人类还没有生产出由反物质制成的容器，所以只能将其存放在电场，磁场，电磁场内。科学家们正致力于研究开发克服这些挑战的方法，假如他们的努力实现，也许未来人类真的可以借助科幻小说里描述的能源遨游太空。

三大优势

正电子动力太空船与现在美国的火星登陆计划相比将有几个方面的优势。
旅途更安全
美国火星登陆计划正提议使用核反应堆为火星太空船提供动力。但是核反应堆相当复杂，在火星之旅中很多潜在的问题可能会导致核反应堆发生故障。而正电子反应堆能像核反应堆一样为太空船提供充足动力，并且其结构相当简单。
不会产生残留物
采用核燃料作为动力的太空船在其核燃料用完之后所产生的核废料仍具有放射性。如果使用正电子反应堆，在其燃料耗尽之后则不会产生残留物，因此即使残留正电子反应堆偶然进入地球大气层也不会引发安全方面的担忧。
45天内可达火星
正电子反应堆另一个重要优势就是速度。按照火星登陆计划，太空船和宇航员将在大约180天后飞抵火星。正电子动力太空船可能只需要90天左右就可抵达火星，甚至有可能在45天内完成。

科学问答

概念介绍
什么是反物质？
反质子、反中子和反电子如果像质子、中子、电子那样结合起来就形成了反原子。由反原子构成的物质就是反物质
当你照镜子时，镜中的那个你如果真的存在，并出现在你面前，会怎么样呢？科学家们已经考虑过这个问题，他们把镜中那个你叫做“反你”。科学家想象很远的地方有个和我们的世界很像的世界，它将是一个由反恒星、反房子、反食物等所有的反物质构成的反世界。反物质正是一般物质的对立面，而一般物质就是构成宇宙的主要部分。
正电子，反质子，反中子
什么是正电子，反质子，反中子？
正电子是反物质存在的第一个证据，电流中的电子和类似粒子都带有负电荷，而反电子则带有正电荷，因此科学家称它们为“正电子”。
1932年，美国科学家安德森发现了一种特殊的粒子。与之前发现的电子相比，其质量和带电量完全相同，但它带的是正电，而电子带的是负电。因此，这被称为正电子。正电子也就是电子的反粒子。正电子的发现，毫无疑问的引发了科学家们新的探索之旅，而就此，一个反物质的世界如同沉睡千年的地下宫殿逐渐呈现在人们眼前：1955年，反质子在美国的一家实验室中被发现，其后人们又发现了反中子。到上个世纪60年代，基本粒子中的反粒子差不多全被人们找到了。
终极能量
1928年著名物理学家狄拉克（Paul Dirac）提出了反物质理论，反物质和物质在构成上类似，但是基本粒子带电正好相反。如果反物质和物质相遇，则立刻发生湮灭，转变为能量。这种能量变化遵循爱因斯坦著名的公式E=mc^2。这使反物质成为最为高效的能源，仅仅少量的反物质就足以推动飞船跨越若干光年（light year，距离单位，光一年所能完成的路程）。
目前我们的主要问题是还不能预见喷射反物质的火箭的出现。NASA的科学家希望在未来30-40年该技术能够出现。另外，反物质在医学扫描领域也有很大的潜力。
威力强大
当反物质遇到物质的时候，这些等价但是相反的粒子碰撞产生爆炸，两者将在瞬间湮灭并产生巨大的能量。正是这种能量的完全转化使反物质变得如此强大。就算是原子弹爆炸时瞬间产生的核反应，也仅仅只有约3%的物质转化成能量。

