什么是反物质推进火箭？

2025-02-09 03:15:05

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回答1：

目前，宇宙飞船普遍使用化学燃料作为发动机的能量来源，但这远远达不到人类深空探索和提升飞船速度的需求。而曾被人们寄予希望的可控核聚变技术的核动力飞船目前仍处于半科幻阶段。

另一个更为奇幻的设想是光帆推进技术，它由物理学家罗伯特·福沃德（Robert Forward）在1962年提出的。飞船无需携带燃料，而是携带一张巨大的光帆，位于月球的激光阵列发出高能激光聚焦到光帆上。理论上，该技术可使飞船最高速度达到光速的1/5。然而，这项脑洞大开的技术目前也只是在理念上存在，估计在22世纪末才可实现。

应用光帆技术探索深空的“摄星计划”发起人皮特·沃登（Pete Worden）认为，让深空探测变成现实的两个途径，一是将飞船做的更小一点，二是利用更高效的能源形成所需的推力。如何考虑发射一艘携带更多、更智能探测设备的飞船到外星球，他的答案是，依赖目前的物理学理论想要将一个小型飞行器以光速的1/5飞往太空，最有可能的途径就是利用反物质作为推进火箭的动力来源。

一、什么是反物质

第一个反物质粒子是1932年由美国物理学家卡尔·大卫·安得森（Carl David Anderson）发现的正电子。他在研究宇宙射线高能粒子时发现，当宇宙线和实验靶标作用后，可以产生一种看起来很像电子，但携带正电荷的粒子。他把这种粒子称为“正电子”。随后，人们又发现了反质子，这是一种和质子性质完全相同，却携带负电荷的粒子。人们把这些粒子统统称为“反物质粒子”，它们的质量、自旋等性质和构成我们日常世界的粒子相同，只是携带的电荷符号相反。

反物质是理论上最高效的燃料。因为，当反粒子和正粒子碰撞，就会相互毁灭，转化成高能光子，这个过程称为湮灭。

湮灭会使得百分之百的正反物质质量都转化成能量。它服从爱因斯坦质能方程E=mc^2，要比核聚变的效率还要高100倍以上。有学者计算，1克左右的正反物质湮灭所产生的能量，相当于3枚当年投向广岛的“小男孩”原子弹。

因此，反物质发动机的前景是非常诱人的，反物质充当飞行器燃料时就能够在宇宙中高速飞行了。只需要携带几克的反物质燃料，原则上就可以把一个小型机器人探测器加速到光速的1/10。

二、反物质在哪里

宇宙诞生初期，正反物质原则上应该成对出现，并随后完全转化为光子。但是如果正反粒子数目完全相同，我们的世界就无法诞生。我们的世界存在意味着大爆炸后正反物质相互湮灭之后的残余正物质构成了现在的宇宙。那么是否在空间某处存在一个完全由反物质构成的世界呢？

从经验看，地球附近不可能有大量的反物质存在，因为地球的大气层可以伸延得很高，如果地面附近有大量的反物质，我们将会看到非常强烈的湮灭和能量释放事件。同理，太阳一定也是由正物质构成的，因为太阳粒子——太阳风无时无刻不在吹打着地球表面，而并没有发生湮灭现象。可以肯定，太阳系内所有的天体都是由正物质构成的。

而太阳系外，恒星之间也同样充斥着星际介质，如果银河系有部分的恒星是由反物质构成的，那么我们应该在这个恒星和其他恒星之间看到剧烈的能量释放现象。但是，在遥远宇宙的某处，是否可能有一个小小的反物质世界，在那个世界的边界发生的湮灭现象由于距离我们太远而显得太微弱呢？

1996年，美籍华人物理学家丁肇中教授将一个巨大的永磁体发射到太空，这个永磁体被称为alpha磁谱仪。当带电粒子进入磁谱仪后，就可以测量它们的质量和电量，以帮助研究人员区分普通物质粒子和反物质粒子。如果在alpha 磁谱仪中发现一个反氦核，那将是实实在在的证据，预示着宇宙远处存在着一个完全有反粒子构成的世界。但至今为止，alpha 磁谱仪尚未有这样的发现。

