正反粒子雙消滅反應(yīng)所釋放的能量相當(dāng)于核裂變反應(yīng)的1000倍，如果把這種巨大的能量用于火箭推進(jìn),宇宙飛船就能以光速1/10的巡航速度飛往太空。

簡介

構(gòu)成世界的物質(zhì)可以細(xì)分到原子。原子是由較重的原子核和電子構(gòu)成的以質(zhì)子和中子組成的原子核位于原子的中心，電子像云一樣包圍著原子。這些都稱為基本粒子，物質(zhì)世界是由它們組成的物理學(xué)上有對稱的概念。例如，質(zhì)子和電子就分別帶著同樣大小的正電荷和負(fù)電荷，這是非常對稱的。但是，令科學(xué)家困惑不解的問題是：

質(zhì)子的質(zhì)量卻是電子質(zhì)量的1800倍，這是不對稱的。同時(shí)，科學(xué)家們在研究原子結(jié)構(gòu)時(shí)，又遇到了“負(fù)能態(tài)空穴”難題，即根據(jù)原子理論計(jì)算，出現(xiàn)了能量為負(fù)數(shù)的結(jié)果。這個(gè)“負(fù)能態(tài)空穴”又是如何產(chǎn)生的？

直到1933年美國物理學(xué)家安德遜發(fā)現(xiàn)了反電子，這個(gè)問題才得到初步解決。人們逐漸認(rèn)識(shí)到，在那些基本粒子中，還存在一種完全對稱的“反”基本粒子！帶負(fù)電荷的電子對稱存在質(zhì)量相等的帶負(fù)電荷的反電子；帶正電荷的質(zhì)子對稱存在質(zhì)量相等的帶負(fù)電荷的反質(zhì)子；中子對稱存在反中子。但是，這些反粒子只能存在于宇宙射線中，不能在自然界中存在，科學(xué)家們通過加速器高能實(shí)驗(yàn)的方法，可以人工生成極少量且只能在極短的時(shí)間存在的反粒子。

反粒子或反粒子組成的反物質(zhì)不能存在于我們周圍是有道理的。因?yàn)橥ǔＡＷ雍头戳Ｗ?- 或通常的物質(zhì)和反物質(zhì)一旦接觸，兩者就會(huì)瞬間消滅，全部質(zhì)量轉(zhuǎn)化為光之類的能量。這種反應(yīng)稱為雙消滅反應(yīng)，據(jù)科學(xué)家們推測，宇宙大爆炸時(shí)每生成300億顆反粒子，就會(huì)同時(shí)產(chǎn)生300億零1顆正粒子。在大爆炸發(fā)生后的百萬分之一秒內(nèi)，正反粒子因發(fā)生雙消滅反應(yīng)，相互湮滅了，而剩下的就是多出的那一丁點(diǎn)正物質(zhì)。這小小的剩余 - 其實(shí)總正粒子數(shù)仍異常巨大演變成現(xiàn)今我們熟知的宇宙。

正反粒子雙消滅反應(yīng)的事實(shí)使得著名的愛因斯坦方程式E=mc2完全得到證實(shí)。這個(gè)反應(yīng)放出的能量相當(dāng)于核裂變反應(yīng)的1000倍。如果把這種巨大的能量用于火箭推進(jìn)，就可以成為反物質(zhì)火箭。

新型燃料

現(xiàn)在火箭推進(jìn)使用的是化學(xué)燃料，它能變換成能量的質(zhì)量不過是總質(zhì)量的十億分之一左右。我們知道氫彈的威力一一那是把作為核炸藥的氫的0.7%轉(zhuǎn)化為能量的結(jié)果。如果全部氫都轉(zhuǎn)化為能量，一顆同樣

大小的氫彈的破壞力將是上述情況的140倍！如果使用反物質(zhì)，就能達(dá)到百分之百轉(zhuǎn)換成能量的目的。一毫克反物質(zhì) - 反氫燃料與通常物質(zhì) - 氫燃料反應(yīng)時(shí)放出的能量，相當(dāng)于四噸液態(tài)氧和液態(tài)氫燃料。

科幻小說中，大多數(shù)自主型恒星飛船使用反物質(zhì)做燃料，原因是反物質(zhì)是最具潛力的燃料。要想把人類送上火星，需要成千上萬噸的化學(xué)燃料，但是如果以反物質(zhì)為燃料的話，僅僅幾十毫克的反物質(zhì)（一毫克約為一塊方糖重量的千分之一）就能幫助人類實(shí)現(xiàn)登上火星的夢想，而且只需要6周時(shí)間。以前的反物質(zhì)太空船設(shè)計(jì)使用反質(zhì)子，它們在湮滅時(shí)會(huì)產(chǎn)生危害性的高能伽馬射線，所以可行性不大。新設(shè)計(jì)將采用正電子，正電子產(chǎn)生的伽馬射線能量比反質(zhì)子低400倍，從而可以避免產(chǎn)生這種極具放射性污染的副作用。