首次发现

1979年，美国科学家把一个有60层楼高的巨大气球放到离地面35公里的高空，气球上载有一批十分灵敏的探测仪器，结果，它在高空猎取了28个反质子。这是在地球以外第一次发现的反物质。除此之外，还在星际空间发现了反物质流。
把眼光放远到整个银河系，要问的是：在这个由千亿个恒星构成的系统中，会有一部分是反恒星吗？今天人们也已能肯定地回答：不会有。我们从地面上能接收到太空中飞行的宇宙射线。观测统计表明，宇宙射线粒子中反质子仅是质子的万分之几，并且这少量的反质子是高能粒子碰撞的次级产物，而不是原始的，此外宇宙射线中有很少的 α 粒子（即氦核），但是反 α 粒子却一个也没有发现过，这些事实说明原初的宇宙射线是由正物质组成的。如果银河系中有反物质恒星，那么宇宙射线粒子将与它碰撞而发生湮灭。湮灭产生的 π 0介子将很快衰变而成 γ光子。因此这种湮灭过程是能够通过 γ 射线的观测来发现的。正是没能找到湮灭过程所放出的很有特征性的 γ 光子，使人们知道，银河系中并没有反恒星的存在，整个银河系都是由正物质组成的。
我们的宇宙是由大量星系构成的。若在远处有反物质组成的星系，原则上也能用同样的道理来发现。星系之间并不是真空，而是弥漫着很稀薄的气体。因此，若既有正物质星系又有反物质星系，那么正反物质必会相遇，相遇处必会有湮灭过程发生。人们着意地寻找了相应的 γ 射线，而没有找到过。于是得出结论：在三千万光年的范围内不会有巨大的反物质星系存在。若在更远的地方有这种湮灭发生，由于它的信号太弱而没有被发现是不能排除的。所以上述结论是今天的观测能力所能给出的回答。
在这样的结果面前，人们的看法分成了两种。一种认为宇宙中正反物质应当是等量的，需要的是从更远处去寻找反物质星系存在的证据。另一种认为事实已暗示，宇宙中没有大量的反物质存在，需要的是从宇宙的演化中去寻找造成今天没有反物质的原因。所以反物质飞船可能只是个梦。

寻找过程

1998年的夏天，美国宇航局把阿尔法磁谱仪送上了太空。它的主要目标之一是寻找宇宙射线中的反原子核。由于我国参与了这项研究，因此新闻媒体曾热心地宣传过它。美国著名华裔科学家丁肇中也正致力于此。
如果相信宇宙中有等量的物质和反物质，那么在三千万光年之外应有大范围的反星系区存在。在那里，原始的宇宙射线应是由反质子和反 α粒子组成的。那里的部分宇宙射线粒子会飞进我们这个由正物质构成的区域。由于星系际大部分地方很空旷，气体的密度约只有每立方米一个质子的质量。因此反原子核可自由地飞行很长的距离。这样，放置在地球大气层之外的磁谱仪就能接收到它。这就是阿尔法磁谱仪计划的基本想法。
上面已提到，实际测到的并不只是原始的射线粒子，它也包含由中途碰撞产生的次级粒子。因此当我们从宇宙射线中发现了反质子，它并不说明远处一定有反物质天体区存在。这些反质子完全可能是次级产生的。反原子核就不一样。它是由若干个反核子结合而成的复合体，所以不可能是碰撞产生的次级粒子。因此，如果能从宇宙射线中观测到那怕只有一个反 α粒子，它将是有力的证据，表明远处有反物质天体存在。阿尔法磁谱仪能同时准确地测定飞入仪器的粒子的质量和电荷。当太空中有反 α粒子飞入磁谱仪，它是容易被分辨出来的。这正是设计者所期望的事。现在阿尔法磁谱仪升空已有一年了，它接收到的信息正在陆续送回，其结果无疑非常令人关注。
若阿尔法磁谱仪的观测证实了远处有巨大的反物质区存在，那它肯定是一个里程碑式的成果。它的意义远不仅是证实了宇宙中有反物质天体，更重要的是它对物理学提出了严峻的挑战。在早期宇宙中，正反粒子必是混合的。按现有的物理理论，没有一种己知的作用力能使它们发生大范围的分离。因此，如果观测证实远处确有已被分离出去的大量反物质，物理学将需要突破性的变化。

