[科普中国]-反物质火箭

简介

构成世界的物质可以细分到原子。原子是由较重的原子核和电子构成的以质子和中子组成的原子核位于原子的中心，电子像云一样包围着原子。这些都称为基本粒子，物质世界是由它们组成的物理学上有对称的概念。例如，质子和电子就分别带着同样大小的正电荷和负电荷，这是非常对称的。但是，令科学家困惑不解的问题是：
质子的质量却是电子质量的1800倍，这是不对称的。同时，科学家们在研究原子结构时，又遇到了“负能态空穴”难题，即根据原 子理论计算，出现了能量为负数的结果。这个“负能态空穴”又是如何产生的？

直到1933年美国物理学家安德逊发现了反电子，这个问题才得到初步解决。人们逐渐认识到，在那些基本粒子中，还存在一种完全对称的“反”基本粒子！带负电荷的电子对称存在质量相等的带负电荷的反电子；带正电荷的质子对称存在质量相等的带负电荷的反质子；中子对称存在反中子。但是，这些反粒子只能存在于宇宙射线中，不能在自然界中存在，科学家们通过加速器高能实验的方法，可以人工生成极少量且只能在极短的时间存在的反粒子。

反粒子或反粒子组成的反物质不能存在于我们周围是有道理的。因为通常粒子和反粒子(或通常的物质和反物质)一旦接触，两者就会瞬间消灭，全部质量转化为光之类的能量。这种反应称为双消灭反应，据科学家们推测 ，宇宙大爆炸时每生成300亿颗反粒子，就会同时产生 300亿零1颗正粒子。在大爆炸发生后的百万分之一秒内 ，正 反粒子因发生双消灭反应，相互湮灭了，而剩下的就是多出的那一丁点正物质。这小小的剩余(其实总正粒子数仍 异常巨大)演变成现今我们熟知的宇宙。

正反粒子双消灭反应的事实使得著名的爱因斯坦方程式E=mc2完全得到证实。这个反应放出的能量相当于核裂变反应的1000倍。如果把这种巨大的能量用于火箭推进，就可以成为反物质火箭。1

新型燃料现在火箭推进使用的是化学燃料，它能变换成能量的质量不过是总质量的十亿分之一左右。我们知道氢弹的威力一一那是把作为核炸药的氢的0.7% 转化为能量的结果。如果全部氢都转化为能量，一颗同样大小的氢弹的破坏力将是上述情况的140倍！如果使用反物质，就能达到百分之百转换成能量的目的。一毫克反物质(反氢燃料)与通常物质(氢燃料)反应时放出的能量，相当于四 吨液态氧和液态氢燃料。2

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伽马射线，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比反质子低400倍，从而可以避免产生这种极具放射性污染的副作用。

面临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2.5亿美元”。 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，所以无法把它们装入瓶子，只能存放在电磁场内。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。3

“”彭宁收集器”是荷兰科学家 彭宁于1936年发明的。它的奥秘是利用电磁场而不是普通容器那种坚固的外壁 来限制和挤压其内的粒子。这个电磁场使普通电子的运转速度降低到几乎是静止的状态，或者说是“冷静”下来，然 后再把反质子送进收器。当反质子通过一大群“冷”电子时，它们也会慢下来。这有些像一个滚木通过一堆静止的乒乓球时会逐渐减慢而停下一样。

当然，达到这个水平距实用阶段还差很远很远。目前，最先进的反质子收集器还只能贮存72.1万个反质子，而质子的质量为 1 吉电子伏，即约五亿亿亿万分之一克。设想中的反质子火箭需反质子1毫克，也就,是需要50万亿亿个反质子。所以，即使正在制造的能装10亿反质子的收集器获得成功，这还是一个容量极小的容器。2

光速飞行当乘坐一艘反物质动力火箭飞船，从地球抵达最邻近的毗邻星只需要 6 年时间，这个恒星距离地球 4.2 光年。但是当宇航员乘坐反物质火箭飞船穿越太空时，需要克服一个问题——反物质是一种有限补给的物质。

美国麻省理工学院科技评论 arXiv 网站的博客指出，大型强子对撞机 1 千年时间才能制造出 1 微克反物质。
西储学院附属高级中学的罗南-基恩和肯特州立大学资深研究员张伟明(音译)暂且不考虑反物质的供给问题，最新进行一系列计算测试，计划研制的反物质火箭能够达到最佳化性能。他们在物理学 arXiv 期刊上指出，反物质将是一种潜在的燃料来源，正常情况下，释放 1 公斤湮灭反物质和正物质所释放的能量是燃烧 1 公斤碳氢化合物释放能量的 20 亿倍，或者是 1 公斤核裂变反应堆燃料释放能量的1000多倍。

这项最新计算测试是在软件辅助下更好地理解大型强子对撞机的粒子特征，大型强子对撞机能够碰撞质子和反质子流。 该软件可实现比之前更为复杂精密的发动机设计。结果表明可使火箭飞船达到光速的 70%，这比之前
研究小组设计火箭飞船所达到的 33%光速有显著的提高。

arXiv 网站的博客解释称，像这样的反物质火箭飞船可以使用磁场偏移带电粒子形成一种 “湮灭” 现象。因此，一个重要的因素是如何有效地用磁场引导这些微粒偏离引擎喷口。 当反物质与世界中的 “正物质” 混合接触
时，会在瞬间发生爆炸，反物质和正物质变成光子或者介子，产生 “湮灭” 现象。目前，像这样的火箭飞船发动机或将成为现实，未来将进一步拓展反物质燃料应用。 对于未来反物质火箭飞船的毗邻星太空之旅，当接近以光速飞行，时空并不会移动得这样快，这种现象叫做相对论效应。这意味着虽然此次太空旅行地球时钟会运行大约 6 年，但看上去仅像 4.3 年。4

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。

优势1：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。

优势2：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。

优势3：45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。

科学问答反物质？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底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——反物质推动 1928年著名物理学家狄拉克提出了反物质理论，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=MC2。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（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。2