什么是反物质火箭?
另一个更荒诞的想法是光帆推进技术,它是由物理学家罗伯特?转发建议在1962。飞船不需要携带燃料,而是携带一个巨大的帆。月球上的激光阵列发射高能激光,并将其聚焦在船帆上。理论上,这项技术可以使飞船的最大速度达到1/5光速。不过这种脑洞大开的技术目前只存在于概念上,估计要在22世纪末才能实现。
利用光帆技术探索深空?明星拍摄计划?创始人皮特?皮特·沃登(Pete Worden)认为,有两种方法可以让深空探测成为现实,一种是让飞船变得更小,另一种是利用更高效的能量形成所需的推力。如何考虑向另一个星球发射搭载更多更智能探测设备的航天器?他的回答是,以1/5光速的速度将小型飞行器飞向太空,最有可能的方法是利用反物质作为推进火箭的动力源。
一、什么是反物质?
第一个反物质粒子是1932由美国物理学家卡尔?大卫?卡尔·大卫·安德森发现正电子。在研究宇宙射线的高能粒子时,他发现当宇宙射线与实验目标相互作用时,可以产生看起来像电子但带正电荷的粒子。他称这种粒子为?正电子?。随后,反质子被发现,这是一种与质子性质完全相同的粒子,但带有负电荷。人们称所有这些粒子为?反物质粒子?它们的质量、自旋和其他属性与构成我们日常世界的粒子相同,但它们携带相反的电荷符号。
反物质理论上是最高效的燃料。因为当反粒子和正粒子碰撞时,它们会互相毁灭,变成高能光子。这个过程叫做湮灭。
湮灭会使正负物质的质量100%转化为能量。它服从爱因斯坦质能方程E = MC ^ 2,比核聚变的效率高100倍。有学者计算过,约1克的正负物质湮灭产生的能量相当于当年投在广岛的三块?小男孩?原子弹。
所以反物质发动机的前景非常诱人,反物质作为飞机燃料可以在宇宙中高速飞行。原则上,一个小型机器人探测器只需携带几克反物质燃料,就可以加速到光速的1/10。
第二,反物质在哪里
在宇宙诞生初期,正负物质原则上应该是成对出现的,然后完全转化为光子。但如果正负粒子数量完全相同,我们的世界就无法诞生。我们这个世界的存在,意味着大爆炸后正负物质相互湮灭后剩余的正物质,构成了现在的宇宙。那么在太空的某个地方是否存在一个完全由反物质构成的世界呢?
从经验来看,地球附近不可能有大量的反物质,因为地球的大气层可以延伸得很高。如果地面附近有大量反物质,我们将会看到非常强烈的湮灭和能量释放事件。同样,太阳也一定是由正物质构成的,因为太阳粒子?太阳风一直吹在地球表面,没有湮灭。可以肯定的是,太阳系的所有天体都是由正物质构成的。
在太阳系之外,恒星也充满了星际介质。如果银河系中的一些恒星是由反物质构成的,那么我们应该会看到这颗恒星和其他恒星之间的剧烈能量释放。但是,在遥远的宇宙中的某个地方,有没有可能存在一个很小的反物质世界,而那个世界边界的湮灭现象因为离我们太远而太弱?
