如何制造反物质发动机？ 科学家设想将反物质作终极动力源
本帖最后由 天道无极 于 2012-6-6 11:56 编辑http://www.yuzhoutanmi.cn/html/WuZhi/FanWuZhi/434.html
http://www.skylook.org/info/info/info_10058.html
转自宇宙探秘网/星友空间站
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看反物质能否成为未来太空事业的终极动力
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NASA马歇尔太空飞行中心研究人员开发的未来反物质动力火箭的假想草图
新视野
即将到来的数十年里，人类发射新型高科技探测器前往近地星球探索的消息无疑会越来越多，而那些距离地球仅数光年的行星亦将陆续被人类一一打量，这也是未来宇航探索的目标所在。
在完成这些目标的过程中，人们不会忘记去观察达尔文的进化论是否能在其他星球上也发挥着和在地球上一样的巨大作用——换句话说，试图寻找地外生命。
尽管人类制造的太空望远镜已越来越强悍，但科学家们认为：短时间内或许还不能用它们直接观察到外星生物，最好还是能在显微镜下观测到那些奇异的、处于低级状态的外太空生命痕迹，而这就需要我们的飞船有足够的动力抵达另一个行星系统。
现在，越来越多关于反物质研究的文章意图说明：人类可以将反物质作为一种新型燃料之源。我们想知道这一结论背后，究竟是可望可及的事实，还是自由奔放的臆测？
科幻是负责任的天马行空
反物质的概念是英国物理学家保罗·狄拉克最早提出的。他在20世纪30年代预言，每一种粒子都应该有一个与之相对的反粒子，例如反电子，其质量与电子完全相同，而携带的电荷正好相反。
我们都知道当正物质(普通物质)与反物质相互接触时，会发生湮灭并释放出大量的伽马射线。可以说，这种稍一接触就大爆炸的变态效果，乃是科幻小说家最津津乐道的题材之一。
在著名的《星际迷航》系列电影中，反物质是一种燃料(其作为燃料动力系统的工作原理也需要利用正反物质相互湮灭而释放能量)，“企业”号宇宙飞船可实现曲速飞行、超光速抵达宇宙中任何一个地方，都仰仗于它的反物质动力系统。
尽管这只是科幻作品中的一个情节，但负责任的科学家们推断，要进行恒星际宇宙航行时需要携带相当多的反物质，如果是对另一个行星系统进行考察并登陆，那么还需要携带足够的反物质燃料用于减速。据粒子物理学家的计算，如果一艘恒星际宇宙飞船重量为100吨，设计速度为光速的40%，则其必须携带的反物质质量要相当于80艘超级油轮的装载量。不过，如果能将最大速度降低为光速的25%，需携带的反物质燃料质量也会大幅降低。
除作为燃料外，在畅销书作家丹·布朗所撰写的《天使与魔鬼》中，描述了欧核中心(CERN)的科学家从大型强子对撞机(LHC)中提取出足够量的反物质用于制造威力巨大的炸弹。由于该书中借用了太多真实场景(甚至包括对CERN花园的描写)与毫不夸张的科学数据，那颗藏匿在罗马的反物质炸弹给读者带来了相当逼真的震撼——能以百分之百的效率释放能量，0.25克就足以“将梵蒂冈从地球上抹去”。
尽管书名《天使与魔鬼》另有它意，却同时也描述出了反物质的两极性格——轻松的能量来源，轻易地毁灭世界。只不过，即使只是制造和保存微量反物质也是件非常困难和耗资巨大的事情——试想它一接触任何常规物质制造的容器壁，就会瞬息湮灭。因此若谈到制造超级武器，更是距离现实非常遥远。
“在科学技术的力量到达之前，我们已经到达了那些世界。”这就是科幻的真实含义。它符合现在绝不可能兼未来一定要有可能这两个基本条件。反物质在科幻作品的“虚”中，扮演了相当重要的角色，那它在科学世界的“实”里，情况又如何？
理论探索一贯喜中掺忧
在实验室里，科学家对反物质相对比较了解，可惜现在的宇宙环境中却没有很多反物质。在这些“微乎其微”中，最早被人们发现的就是正电子，而在所有反粒子中，最容易获得的也是正电子。
对于现在的宇宙而言，人类无疑非常幸运——早期宇宙中虽然存在大量的反物质，但是正物质的含量却比反物质稍微多了一点。正是如此幸运的“一点点”，导致此后的宇宙在演化中逐渐形成了现在我们所看到的恒星、行星，也包括我们自己，所有的普通物质。
在宇宙学中，对解释今天宇宙中“物质—反物质比”的一则极其重要的理论，就是“CP破坏”。现在，通过一系列有理的假设，宇宙学家可以得出在宇宙诞生的大爆炸后数秒内的极端状况下，由“CP破坏”所导致的普通物质数量超过反物质数量的结论。根据其描述，如果有一个由反物质构成的星系出现，那么作为普通物质的人类，最好还是远离它。
然而，由于有“电子—正电子”这对最适合研究正反物质结合的系统存在，其在碰撞湮灭过程中所释放出来的能量，是可以根据爱因斯坦的质能方程E=mc2算出的，这使得现在越来越多的研究认为：反物质的确可以是新型燃料之源。