面臨挑戰(zhàn)

先進(jìn)理念研究所正對此展開初步研究，不過目前還面臨一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)，那就是生產(chǎn)正電子價(jià)格過于昂貴。在太空中，宇宙射線中高速粒子可以通過相互碰撞產(chǎn)生反物質(zhì)。而在地球上，我們卻需要通過粒子加速器來生產(chǎn)反物質(zhì)，NIAC首席研究員史密斯說，“據(jù)粗略估計(jì)，以現(xiàn)在的技術(shù)來為人類火星之旅生產(chǎn)正電子，每生產(chǎn)10毫克正電子將耗資約2.5億美元”。另一個(gè)挑戰(zhàn)就是如何在小型空間內(nèi)儲(chǔ)存足夠的正電子。因?yàn)樗鼈儠?huì)吞食正常物質(zhì)，所以無法把它們裝入瓶子，只能存放在電磁場內(nèi)?？茖W(xué)家們正致力于研究開發(fā)克服這些挑戰(zhàn)的方法，假如他們的努力實(shí)現(xiàn)，也許未來人類真的可以借助科幻小說里描述的能源遨游太空。

“”彭寧收集器”是荷蘭科學(xué)家彭寧于1936年發(fā)明的。它的奧秘是利用電磁場而不是普通容器那種堅(jiān)固的外壁來限制和擠壓其內(nèi)的粒子。這個(gè)電磁場使普通電子的運(yùn)轉(zhuǎn)速度降低到幾乎是靜止的狀態(tài)，或者說是“冷靜”下來，然后再把反質(zhì)子送進(jìn)收器。當(dāng)反質(zhì)子通過一大群“冷”電子時(shí)，它們也會(huì)慢下來。這有些像一個(gè)滾木通過一堆靜止的乒乓球時(shí)會(huì)逐漸減慢而停下一樣。

當(dāng)然，達(dá)到這個(gè)水平距實(shí)用階段還差很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)。目前，最先進(jìn)的反質(zhì)子收集器還只能貯存72.1萬個(gè)反質(zhì)子，而質(zhì)子的質(zhì)量為1吉電子伏，即約五億億億萬分之一克。設(shè)想中的反質(zhì)子火箭需反質(zhì)子1毫克，也就,是需要50萬億億個(gè)反質(zhì)子。所以，即使正在制造的能裝10億反質(zhì)子的收集器獲得成功，這還是一個(gè)容量極小的容器。

光速飛行

當(dāng)乘坐一艘反物質(zhì)動(dòng)力火箭飛船，從地球抵達(dá)最鄰近的毗鄰星只需要6年時(shí)間，這個(gè)恒星距離地球4.2光年。但是當(dāng)宇航員乘坐反物質(zhì)火箭飛船穿越太空時(shí)，需要克服一個(gè)問題——反物質(zhì)是一種有限補(bǔ)給的物質(zhì)。

美國麻省理工學(xué)院科技評(píng)論arXiv網(wǎng)站的博客指出，大型強(qiáng)子對撞機(jī)1千年時(shí)間才能制造出1微克反物質(zhì)。

西儲(chǔ)學(xué)院附屬高級(jí)中學(xué)的羅南-基恩和肯特州立大學(xué)資深研究員張偉明 - 音譯暫且不考慮反物質(zhì)的供給問題，最新進(jìn)行一系列計(jì)算測試，計(jì)劃研制的反物質(zhì)火箭能夠達(dá)到最佳化性能。他們在物理學(xué)arXiv期刊上指出，反物質(zhì)將是一種潛在的燃料來源，正常情況下，釋放1公斤湮滅反物質(zhì)和正物質(zhì)所釋放的能量是燃燒1公斤碳?xì)浠衔镝尫拍芰康?0億倍，或者是1公斤核裂變反應(yīng)堆燃料釋放能量的1000多倍。

這項(xiàng)最新計(jì)算測試是在軟件輔助下更好地理解大型強(qiáng)子對撞機(jī)的粒子特征，大型強(qiáng)子對撞機(jī)能夠碰撞質(zhì)子和反質(zhì)子流。該軟件可實(shí)現(xiàn)比之前更為復(fù)雜精密的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。結(jié)果表明可使火箭飛船達(dá)到光速的70%，這比之前研究小組設(shè)計(jì)火箭飛船所達(dá)到的33%光速有顯著的提高。

arXiv網(wǎng)站的博客解釋稱，像這樣的反物質(zhì)火箭飛船可以使用磁場偏移帶電粒子形成一種“湮滅”現(xiàn)象。因此，一個(gè)重要的因素是如何有效地用磁場引導(dǎo)這些微粒偏離引擎噴口。當(dāng)反物質(zhì)與世界中的“正物質(zhì)”混合接觸時(shí)，會(huì)在瞬間發(fā)生爆炸，反物質(zhì)和正物質(zhì)變成光子或者介子，產(chǎn)生“湮滅”現(xiàn)象。目前，像這樣的火箭飛船發(fā)動(dòng)機(jī)或?qū)⒊蔀楝F(xiàn)實(shí)，未來將進(jìn)一步拓展反物質(zhì)燃料應(yīng)用。對于未來反物質(zhì)火箭飛船的毗鄰星太空之旅，當(dāng)接近以光速飛行，時(shí)空并不會(huì)移動(dòng)得這樣快，這種現(xiàn)象叫做相對論效應(yīng)。這意味著雖然此次太空旅行地球時(shí)鐘會(huì)運(yùn)行大約6年，但看上去僅像4.3年。

