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连载五:化学火箭之反物质火箭(组图)


http://www.sina.com.cn 2004年09月21日 14:37 解放军出版社
连载五:化学火箭之反物质火箭(组图)
捕集反物质的装置示意图
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连载五:化学火箭之反物质火箭(组图)
这是20世纪人对“太空时代”的理解,在21世纪的太空中应该有些什么?我们还不知道
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  核动力作为行星际火箭的能源基本上已经可以满足要求,但是恒星际宇宙飞行,如第一章中提到的飞向半人马座,靠速度为每秒100千米的火箭显然还是太慢了。如果想用10年时间到达半人马座α星(距离约4.3光年),平均速度需要达到0.5倍光速。然而随着火箭的速度接近光速,相对论效应将开始显现出来。这一效应是爱因斯坦最早指出的,他通过理论推演证明,当物体运动速度越来越快时,其质量也会变得越来越大。根据狭义相对论,物体的速度达到光速的0.75倍左右时,质量将会变成静止时的1.5倍。由于质量随速度的增大而增大,
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将火箭加速到亚光速会面临极大的困难。总之,即使利用热核反应堆一路加速,恐怕也无法使飞船在飞往半人马座的航程中达到0.5倍光速的平均速度,看来我们又得求助于另一种新能源了,它就是曾在科幻小说中无数次出现过的“反物质”。

  美国物理学家杰拉德·史密斯近十几年来一直在追寻反物质,他想用磁场把反物质“囚禁”在一种特殊容器中,以便利用反物质为燃料制造亚光速宇宙飞船。最早发现的反物质是反质子和反电子,物理学家们早就熟悉它们,并且意识到它们和构成我们身边物质的通常的基本粒子仅有极其微小但却是原则性的差别:它们和对应的基本粒子具有相同质量,但如果有电荷,必然和通常的基本粒子相反,如质子带正电,反质子就带负电;电子带负电,反电子则带正电(其实它最早就被称为正电子)。那些没有电荷的粒子,如中子,也有它们对应的反粒子,正反中子的区别在于自旋,这是一个表示粒子磁性的参数。几乎所有已知粒子的反粒子都被发现了,只有光子是个例外。物理学家论证了不存在反光子,因为反光子就是光子自己。各种成对的粒子与反粒子一旦相遇,便会在释放出γ射线、π介子和极大能量的同时同归于尽,这就是所谓“湮灭”效应。

  这一效应将被“湮灭”的两个粒子的质量几乎完全转化成能量,效率大大高于核裂变和核聚变。正反物质“燃烧”产生的能量大约是核燃料如U235的100倍,而且“湮灭”效应是自然发生的,并不需要像核聚变那样用难以想像的高温高压来“点火”。应用反物质发动机,把一艘质量为1000千克的飞船加速到0.1倍光速,经计算只需9000 克的反物质“燃料”。

  这样看来反物质火箭真的可以做到举重若轻了,但实际情况并不完全乐观。

  第一个问题是:怎样才能得到反物质。在杰拉德·史密斯从事研究的位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心,巨型加速器通过核反应每10分钟可以产生10亿个反质子。然而,反质子以0.1倍光速(每秒3万千米,如果要在10年里完成第一章中描述的探险飞行,“星际快帆”号只需要每秒飞行50千米左右)飞迸,大多数在被捕捉到之前就和加速器中的其他物质反应,湮灭掉了。为了捕集这些反质子,史密斯等使用了金属箔和气体减速器,以降低反质子的速度,并尝试将它们封闭在一个用磁场构成的容器内。如果他成功了,10分钟里就能捕集到100万个左右的反质子。遗憾的是,100万个反质子作为火箭燃料实在是杯水车薪微不足道,而且反质子是带电的粒子,彼此会产生排斥力,反质子的量越多,密度越大,用来约束它们的磁场也得越大。虽然利用超导材料产生强磁场并不算太难,但把这套装置搬到飞船上去却不容易,而且很可能会使飞船超重。如果让反质子与反电子结合,制成反氢原子,事情会稍微好点儿,至少它们不再互相排斥了,可储存它们仍然困难。为了防止与容器壁或其他物质接触而自发产生“湮灭”效应,反物质燃料箱必须抽成极高真空,且要采用非接触性的约束方式,如光压约束(即用强激光从各方向照射这些粒子)等,让反物质燃料远离器壁。因为,对带电粒子,利用电磁场可以很容易地实现非接触约束,仅在这一点上看,如果反物质燃料带电反倒有利。

  总之,只要能造出够多的反物质,储存它们应该还是不太困难的,但大量生产反物质的难题几乎无法解决。1996年1月,德国、意大利、瑞士等国科学家组成的国际研究小组宣布,利用欧洲核子研究中心的加速器,他们成功制造出了反氢原子。当时他们让反质子以高速运动,与氙气碰撞产生电子和正电子对,在正电子与反质子运动速度相当的情况下,就有可能组成反氢原子。在他们的实验中,反氢原子约存在了40纳秒(1纳秒为十亿分之一秒)。这一时间对某些研究似乎是足够了,但显然不能拿来生产火箭燃料。国际研究小组在欧洲核子研究中心用了三个星期时间只制造出9个反氢原子。即使有了杰拉德·史密斯提出的或许能在10年内问世的设施,每年也只能生产出1微克反物质,要把9千克反物质火箭燃料弄到手,得等90亿年。看来在发现或者发明高效率的反物质制备手段以前,此路不通。


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