但是，在这项新构想真正付诸实施之前，人们必须解决反物质数量稀少的问题。按照麻省理工大学《技术评论》的估算，大型强子对撞机工作1000年，或者说仅通过目前的粒子物理加速器技术尚需花费1000年，才能够制造出1微克可作为燃料的反物质。
如此看来，对反物质的理论探讨并没给其实际应用带来更多的希望之光，反倒凭添掣肘，颇有“人问寒山道，寒山道不通”的意味。
不过，另一点必须看到的是，在人类建造的加速器里，质子束在以每10年4个数量级的速度提高着。更巧合的是，曾经服役于美国国家航空航天局(NASA)的航天飞机机队，于过去的数十年间使用的液态氢量也呈现相似的增长趋势。美国《探索》杂志5月末一篇文章指出，有部分粒子物理学家认为，到了本世纪中期，微克级的反氢产量可能出现指数式增长。
现实研究保持阔步前行
2011年，欧核中心的物理学家将捕获的反氢原子保持了1000秒。这个时间并不长，但对于主持反氢激光物理装置项目的科学家来说，却是4个数量级的重大突破——他们此前的记录是捕获了38个反氢原子并保持了172毫秒，那其实已是从更早期的百万分之一秒量级提高到十分之一秒的量级了——而2011年的实验成功将309个反氢原子保持到1000秒，从而为更深入观测反物质争取了宝贵的时间，也为进一步证明反物质属性铺平了道路。
在实验室之外，国际合作研制的PAMELA(反物质探测和轻核天体物理载荷)探测卫星在地球磁场中发现了反质子的存在。2011年12月，NASA的费米伽马射线天文望远镜以最新数据证实了宇宙存在着过量的反物质，而本次结果是在2008年PAMELA卫星捕捉的一次非同寻常的反物质信号的基础上完成的。
为了寻找更加无可置疑的证据，一个相当值得依靠的探测器——丁肇中领导、耗资22亿美元研制的“阿尔法磁谱仪2”(AMS-02)已于去年5月发送到了国际空间站。这台被称为“科学之未来”的强大仪器，拥有巨型磁铁可用于解析宇宙射线，兼而探测正电子的过量和骤降，同时标示出地球轨道上的反粒子。
AMS-02拥有的是远比费米望远镜更高的能量探测范畴，因此也被视为可对反物质谜案作出“结案陈词”的科学利器。而最近的研究发现，巨大的行星，如木星，其磁场中应该存在着比地球更多的反质子。
当前的趋势是，科学家开始越来越感兴趣从宇宙空间中寻找新的反物质来源，而不仅是从相对低效率的加速器上获得了。因为如果获取到的反物质微量到连一杯咖啡都热不了，更别提去驱动《星际迷航》中的星舰“企业”号了。
另辟蹊径挑战终极可能
在反物质供给问题暂时陷入僵局的情况下，科学家们也选择了从其他方向继续推进该项研究。
美国微软全国广播公司(MSNBC)在线版本月一帧消息称，西储学院附高的罗南·基恩和肯特州立大学高级研究员张伟明(音译)，设计出一套全新的计算方法用以验证反物质火箭性能的优异，其结论是：若以反物质为动力推进火箭，则可接近光速。
这项最新的研究指出，在未来，一种以正、反物质的混合物为推进器燃料的火箭，能够在宇宙中以光速的70%左右飞行。这意味着，借助这种新型物质发射火箭，人类前往离地球最近的4.2光年之外的半人马座约只需要6年时间。
据研究者基恩与张伟明阐述，所谓的“湮灭”现象，是当普通物质与反物质混合接触的瞬间发生的爆炸，反物质和正物质由此变成光子或者介子。而由湮灭迸发出的巨大能量，正是他们“反物质火箭”研究的理论基点——听起来和“企业”号星舰的动力原理类似。而据发表于物理学网站arXiv上的文章称，1公斤正反物质相互作用时所释放的能量，是同等重量核反应堆燃料的1000多倍，更是同等重量碳氢化合物的20亿倍。
此二人的研究借助了一款用以帮助展示大型强子对撞机内粒子活动状况譬如质子和反质子流的计算机软件。他们认为该软件现在可以用来设计更精密复杂的飞船引擎。而最终，基恩与张伟明的分析结果显示，反物质火箭的速度完全能够达到光速的70%，这比之前其他研究小组33%光速的成果有了非常显著的提高。
arXiv网站对此作了相关解读：反物质火箭发动机的工作原理是借助磁场的力量来导流湮灭发生时产生的带电粒子。这项技术的关键点是保证和提高磁场引导粒子流从引擎喷口逸出的效率。arXiv网站认为，一旦反物质发动机成为现实，寻找反物质燃料的工作就可以从理论研究进入到实质性阶段。现有研究已经证实，在地球周围的外太空，存在大量被地球磁场捕获的反物质。
有趣的是，当反物质火箭真正投入使用之后，乘客们还必须开始习惯所谓的相对论效应——当接近以光速飞行，时空并不会移动得这样快。简单地说，从地球到半人马座的旅行，地球时钟会走了大约6年的时间，但实际感觉只过了不到4年半而已。
尽管目前这一切听起来更像是异想天开，但伟大如爱因斯坦也曾认为，并无迹象表明核能将被人类利用，那么看似不可能的反物质燃料发动机，又为什么不会在一个世纪内成为终极动力呢？ (记者_张梦然)