1996年,美籍华人物理学家丁肇中教授向太空发射了一块巨大的永久磁铁。这种永久磁铁被称为阿尔法磁谱仪。当带电粒子进入磁谱仪时,可以测量它们的质量和电量,帮助研究人员区分普通物质粒子和反物质粒子。如果在阿尔法磁谱仪中发现了反氦核,这将是有形的证据,表明在宇宙的远方存在着一个完全由反粒子组成的世界。但到目前为止,阿尔法磁谱仪还没有这样的发现。
为什么我们能观测到宇宙中那么多的正物质,而只有极少量的反物质?科学家的解释是什么?这是一个未经证实的理论?大爆炸中产生的正物质和反物质只是近似相等,正物质的总量略多于反物质的总量。物理定律的某些方面使得这种不平衡在理论上可行。正物质和反物质应该一起湮灭,但是多一点的正物质在大湮灭中幸存下来形成了今天宇宙的一切。
第三,如何获得反物质
在地球上,高能物理学家已经掌握了制造反质子和正电子的技术。在大型加速器中,一束质子被加速到极高的能量并射向目标。这种质子的动能非常高,是其自身静态质量的几十倍。在与目标的碰撞中,质子的动能可能转化为新的粒子。这些粒子的类型非常复杂,包括π介子、K介子和质子,还会产生少量的反质子。
欧洲研究委员会?Nucleaire(又称欧洲粒子物理实验室)早在20世纪80年代就可以通过这种方式产生大量的反质子。反质子产生后的速度和方向是不一样的。如果你想收集这些反质子,你需要找到一种方法来冷却它们到相同的速度,并引导它们到存储。
储存反物质的一个简单方法是将它们引入磁场,使它们可以在磁场中旋转。1987年,美国公布的反物质推进器调查报告说,他们当时收集的反质子数量有几万亿(10 12)。
加速器中的实验表明,在模拟宇宙大爆炸的温度下,能量可以产生粒子和反粒子。那首先是正物质和反物质的起源。
第四,如何储存反物质
反质子是可以被磁场抑制的带电粒子。CERN用来积累反物质的约束体体积很大,反物质密度极薄。如果你想在火箭发动机中使用反物质,你必须将其冷却到固态,达到普通物质的密度,以便更有效地储存它。
安全储存也是反物质推进器最大的难点之一。19世纪的炸药专家可能认为硝化甘油是最危险的炸药。只需在石头上滴几滴,用锤子敲一下。但这种危险在反物质面前相形见绌。反物质必须悬浮储存在真空容器中,与普通物质完全隔绝接触,一般认为这是通过磁场或电场约束来实现的。这种存储方法已经在少量普通物质上进行了测试,但其安全性需要仔细调查。
动词 (verb的缩写)反物质推进火箭的前景
早在1953年,德国火箭科学家欧根·桑格(Eugen Sanger)就提出飞船可以用反物质推进,后来反物质燃料的火箭成为科幻小说家最喜欢的星际交通工具。
科学家认为,正负物质的湮灭会释放出巨大的能量,是最高效的燃料。比较每1000 g火箭发动机燃料的作用,化学反应可产生1x10 7焦耳,核裂变可产生8X10 13焦耳,核聚变可产生3x10 14焦耳,反物质湮灭可产生。这种反物质推进的火箭比冲最高,像航天飞机那样巨大的燃料箱和推进器中的燃料完全可以用100毫克的反物质代替,大大减轻了飞船的自重。
科学家认为,用反物质推动火箭,仅用17克反物质就能加速到光速的1/10,从地球到-α半人马座(距离地球4.37光年)只需40年。但是,生产反物质并不容易,大量生产反物质还需要时间。目前该方法仍然使用大型对撞机,因此成本非常昂贵。
现在,反物质推进系统和反物质发动机的制造仍然面临障碍。比如反物质的状态是不稳定的,接触到储存容器就会发生灾难性的核爆炸。科学家假设正负物质湮灭产生的能量一部分从船尾喷出,另一部分从船头喷出,最后打到前方?帆板向后折叠,这样物质的两部分就可以一起推动飞船前进。乐观估计,未来50年,速度为0.4倍光速的反物质推进航天器将成为现实。
有趣的是,如果未来的飞船技术可以让速度非常接近光速,根据相对论原理,飞船上的时间流逝会变得非常缓慢。在地球人看来,这样的飞船飞到银河系中心需要几千年,但对于飞船上的宇航员来说,可能只需要几天。有一天,当他们在有生之年飞出银河系探索浩瀚宇宙的时候,地球上的人类可能已经灭绝了。