三大優(yōu)勢

優(yōu)勢1：旅途更安全美國火星登陸計(jì)劃正提議使用核反應(yīng)堆為火星太空船提供動(dòng)力。但是核反應(yīng)堆相當(dāng)復(fù)雜，在火星之旅中很多潛在的問題可能會(huì)導(dǎo)致核反應(yīng)堆發(fā)生故障。而正電子反應(yīng)堆能像核反應(yīng)堆一樣為太空船提供充足動(dòng)力，并且其結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡單。

優(yōu)勢2：不會(huì)產(chǎn)生殘留物采用核燃料作為動(dòng)力的太空船在其核燃料用完之后所產(chǎn)生的核廢料仍具有放射性。如果使用正電子反應(yīng)堆，在其燃料耗盡之后則不會(huì)產(chǎn)生殘留物，因此即使殘留正電子反應(yīng)堆偶然進(jìn)入地球大氣層也不會(huì)引發(fā)安全方面的擔(dān)憂。

優(yōu)勢3：45天內(nèi)可達(dá)火星正電子反應(yīng)堆另一個(gè)重要優(yōu)勢就是速度。按照火星登陸計(jì)劃，太空船和宇航員將在大約180天后飛抵火星。正電子動(dòng)力太空船可能只需要90天左右就可抵達(dá)火星，甚至有可能在45天內(nèi)完成。

科學(xué)問答

反物質(zhì)？什么是反物質(zhì)？反質(zhì)子、反中子和反電子如果像質(zhì)子、中子、電子那樣結(jié)合起來就形成了反原子。由反原子構(gòu)成的物質(zhì)就是反物質(zhì)當(dāng)你照鏡子時(shí)，鏡中的那個(gè)你如果真的存在，并出現(xiàn)在你面前，會(huì)怎么樣呢？科學(xué)家們已經(jīng)考慮過這個(gè)問題，他們把鏡中那個(gè)你叫做“反你”。科學(xué)家想象很遠(yuǎn)的地方有個(gè)和我們的世界很像的世界，它將是一個(gè)由反恒星、反房子、反食物等所有的反物質(zhì)構(gòu)成的反世界。反物質(zhì)正是一般物質(zhì)的對立面，而一般物質(zhì)就是構(gòu)成宇宙的主要部分。

正電子，反質(zhì)子，反中子什么是正電子，反質(zhì)子，反中子？正電子是反物質(zhì)存在的第一個(gè)證據(jù)，電流中的電子和類似粒子都帶有負(fù)電荷，而反電子則帶有正電荷，因此科學(xué)家稱它們?yōu)椤罢娮印薄?932年，美國科學(xué)家安德森發(fā)現(xiàn)了一種特殊的粒子。與之前發(fā)現(xiàn)的電子相比，其質(zhì)量和帶電量完全相同，但它帶的是正電，而電子帶的是負(fù)電。因此，這被稱為正電子。正電子也就是電子的反粒子。正電子的發(fā)現(xiàn)，毫無疑問的引發(fā)了科學(xué)家們新的探索之旅，而就此，一個(gè)反物質(zhì)的世界如同沉睡千年的底下宮殿逐漸呈現(xiàn)在人們眼前：1955年，反質(zhì)子在美國的一家實(shí)驗(yàn)室中被發(fā)現(xiàn)，其后人們又發(fā)現(xiàn)了反中子。到上個(gè)世紀(jì)60年代，基本粒子中的反粒子差不多全被人們找到了。終極能量——反物質(zhì)推動(dòng)1928年著名物理學(xué)家狄拉克提出了反物質(zhì)理論，反物質(zhì)和物質(zhì)在構(gòu)成上類似，但是基本粒子帶電正好相反。如果反物質(zhì)和物質(zhì)相遇，則立刻發(fā)生湮滅，轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰?。這種能量變化遵循愛因斯坦著名的公式E=MC2。這使反物質(zhì)成為最為高效的能源，僅僅少量的反物質(zhì)就足以推動(dòng)飛船跨越若干光年（距離單位，光一年所能完成的路程）。目前我們的主要問題是還不能預(yù)見噴射反物質(zhì)的火箭的出現(xiàn)。NASA的科學(xué)家希望在未來30-40年該技術(shù)能夠出現(xiàn)。另外，反物質(zhì)在醫(yī)學(xué)掃描領(lǐng)域也有很大的潛力。