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反物质简介
1928年英国物理学家狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac)首先从理论上提出了存在反物质的假说，认为存在和构成普通物质的基本粒子质量相等但电荷相反的基本粒子，并有由这样的基本粒子构成的反物质。仅仅4年后，这个假说就得到验证，加州理工的安德森(Carl David Anderson)发现了正电子，即电荷为正的电子的存在；1955年在美国伯克利高能质子稳相加速器上，研究人员制造出了第一个反质子，即电荷为负的质子；欧洲原子核研究委员会的研究人员又制造出了第一个反原子，他们造出了9个反氢原子，存在了40纳秒(也称毫微秒)；到1998年他们一小时已经能生产2000个反氢原子了。现在，反物质正在医学领域发挥效用，用在正子放射断层扫描仪(PET scanner)中。不过制造反物质代价昂贵，在1999年如果想制造1克反物质的话，需要花费625亿美元。
需要说明的是，反物质的基本粒子不仅仅包括正电子和反质子，而是多种多样的，例如反μ介子、反π介子等等，它们是和对应的正基本粒子电荷相反的基本粒子，但它们的寿命太短暂，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。
由于反物质和物质如果相遇，将会湮灭，正反物质的质量将全部转化为能量，按照爱因斯坦的质能公式E=mc2释放巨大的能量，就目前所知道的所有物理反应而言，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1×107焦耳的能量，核裂变产生8×1013焦耳，核聚变产生3×1014焦耳，而反物质的湮灭能产生9×1016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。
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。因此，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，而以反物质为燃料的飞船其后也成为科幻小说作家喜爱的星际运输工具。
不过，若想把理想变为现实，还有许多困难要克服。首先是制造它太消耗能量了，因为我们目前还没有其他制造反物质的办法，所以只能把湮灭过程反过来，使用粒子加速器，根据爱因斯坦的质能转换公式从能量中制造出反物质(以基本粒子的形态产生)。由于这个原因，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。
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)，这是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。
如果我们能在上述两方面取得突破性进展，就可以使用以反物质作为燃料的发动机来进行星际旅行了。我们并不需要达到原子级别的反物质，只要将基本粒子(亚原子)级别的反物质注入发动机让它同正物质反应一同湮灭就可以了。因此，我们就有两个选择，是用正电子还是反质子作燃料？
这倒不难选择，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。
反物质发动机的设计方案主要有四种，在这里按照比冲量从低到高列出
1) 固体核心：湮灭在一个固体核心的热交换装置内进行，产生的热量将氢推进剂加到高热，然后从喷口喷出，效率和推力都比较高，但由于原材料的原因，比冲量最多只能达到1,000秒；
2) 气体核心：让反物质同氢推进剂直接反应湮灭，产生的带电介子以磁场控制并将氢推进剂加到高热，但这样会产生一些无法控制的γ射线，比冲量能达到2,500秒；
3) 离子浆核心：以比较多的反物质注入氢推进剂并湮灭产生高热的离子浆，并以磁场来容纳它们，然后将离子浆喷出产生推力，这样同样会产生一些无法控制的γ射线，但这种方式不受原材料的限制，比冲量可以很高，大约在5,000秒到10万秒之间；
4) 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并把它们直接从喷口喷射出去，由于这些介子的运动速度接近光速，发动机比冲量可能要超过1千万秒。因为湮灭产生的带电介子在衰变后变成半衰期更长的带电μ介子，所以这个办法完全可行。而且这个方式只需要反物质燃料，不需要推进剂，可以极大地减少飞船的负载。
由于湮灭的产物是以接近光速运动的，所以飞船必须造得很长。
预计使用粒子束核心反物质发动机的飞船从地球飞到火星只需要24个小时到2个星期(取决于地球和火星在公转中的相对位置)，而要让目前的使用化学火箭发动机，则需要1到2年。
