反物质让人类飞入深空

　　反物质让人类飞入深空
　　《北京青年报·前沿新知》2002年11月12日B4版
　　乔阿光编译
　　史蒂夫· 豪博士在洛斯阿拉莫斯国家实验室工作了二十年之久，研究核武器、反物质、超速拦截、核动力和各类先进的航天技术。近十年来他和NASA研究开发月球的问题。此外还发表了四十多篇论文和科幻作品。
　　他认为要使飞船在合理的时间里飞到太阳系真正的边缘，或飞到太阳系外面，要寄希望于反物质。
　　1996年美国的火星全球观察飞船花了11个月才飞到了火星。即使按照最佳的飞行方案，飞向火星也要超过六个月。而在此期间，宇航员在失重状态下造成的骨质流失和肌肉萎缩，将严重影响他们的健康。因此宇宙飞船的速度对未来的宇宙航行是至关重要的事情。天才的爱因斯坦告诉我们，质量和能量是可以相互转化的。质能转化定律回答了长期萦绕在我们心头的一个谜，那就是物质和反物质都共同湮灭了，物质守恒定律又应如何解释？
　　原来是这样，物质和反物质都以能量的形式而继续存在，其间的转化就是著名的智能方程E＝mc2（m是粒子质量，c是光速），是一个不小的能量库。我们知道，物质燃烧产生光和热，是在物质形态和结构变化中产生的，其质量基本不变。物质的核聚变反应约损失0.07％的质量，它产生的能量比热化学反应大千万倍。不过与湮灭相比，那真有点小巫见大巫的意味，就连其中质量最小的电子在和正电子发生湮灭时也会放出大量的热能和化学能。那么，比电子质量大1836倍的正反质子和中子湮灭时，能量该有多大！而由这些粒子构成的正反物质湮灭，将全部质量转变为能量，又该是多大！
　　 NASA的科学家们正在致力于研究一种新型反物质太空飞船，到时几乎所有的能量都可由正反物质湮灭提供，不再需要配备大量沉重的化学能源，大大减轻太空飞船的质量，提高发动机的效率，同时也给日益严重的全球能源危机找一条新的出路。据2000年10月来自NASA的研究人员宣布，反物质发动机只需百万分之一克的反物质，就可供给飞船绕火星环绕一周所需的能量。
　　反物质推进器的效率是百分之百的，因为反物质和物质湮灭时，它们的质量全部转化为了能量，质能转化效率是100%，可以说是目前为止最为有效的能量获得方式，是目前太空飞船常用的氢氧燃烧效率的100亿倍，是核能的1000倍。所以，对正在美国航空航天局的资助下研究反物质发动机的史蒂夫·豪博士来说，飞向冥王星也不过是小菜一碟。这个最远的行星离地球的距离是地球到太阳距离的40倍。但是这还不到豪博士理想的星际旅行距离的一半。地球到太阳的距离叫一个天文单位，日地的平均距离大约为1.496亿公里。奥尔特彗星云离地球的距离大约是250个天文单位。人类目前最快的飞得最远的飞船——美国的先锋10号和旅行者1号和2号飞船，飞到这个目的地也要几十年。在发射25年后，旅行者1号只飞到77个天文单位处。要使飞船在合理的时间里飞到太阳系真正的边缘，或飞到太阳系外面，豪博士寄希望于反物质。
　　什么是反物质
　　反物质是什么呢？它们的质量和物质相同，但组成它们的粒子的电荷正负和普通物质粒子相反。虽然宇宙中的反物质的存在还在理论研究中，但是在人工条件下，人们在粒子加速器里得到了反物质。1928年英国物理学家狄拉克首先从理论上提出了存在反物质的假说。1932年卡尔·安得尔森发现了正电子，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毫微秒。到1998年他们一小时已经能生产2000个反氢原子了。他们使用彭宁捕获器来存储反氢子。
　　彭宁捕获器用电场和磁场捕获带电粒子即离子。在两头的两个电池产生红色电场线。绿色磁场线从底部穿到顶端。这些电场和磁场使研究人员可以把反物质这类粒子限制在捕获器中。
　　当反物质和物质相遇时就会发生湮灭反应，爆炸，放出伽马射线，产生大量的能量。
　　美国航空航天局在2000年前后就推出了反物质发动机的初步设想，豪博士现在在美国航空航天局的高级设计研究所资助下正在研制更快更好更便宜的反物质发动机。
　　豪博士力图找到一种能进行深空探险，能进行星际旅行的技术，以合理的快速度真正地到达深空。不用大型的笨重的聚变反应发动机，而用能量大重量轻的反物质发动机。豪博士的飞船在四个月里能达到每秒116公里。而旅行者1号和它相比简直就是只乌龟，只有每秒17.4公里。
　　从第一眼看来，豪博士设计的反物质帆飞船好像是太阳风帆的另一个变种。但是它们有重要的区别。首先反物质帆飞船本身和几英里宽的太阳风帆比起来，小很多。它的直径只有15英尺（5米），反物质帆飞船结构相当紧密。
　　第二，反物质飞船通过从飞船里喷出反物质，自己给自己提供＂风＂。当这些反粒子相互作用时，就会用两种方式产生反物质帆飞船的推力。
　　首先，当然是反物质粒子和反物质帆碰撞产生的细微爆炸。其次，更重要的是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。由于豪博士基本使用了核裂变反应，才使飞船的重量降了下来。
　　这两个反应组合起来能产生最大的爆炸。这意味着这个小小的反物质飞船能以极高的速度前进。豪博士希望能达到用10年或更少的时间飞行到离地球250个天文单位的目标，这样才能保证宇航员在有生之年完成宇宙飞行任务。
　　豪博士在实验室里找到了两种捕获反物质的办法。然而，任何先进的设计不可能没有障碍。中心问题是反物质的存储，这里有大量的技术问题等待解决。
　　豪博士已经开始研究这个问题，用常规的燃料存储罐不能存储反物质。豪博士在实验室里找到了两种捕获反物质的办法。一种是把磁化了的反质子保持在冷冻的氢气里。磁场和深度的寒冷使这些粒子不会因撞击罐壁毁灭。另一种方法是让正电子和反质子结合成反氢原子，用一种叫做约飞-普利查德(Ioffe-Pritchard)捕获器的器具，使之能产生和保存反氢原子。另一方面，豪博士期望这种被存储的物质形成晶体形态，或是一种纳米级的雪花状。
　　但更大的问题是反物质仍然是很难生产的。甚至最先进的费米实验室一年也只能生产十亿分之一克。但据《自然》杂志披露，欧洲原子核研究委员会在制造反氢原子上有重大突破，他们的加速器获得了5万多个缓慢运动的反氢原子，和过去在加速器里得到的高速运动的反氢原子相比，这些缓慢运动的反氢原子不容易消失，更便于研究和使用。
　　豪博士说，生产反氢原子需要冷却环，要花两千万美元才能大量生产。如果有投资，我们一年就能实现反物质发动机。我们已经站在实现反物质发动机的边缘上了。
　　（责任编辑：徐冬梅）
　　编译自 2002.10.30刊登在 SPACE.com上的《Antimatter Power: Reaching for Deep Space》（《反物质发动机才能达到深空》）（http://www.space.com/businesstechnology/technology/antimatter_sail_021029.html）等有关文章。