不对称疑难

在多数理论家看来，宇宙中正反物质的大尺度分离是不可能发生的。因此，三千万光年的范围内没有反物质天体，已说明宇宙中大块的反物质是不存在的。但是理论家也相信，极早期宇宙中正反物质应当等量。这样，需要做的事是寻找物理机理，来说明宇宙如何才能从正反物质等量的状态过渡到正物质为主的状态。这里，理论家也遇到了非常尖锐的困难。
按照大爆炸理论，甚早期宇宙介质的温度非常高。粒子间的热碰撞会成对地产生任何基本粒子。当粒子的成对湮灭与成对产生达到统计平衡，宇宙介质就是一切基本粒子构成的混合气体，且任一种稳定或不稳定的粒子都有接近相等的数密度。至于重子和反重子的数目是否严格相等，这不是由物理规律决定，而是由初条件决定的。
在理论家看来，在最初的宇宙中正反粒子应当等量才自然。但是易于看出，若这想法是对的，重子的守恒性立即会给出与事实明显不符的推论。当宇宙的膨胀使气体温度降至10 13 K以下，由于粒子的热动能已不够，热碰撞成对产生重子已不可能。于是湮灭过程将使正反重子的数目同时迅速下降。最终，宇宙中将既没有重子，也没有反重子。这显然不是真实宇宙的情景。事实上，今天宇宙中光子的数目最多．重子的数目是它的十万万分之一左右，反重子的数目很可能还要低许多量级。如果重子数B的守恒性是严格的物理规律，要宇宙从正反重子等量的状态演化成今天这样的状态是不可能的。然后，理论家又不能相信在原始的宇宙中重子就会多于反重子，那么问题的出路在哪儿？
重子数B的守恒性肯定是严格成立的物理规律吗？至今难以计数的粒子实验确实没有发现过一个破坏重子数守恒的事例，但是这并不说明它一定是严格的规律。回顾一下化学的发展可作借鉴。化学反应是元素的重新组合。经验表明，在重组合的前后，每一种元素的原子数是守恒的，无数的化学实践表明没有例外。想把汞变金的炼金术的失败，更从反面提供了证明。但是有了核反应的知识后人们已清楚知道，汞变成金完全可能，关键在于要有高的能量让原子核发生变化。化学反应是在粒子能量小于1eV的条件下进行的，这条件下原子核不能相互接触，核反应就不能发生。若过程中粒子的能量超过1MeV，原子核之间就能充分接近，那么原子核就能变化了，原子数的守恒性也就随之破坏了。由此看来，原子数在化学过程中的守恒不是偶然的，但是它仅是低能下的唯象规律，而不是普遍成立的自然规律。借鉴同样的道理，重子数的守恒性也可能仅是一定能量范围的唯象规律，而不是普遍成立的。当粒子的能量更高，重子数的守恒性完全可能会不成立，这正是今天的理论家看到的出路。
从70年代中期起，粒子物理中由弱电统一理论的成功，掀起了研究相互作用大统一的潮流。按这样的理论，高能下发生破坏重子数守恒的过程是自然的事，粒子物理中的这一潮流与宇宙学解决正反物质不对称疑难的需要不谋而合了。于是这疑难问题作为粒子物理和宇宙学的交叉领域而得到了很多进展。人们已清楚，要从正反物质等量的早期宇宙演化出今天正物质为主的状态，除了重子数守恒须可能被破坏外，正反粒子的相互作用性质还必须有适量的差别。由于超高能下的粒子物理规律至今还没有被掌握，因此实际上自然界是否确实具备这两个要素，尚不能回答，人们正在试探和摸索之中，如果今天的宇宙中只有正物质天体是事实，问题是否能按这思路得到解决也还并不完全肯定。
总之，为彻底揭开宇宙反物质之谜，前面还有漫长路要走。人们已能预料，这问题的解决不仅对认识宇宙是重要的，它对物理学的影响也将是很深刻的。
《天使与魔鬼》（丹·布朗著）中所提到的
反物质是人类目前所知的威力最大的能量源。它能百分之百的效率释放能量（核裂变的几率是百分之一点五）。反物质不造成污染，也不产生辐射，一小滴反物质就可以维持整个纽约城全天的动能。
先别过于乐观，个中可隐藏着危机……
反物质极不稳定，它可以把接触到的任何东西化为灰烬……连空气也概莫能外。仅仅一克反物质就相当于4000多万吨当量的核炸弹的能量——比当年扔在广岛的那颗原子弹要强2000多倍。
当物质与反物质接触，原子最外层的电子因为所带电荷相反而抵消，原子核中的质子也因同样的原因相互抵消，而反中子因磁性与中子相反而与中子进行强烈的碰撞发出惊人的能量。爱因斯坦曾计算过这种完整的能量释放比率,跟这种完全的能量释放相比，核裂变核聚变就像划燃一根安全火柴一样微不足道。

