反物質火箭

通常粒子和反粒子相互接觸，兩者瞬間湮滅，全部質量轉化為光之類的能量，這種反應稱為雙消滅反應。利用這種反應釋放出的能量作為火箭推進劑的火箭就是反物質火箭。

基本介紹

• 中文名：反物質火箭
• 外文名：anti-matter rocket
• 燃料：反物質

簡介

構成世界的物質可以細分到原子。原子是由較重的原子核和電子構成的以質子和中子組成的原子核位於原子的中心，電子像雲一樣包圍著原子。這些都稱為基本粒子，物質世界是由它們組成的物理學上有對稱的概念。例如，質子和電子就分別帶著同樣大小的正電荷和負電荷，這是非常對稱的。但是，令科學家困惑不解的問題是：
質子的質量卻是電子質量的1800倍，這是不對稱的。同時，科學家們在研究原子結構時，又遇到了“負能態空穴”難題，即根據原 子理論計算，出現了能量為負數的結果。這個“負能態空穴”又是如何產生的？

直到1933年美國物理學家安德遜發現了反電子，這個問題才得到初步解決。人們逐漸認識到，在那些基本粒子中，還存在一種完全對稱的“反”基本粒子！帶負電荷的電子對稱存在質量相等的帶負電荷的反電子；帶正電荷的質子對稱存在質量相等的帶負電荷的反質子；中子對稱存在反中子。但是，這些反粒子只能存在於宇宙射線中，不能在自然界中存在，科學家們通過加速器高能實驗的方法，可以人工生成極少量且只能在極短的時間存在的反粒子。

反粒子或反粒子組成的反物質不能存在於我們周圍是有道理的。因為通常粒子和反粒子(或通常的物質和反物質)一旦接觸，兩者就會瞬間消滅，全部質量轉化為光之類的能量。這種反應稱為雙消滅反應，據科學家們推測 ，宇宙大爆炸時每生成300億顆反粒子，就會同時產生 300億零1顆正粒子。在大爆炸發生後的百萬分之一秒內 ，正 反粒子因發生雙消滅反應，相互湮滅了，而剩下的就是多出的那一丁點正物質。這小小的剩餘(其實總正粒子數仍 異常巨大)演變成現今我們熟知的宇宙。

正反粒子雙消滅反應的事實使得著名的愛因斯坦方程式E=mc²完全得到證實。這個反應放出的能量相當於核裂變反應的1000倍。如果把這種巨大的能量用於火箭推進，就可以成為反物質火箭。

新型燃料

現在火箭推進使用的是化學燃料，它能變換成能量的質量不過是總質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% 轉化為能量的結果。如果全部氫都轉化為能量，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，就能達到百分之百轉換成能量的目的。一毫克反物質(反氫燃料)與通常物質(氫燃料)反應時放出的能量，相當於四 噸液態氧和液態氫燃料。

科幻小說中，大多數自主型恆星飛船使用反物質做燃料，原因是反物質是最具潛力的燃料。要想把人類送上火星，需要成千上萬噸的化學燃料，但是如果以反物質為燃料的話，僅僅幾十毫克的反物質（一毫克約為一塊方糖重量的千分之一）就能幫助人類實現登上火星的夢想，而且只需要6周時間。 以前的反物質太空船設計使用反質子，它們在湮滅時會產生危害性的高能伽馬射線，所以可行性不大。新設計將採用正電子，正電子產生的伽馬射線能量比反質子低400倍，從而可以避免產生這種極具放射性污染的副作用。

面臨挑戰

先進理念研究所正對此展開初步研究，不過目前還面臨一個技術挑戰，那就是生產正電子價格過於昂貴。在太空中，宇宙射線中高速粒子可以通過相互碰撞產生反物質。而在地球上，我們卻需要通過粒子加速器來生產反物質，NIAC首席研究員史密斯說，“據粗略估計，以現在的技術來為人類火星之旅生產正電子，每生產10毫克正電子將耗資約2.5億美元”。 另一個挑戰就是如何在小型空間內儲存足夠的正電子。因為它們會吞食正常物質，所以無法把它們裝入瓶子，只能存放在電磁場內。科學家們正致力於研究開發克服這些挑戰的方法，假如他們的努力實現，也許未來人類真的可以藉助科幻小說里描述的能源遨遊太空。

“”彭寧收集器”是荷蘭科學家 彭寧於1936年發明的。它的奧秘是利用電磁場而不是普通容器那種堅固的外壁 來限制和擠壓其內的粒子。這個電磁場使普通電子的運轉速度降低到幾乎是靜止的狀態，或者說是“冷靜”下來，然 後再把反質子送進收器。當反質子通過一大群“冷”電子時，它們也會慢下來。這有些像一個滾木通過一堆靜止的桌球時會逐漸減慢而停下一樣。

當然，達到這個水平距實用階段還差很遠很遠。目前，最先進的反質子收集器還只能貯存72.1萬個反質子，而質子的質量為 1 吉電子伏，即約五億億億萬分之一克。構想中的反質子火箭需反質子1毫克，也就,是需要50萬億億個反質子。所以，即使正在製造的能裝10億反質子的收集器獲得成功，這還是一個容量極小的容器。

