宇宙中最高效的能源反物质

宇宙中最高效的能源 反物质

宇宙中最高效的能源 反物质

自从1955年时，西格里(Emilio Gino Segre，1905-1989)和张伯伦(Owen Chamberlain，1920-)发现反质子以来，反物质一直是科学界最关心的话题之一。按照对称的观念来想想，所有的微观粒子都有各自的反粒子。那么反质子、反中子和反电子也能结合起来就形成了反原子，再由反原子组成反物质，反物质和物质一旦相遇，就相互吸引、碰撞而100%的转化为光并释放出巨大的能量，这个过程叫做湮灭。湮灭过程会释放出正、反物质中蕴涵的所有静质量能，这能量可以根据根据爱因斯坦著名的质能关系式??E=mc求得。科学家们认为宇宙大爆炸早期曾产生了数量相当的物质和反物质，随后发生的物质和反物质的湮灭消耗掉了绝大部分的正、反物质，遗留下的少部分正物质构成了现如今的物质世界。那么正物质为什么会少于反物质呢?原因就可能是由于宇称的不守恒，而且在粒子对撞实验中发现正粒子和反粒子的衰变也是有所不同的。

反物质是相当有用的物质，可以用作星际航行的燃料等，这是效率最高的燃料。我们可以比较一下每公斤星际飞船发动机燃料的效果，很理想的化学反应可以产生1×10的7次方焦耳的能量，核裂变产生8×10的13次方焦耳，核聚变产生3×10的14次方焦耳，而反物质的湮灭能产生9×10的16次方焦耳，是氢氧化学反应的1百亿倍，太阳核心热核反应的300倍。这种飞船的比冲量将是最高的，而推重比也可能是最高的，一片阿司匹林那么大的反物质同物质湮灭产生的能量足以让一艘飞船巡弋数百光年，而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。那么在太阳系内旅行只需要几毫克反物质，如果要去比邻星的话则需要几公斤。此外，反物质发动机的一个好处是反物质的湮灭可以自

发产生，不需要象核发动机中的核反应那样需要许多条件，所以就不需要很大的反应堆，可以减轻飞船重量。

目前人们已经在实验室中制造出了为数众多的反原子。反物质可以由加速器产生的高能粒子打击固定靶产生反粒子，再经减速合成的，由于重子数的守恒性，两个质子相碰是不会产生一个包含三个重子的系统的，一般会产生若干个质子或中子，还有若干个介子，P+P?N+N+N+N'+若干π介子，N代表中子或质子，N'反中子或反质子。此过程所需要的能量远大于湮灭作用所放出的能量，

且生成反物质的速率极低，生产一千亿分之一克的反物质，需要耗资近60亿美元，在1999年如果想制造1克反物质的话，需要花费625亿美元。因此尚不具有经济和应用价值。

1995年欧洲核子中心的科学家在实验室中制造出了世界上第一批反物质--反氢原子。1996年，美国的费米国立加速器实验室成功制造出7个反氢原子，存在了40纳秒。到1998年欧洲核子中心一小时已经能生产2000个反氢原子了。2000年9月18日，欧洲核子研究中心宣布他们已经成功制造出约5万个低能状态的反氢原子，这是人类首次在实验室条件下制造出大批量的反物质。现在全球每年才能制造出1百亿分之一克的反物质，这点反物质还不够加热一杯咖啡。宇宙中有没有反物质呢?1997年4月，美国天文学家宣布他们利用伽马射线探测卫星发现，在银河系上方约3500光年处有一个不断喷射反物质的反物质源，它喷射出的反物质形成了一个高达2940光年的\反物质喷泉\。但是消息未得到最后确认。目前，各国的科学家都在积极寻找宇宙中的反物质。

另外一个障碍是储存，因为反物质只要遇到正物质立刻就会湮灭爆炸，所以我们无法使用任何正物质制作的容器来存放它，现在都是通过磁场来保存这些反物质基本粒子。使用最多的是超冷真空的彭宁离子阱(Penning trap)，这种可以便携运输的反质子存放装置，利用迭加电磁场来存放质子，但正电子难以用这种方式存

放。美国宇航局和宾州州立大学的科学家们已经能用彭宁离子阱来存放10的10次方个反质子一个星期，下一阶段是进展到10的12次方个，可要满足反物质推进的需要，估计需要存放10的20次方个反质子。

由于反物质遇到正物质会很湮灭，所以寿命太短暂可，比如正反μ介子只能存在百万分之几秒钟，而正反π介子大约只能存在一亿分之二点五秒，寿命如此短暂的物质显然无法作为燃料。除了带电的之外，还有不带电的，如反中子、反中微子之类，以反中子为例，它虽然和普通中子一样都不带电荷，但一个反中子经过β衰变后就变成一个反质子，而不是一个带正电的质子，我们可以据此区分它们，不过这样不带电的粒子以目前的手段无法有效储存(甚至更糟糕，以我们目前的手段都无法直接观测到它们，而是通过湮灭间接观测)，所以同样也不适合作为燃料。最后能够候选的还是反质子和反电子。因为正电子和负电子湮灭只产生高能γ射线，这种高能γ射线是无法控制发射方向的，所以不适合作飞船燃料。而质子和反质子湮灭时，并不立即产生γ射线，而是产生

3到7个介子，通常情况是3个带电介子和2个中性介子，其中中性介子几乎立刻转化成高能γ射线，而带电介子是有一定寿命的，正常半衰期是28纳秒，但由于它们以光速94%的速度移动，所以半衰期延长到70纳秒，并在衰变完毕前平均前进24米。是带电的就好办，我们就可以使用磁场控制它们的方向，让它们同推进剂发生作用。这些带电介子包含了湮灭的60%的能量，而这就是我们可以利用的能量。

图2NASA研发中的反物质飞船 图2NASA研发中的反物质飞船

美国国家航天局正在研究反物质发动机，那么在太阳系内旅行只需要几毫克反物质(反质子)，如果要去比邻星的话则也只需要几公斤。在现有的发物质发动机的设计方案有粒子束核心(Beam Core):直接一对一地湮灭，然后以磁场控制带电介子