我们回到制造和储存反物质的问题上，如果使用粒子束核心反物质发动机的话，需要几毫克反物质来在太阳系内旅行，如果要去比邻星的话则需要几公斤，这远远超过了我们的制造能力。但在存放方面我们倒取得不少进展，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1010个反质子一个星期，下一阶段是进展到1012个，可要满足反物质推进的需要，估计需要存放1020个反质子。
不过，科技进步的路子从来都不只一条，如果我们一时不能在制造和储存方面取得进展的话，也可以想办法减少反物质燃料的使用量。这种方式就是将反物质的湮灭和核反应结合，我前面介绍星际冲压发动机的时候，在结尾也提到了这种方式。
这种方式可以相互取长补短，由于反物质昂贵而且难以储存，所以少用反物质，多用核燃料；而由于核反应，尤其是进行热核反应的要求条件太高，所以用能够自然发生的反物质湮灭来触发核反应。这种结合的方式虽然比纯粹的反物质发动机产生的功率小，但毕竟更接近实际，从而容易实现。
需要注意的是，下面介绍的方法是不能用来发电的，因为输入的电量远大于输出的电量。但在宇航方面关心的是推力，而不是输入输出能量的经济性，所以不要紧。
1) ICAN-II
ICAN-II(ion compressed antimatter nuclear II)是由宾州州立大学的反物质太空推进小组(Antimatter Space Propulsion team)设计的，这种方式使用了反物质和核裂变的结合，用反物质来引发裂变。方法是让反质子撞击裂变物质的原子核，并同原子核里面的质子湮灭，产生的能量将使原子核分裂，其最终产生的能量要比普通的核裂变要大，估计去火星旅行一番需要140毫微克(1毫微克等于10亿分之1克)的反物质，远远少于粒子束核心反物质发动机的消耗量。
2) AIM之星
AIM是反质子触发微裂变/聚变的缩写(Antiproton Initiated Microfission/fusion)，按照宾州州立大学的设想，如果有了比ICAN-II中能得到的稍微多一点的反物质，就可以朝粒子束核心反物质发动机的方向前进一步，用反物质来加强裂变，从而加热聚变燃料引发聚变。这种发动机对反物质的需要量增加了，但需要的裂变物质比较少，而且有比ICAN-II更高的比冲量，大约在61,000秒左右。他们把按这种方式设计的飞船称为AIM之星(AIMStar)，如果能有30-130微克(1微克等于1/1000毫克)的反物质，AIM之星探测飞船能在50年内飞到欧特云。
3) 聚变和反物质的结合
同样，这是把反物质在比较近的时期投入使用的尝试，不过需要比AIM方式再多一些的反物质。只有有足够的反物质，我们就可以完全抛弃裂变过程，直接用反物质湮灭产生的能量来触发惯性约束聚变，而不必象前面介绍惯性约束聚变时那样使用激光。估计使用这种发动机，我们能在1个月以内到达火星。
美国宇航局马歇尔飞行中心(Marshall Flight Centre)的研究人员期望，上述技术能在30-40年之内成熟并获得应用。
此外，同样有人设想将反物质湮灭同核反应结合，并用类似猎户座的爆炸的方式来推进，正在美国航空航天局下属的NIAC资助下研究反物质发动机的Hbar Technologies公司就设计了如下图所示的飞船。
显然，Hbar公司设计的飞船和猎户座一样有个推进盘，不过这个推进盘是在前方，而且直径只有15英尺(5米)，这种反物质飞船结构相当紧密。飞船向推进盘喷出反物质，反物质粒子和推进盘碰撞产生爆炸，而物质和反物质湮灭时将和帆上薄薄的铀235涂层作用，产生少量的核裂变。这两个反应组合起来能产生最大的爆炸，用这种方法加速，Hbar公司设计的飞船在四个月里能达到每秒116公里。
这项研究的目的就是设计出一个小型飞船用以携带探测器，初步计划是在发送一个探测器并使之在10年内到达柯伊伯带。而这个公司到目前为止的成就显示，可以利用30毫克的反氢在10年内将一个载有小质量仪器的探测飞船送到距离太阳250天文单位远的地方；而根据初步测算，使用几克反物质则可以把同样大小的探测器在40年内送到比邻星。
顶顶顶顶顶顶顶顶顶顶::070821_09.jpg:: gohomeman1 发表于 2012-6-6 21:43 static/image/common/back.gif
这是另一篇参考的访谈文章
http://www.astron.ac.cn/bencandy-3-7220-1.htm
谢了，G版！！很好的参考资料～ ::070821_14.jpg::
这是另一篇参考的访谈文章
http://www.astron.ac.cn/bencandy-3-7220-1.htm 宇航时代也是巨舰大炮的时代吗？::070821_05.jpg::
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