光速飛行

當乘坐一艘反物質動力火箭飛船，從地球抵達最鄰近的毗鄰星只需要 6 年時間，這個恆星距離地球 4.2 光年。但是當太空人乘坐反物質火箭飛船穿越太空時，需要克服一個問題——反物質是一種有限補給的物質。

美國麻省理工學院科技評論 arXiv 網站的部落格指出，大型強子對撞機 1 千年時間才能製造出 1 微克反物質。
西儲學院附屬高級中學的羅南-基恩和肯特州立大學資深研究員張偉明(音譯)暫且不考慮反物質的供給問題，最新進行一系列計算測試，計畫研製的反物質火箭能夠達到最佳化性能。他們在物理學 arXiv 期刊上指出，反物質將是一種潛在的燃料來源，正常情況下，釋放 1 公斤湮滅反物質和正物質所釋放的能量是燃燒 1 公斤碳氫化合物釋放能量的 20 億倍，或者是 1 公斤核裂變反應堆燃料釋放能量的1000多倍。

這項最新計算測試是在軟體輔助下更好地理解大型強子對撞機的粒子特徵，大型強子對撞機能夠碰撞質子和反質子流。 該軟體可實現比之前更為複雜精密的發動機設計。結果表明可使火箭飛船達到光速的 70%，這比之前
研究小組設計火箭飛船所達到的 33%光速有顯著的提高。

arXiv 網站的部落格解釋稱，像這樣的反物質火箭飛船可以使用磁場偏移帶電粒子形成一種 “湮滅” 現象。因此，一個重要的因素是如何有效地用磁場引導這些微粒偏離引擎噴口。 當反物質與世界中的 “正物質” 混合接觸
時，會在瞬間發生爆炸，反物質和正物質變成光子或者介子，產生 “湮滅” 現象。目前，像這樣的火箭飛船發動機或將成為現實，未來將進一步拓展反物質燃料套用。 對於未來反物質火箭飛船的毗鄰星太空之旅，當接近以光速飛行，時空並不會移動得這樣快，這種現象叫做相對論效應。這意味著雖然此次太空旅行地球時鐘會運行大約 6 年，但看上去僅像 4.3 年。

三大優勢

正電子動力太空船與現在美國的火星登入計畫相比將有幾個方面的優勢。

優勢1：旅途更安全 美國火星登入計畫正提議使用核反應堆為火星太空船提供動力。但是核反應堆相當複雜，在火星之旅中很多潛在的問題可能會導致核反應堆發生故障。而正電子反應堆能像核反應堆一樣為太空船提供充足動力，並且其結構相當簡單。

優勢2：不會產生殘留物 採用核燃料作為動力的太空船在其核燃料用完之後所產生的核廢料仍具有放射性。如果使用正電子反應堆，在其燃料耗盡之後則不會產生殘留物，因此即使殘留正電子反應堆偶然進入地球大氣層也不會引發安全方面的擔憂。

優勢3：45天內可達火星 正電子反應堆另一個重要優勢就是速度。按照火星登入計畫，太空船和太空人將在大約180天后飛抵火星。正電子動力太空船可能只需要90天左右就可抵達火星，甚至有可能在45天內完成。

科學問答

反物質？什麼是反物質？反質子、反中子和反電子如果像質子、中子、電子那樣結合起來就形成了反原子。由反原子構成的物質就是反物質當你照鏡子時，鏡中的那個你如果真的存在，並出現在你面前，會怎么樣呢？科學家們已經考慮過這個問題，他們把鏡中那個你叫做“反你”。科學家想像很遠的地方有個和我們的世界很像的世界，它將是一個由反恆星、反房子、反食物等所有的反物質構成的反世界。反物質正是一般物質的對立面，而一般物質就是構成宇宙的主要部分。

正電子，反質子，反中子 什麼是正電子，反質子，反中子？ 正電子是反物質存在的第一個證據，電流中的電子和類似粒子都帶有負電荷，而反電子則帶有正電荷，因此科學家稱它們為“正電子”。 1932年，美國科學家安德森發現了一種特殊的粒子。與之前發現的電子相比，其質量和帶電量完全相同，但它帶的是正電，而電子帶的是負電。因此，這被稱為正電子。正電子也就是電子的反粒子。正電子的發現，毫無疑問的引發了科學家們新的探索之旅，而就此，一個反物質的世界如同沉睡千年的底下宮殿逐漸呈現在人們眼前：1955年，反質子在美國的一家實驗室中被發現，其後人們又發現了反中子。到上個世紀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——反物質推動 1928年著名物理學家狄拉克提出了反物質理論，反物質和物質在構成上類似，但是基本粒子帶電正好相反。如果反物質和物質相遇，則立刻發生湮滅，轉變為能量。這種能量變化遵循愛因斯坦著名的公式E=MC²。這使反物質成為最為高效的能源，僅僅少量的反物質就足以推動飛船跨越若干光年（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見噴射反物質的火箭的出現。NASA的科學家希望在未來30-40年該技術能夠出現。另外，反物質在醫學掃描領域也有很大的潛力。