相关事件

通古斯爆炸
一些科学发现，常常使人们目瞪口呆，难以置信。而正是这些难以置信的发现，推动了人们对客观世界的认识和科学的进步。反物质的发现就是这样。
1932年，美国科学家安德森发现了一种特殊的粒子，它的质量和带电量同电子一样，只是它带的是正电，而电子带的是负电。因此，人们称它为正电子。
正电子是电子的反粒子。
正电子的发现引起了科学界的震惊和轰动。它是偶然的还是具有普遍性?如果具有普遍性，那么其它粒子是不是都具有反粒子?于是，科学家们在探索微观世界的研究中又增加了一个寻找的目标。
1955年，在美国的实验室中反质子被找到了。后来，又发现了反中子。60年代，基本粒子中的反粒子差不多全被人们找到了。一个反物质的世界渐渐被科学家像考古般地"挖掘"了出来。
反物质的发现，使人们自然地联想起了本世纪的许多不解之谜。
最著名的是被称为"世纪巨谜"的通古斯大爆炸。1908年6月30日凌晨，俄国西伯利亚通古斯地区的泰加森林里，突然发生了一场剧烈的大爆炸。随着一道白光闪过和一声天崩地裂般的巨响，一片沉睡的原始森林顷刻化为灰烬。大火吞没了数百公里之内的城镇和生命，融化了冰层和冻土，引起山洪暴发、江河泛滥，仿佛"世界末日"到了。据估计，这次爆炸的威力相当于上百颗氢弹一齐爆炸!
通古斯爆炸震惊了全世界，"通古斯"也一夜之间名扬全球。由于西伯利亚的严寒和交通不便，直到1921年才由前苏联的一个研究小组第一次前去考察。以后世界上其他国家相继派团考察，但至今通古斯大爆炸之谜依然众说纷纭，莫衷一是。其中一种说法便认为是反物质引起的"湮灭"现象。因为这种能级的爆炸除非是流星或陨石坠落，否则无法解释，而那里却没有任何陨石碎块。
其他爆炸
1979年9月22日，美国的一颗卫星拍摄了发生在西非沿海一带的酷似强烈爆炸的照片，经分析，它的强度相当于一次核爆炸。当时，只有美、苏、英等少数几个国家拥有核武器，谁会到如此遥远的地方进行核试验呢?美国政府几经调查，否定了核爆炸的可能性，认为是卫星和陨石撞击使仪器发错了信号，但第二年，这颗卫星又在同一海域记录到了与上次相同的现象，令政界和科学界大惑不解。对坚持通古斯大爆炸是反物质"湮灭"现象的科学家来说，又多了一个论据。
1984年4月29日晚10时许，日本一架班机飞抵美国阿拉斯加时，副机长突然发现飞机的前方有一团巨大的"蘑菇云"，而且急速向四周扩散，天空一片灰蓝……与此同时，荷兰的一架班机和这条航线上的其他两架飞机也见到了这种现象。降落后，获悉消息的美国当局立即对这四架飞机及机上人员进行放射性污染测试，结果，没有发现任何放射性污染的痕迹。目击者十分肯定地说这是核爆炸产生的烟雾，因而留下了又一个本世纪的"爆炸之谜"。
反物质的研究者认为，宇宙中存在着我们看不见摸不着的"反物质世界"，它的基本属性同我们周围的世界正好相反。反物质的原子核是由反质子和反中子构成的"负核"，外有正电子环绕。反物质一旦同我们世界的"正物质"接触，便会在瞬间发生爆炸，物质和反物质变为光子或介子，释放巨大能量，产生"湮灭"现象。
"反物质说"虽然只是科学上的一种假说，还有待证实，但反粒子等"负性物质"是确实存在的，而且现在又发现了反氘、反氢、反氦等等一系列反物质。相信随着科学技术的不断发展和科学研究的不断深入，人们对反物质作用的认识一定会越来越深刻，反物质世界必将为人类做出应做的贡献。
概念介绍
世界上最大的科研机构，瑞士的欧洲原子核研究中心新近首次研究成功制造出几滴反物质。反物质与普通物质并并无二致，所不同的是，组成反物质的粒子与组成人们所熟知的一般物质电荷相反。