为什么我们在宇宙中能够观测到如此之多的正物质，而只能观测到极少量的反物质。科学家的解释是——这是一种未被证明的理论——在大爆炸中产生的正物质和反物质只是近似地等量，正物质的总量稍多于反物质的总量。物理定律的某些方面使得这种不平衡在理论上还是可行的。正物质和反物质应该一起湮灭，但稍多一些的正物质在大湮灭之后幸存下来形成今天宇宙的一切。

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、正电子的技术。在大型加速器中将一束质子加速到极高能，并将其导向靶标。这样的质子的运动能量非常高，几十倍于它自己的静止质量，在和靶标的碰撞中，质子的动能就可能转化成新的粒子。这些粒子的种类很复杂，包括pi 介子、k 介子、质子，同时会产生少量的反质子。

设在瑞士的欧洲联合核子物理中心CERN（Conseil Europeenn pour la Recherché Nucleaire，又名欧洲粒子物理实验室）早在20世纪80年代就可以用这样的方式制造大量的反质子。反质子在产生后速度的大小和方向都不相同，如果想要将这些反质子收集起来，就需要想办法将它们冷却到同样的速度，并且将它们导向储存器。

一个简单的储存反物质的方法是将它们导入一个磁场中，这样它们可以在磁场中回旋运动。1987年，美国公布的反物质推进器调查报告称，当时他们收集到的反质子数目有几万亿（10^12）。

加速器中的实验说明了，在模拟大爆炸的温度下，能量是可以产生粒子和反粒子的。也就是正物质和反物质最初产生的由来。

四、如何储存反物质

反质子是带电粒子，可以用一个磁场加以约束。CERN 用来积累反物质的约束器体积非常大，其中的反物质密度极其稀薄，如果想要将反物质用于火箭发动机，就必须将其冷却到固体物态达到普通物质密度，才能更有效地储存。

安全储存也是反物质推进器最大的困难之一。19世纪的炸药专家可能认为硝酸甘油是最危险的爆炸物，只需在石头上涂上几滴，用锤子一敲就可以爆炸。但这种危险性相比反物质来说就小巫见大巫了。反物质必须悬浮储存在真空容器中，完全隔绝和普通物质的接触，一般认为可以通过磁场或者电场的约束来实现。这种储存方式在少量的普通物质上已经得到测试，但安全性还需认真考察。

五、反物质推进火箭的前景

早在1953年，德国火箭科学家Eugen Sanger 就提出可以用反物质推进宇宙飞船，后来以反物质为燃料的火箭成为了科幻小说家喜爱的星际运载工具。

科学家认为，正、反物质的湮灭将释放巨大的能量，是效率最高的燃料。比较一下每1000克火箭发动机燃料的效果，化学反应可以产生1x10^7焦耳的能量，核裂变产生8x10^13焦耳，核聚变产生3x10^14焦耳，而反物质的湮灭能够产生9x10^16焦耳，是太阳核心热核反应的300倍。这种反物质推进火箭的比冲量是最高的，像航天飞机那么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，大大减轻航天器自重。

科学家认为，使用反物质推进火箭只需17克反物质就可以加速到光速的1/10，从地球到半人马座-Alpha星（距离地球4.37光年）只需40年时间。不过要制取反物质并不容易，大量制取反物质尚需时日，目前的方法还是利用大型对撞机，所以成本十分昂贵。

现在，反物质推进系统、反物质引擎的制造仍面临障碍。例如，反物质的状态不稳定，接触到储存容器将发生一场灾难性核爆炸。科学家设想，由正反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，最后打在前面的“帆板”上折向后方，让两部分物质共同推动飞船前进。乐观估计，速度达到0.4倍光速的反物质推进的飞船将在未来50年内成为现实。

有趣的是，如果未来飞船技术可以让速度非常接近光速，但根据相对论原理，飞船上的时间流逝会变得非常缓慢。在地球上的人看来，这样的飞船经过千万年才飞到银河系中心，但对于飞船上的宇航员来说，或许仅仅过了区区数天。有朝一日，当他们在有生之年飞出银河系探索广袤宇宙时，地球上的人类或许早已灭绝。

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