反物质是人类目前所知道的威力最大的能量源。它能以百分之百的效率释放能量（当然还要x2倍）。而
核裂变的效率是百分之一点五。反物质不造成污染，也不产生辐射，一小滴反物质就可以供应整个纽约城全天的动能。
先别过于乐观，其中可能隐藏着危机……
反物质极不稳定，它可以把接触到的任何东西都化为灰烬，连空气也概莫能外。仅仅一克反物质就相当于4000多万吨当量的核武器的能量——比当年扔在广岛的那颗原子弹要强2000多倍。
反物质直到最近生产量也只是微乎其微，每次只不过几滴。然而，“欧核中心”目前正在开发一种新型的反物子减速器，这是一种先进的反物质生产设备，这种设备有望大幅度提高反物质的生产能力。
一个严峻的问题摆在人们面前：这种极易爆炸的反物质是能为人类造福，还是会被用于制造有史以来毁灭性最强的武器？
保存方法
人民网2008年11月17日报道：今年九月，美国格林空军基地“革命性弹药”研发小组的负责人肯尼斯·爱德华兹，突然现身美国五角大楼，向美军高官汇报他的最新研究成果。肯尼斯·爱德华兹说： “我们在反物质武器的研究上已获得重大突破——我们成功研发了一种能长期有效储存反物质的容器，这意味着反物质的军事用途即将成为现实！”
反物质是英国科学家狄拉克（Paul　Adrie　Maurice　Dirac）于1928年根据
相对论： W2/C2-PR2-m2C2=0
和量子力学理论： [W2/C2-PR2-m2C2] Ψ=0
推测出来的，1933年12月12日，他因此获得诺贝尔物理学奖金。狄拉克注意到，在相对论方程和量子电动力学的方程中，质量都是成平方出现的，那就是说 m2=(m)(m)=(-m)(-m)，
现在，组成物质的12种基本粒子的全部反粒子都已经被科学家在加速器中找到。美国实验物理学家丁肇中领导的阿尔法磁谱仪----AMS被送到太空，就是为了寻找太空中的反物质以及由反物质组成的宇宙。因为反物质和物质相遇就会凐灭，所以反物质无法在自然界找到，必须要到太空深处去寻找。位于法国和瑞士边界，耗资80亿美元，由2000多名物理学家花费14年时间建造的大型强子对撞机---（LHC），已经在2008年9月10日首次运行，用来探索反物质和宇宙大爆炸开始后万亿分之一秒内宇宙中物质的组成。
根据宇宙大爆炸理论，爆炸形成的物质和反物质应该是对称的，可是我们的宇宙中物质和反物质却是不对称的。否则它们相互凐灭，也就不会有你我以及这宇宙和宇宙中的一切了。那么与我们的宇宙物质对称的反物质哪儿去了呢？1977年科学家们发现在银河系中心附近有一个可能的反物质源。如果那个地方真的存在，就意味着存在天然的反物质，也意味着人类直接从天然得到反物质的可能性。
物质和反物质在凐灭时会产生巨大的能量，并且不会象核弹那样产生放射线污染，所以被认为是一种最理想的清洁能源。但是科学往往都是一把双刃剑，可以造福人类，当然也可以给人类带来巨大的灾难。由几克反物质制造的炸弹就能毁灭地球，1克反物质产生的能量，就足以为23架航天飞机提供动力。
应用
可以从根本上改变能源供应的模式，将会是一场能源革命。但是由于目前是由加速器产生的高能粒子打击固定靶产生反粒子，再经减速合成的，此过程所需要的能量远大于湮灭作用所放出的能量，且生成反物质的速率极低，生产一千亿分之一克的反物质，需要耗资近60亿美元，因此尚不具有经济和应用价值。

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