反物质发动机即将实现

反物质发动机即将实现

1.反物质发动机从理论

反物质发动机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。4年后，这个假说就得到验证。反物质发动机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。

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实验证明

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

近代对反物质的研究已从抽象话走向具体化(10张)

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1×10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。 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。

2.在科学领域发展

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。

3.设计方案

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10^10个反质子一个星期，下一阶段是进展到10^12个，可要满足反物质推进的需要，估计需要存放10^20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。

4.用于宇航事业

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

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。

5.反物质发动机即将实现

5.1核激励X射线激光器

X-ray laser pumped by nuclear explosion

从20世纪70年代开始，苏联科学家F.V.本 金提出，利用电子复合到离子的高能级比 复合到低能级快的特点，可以实现粒子数 反转;A.V.维诺格拉道夫提出，利用电子 或者光子把离子低能级的束缚电子激发到 高能级，也可以实现粒子数反转;后来也 有人提出实现粒子数反转的其他途径。美 国在实验室里研究产生X射线激光的机理， 并在1984年利用高功率激光器作激励源， 在实验室测到了X射线激光。80年代初，美 国劳伦斯·利弗莫尔研究所在内华达地下 核试验场利用小型核装置进行了一次X射 线激光的演示试验。宣称测到了波长1.4纳 米、功率几百太瓦、脉宽纳秒量级的X射线 激光。当把细长的激光棒放在核装置周围， 核爆炸产生的X光照射在激光棒巨，产生 了粒子数反转，沿激光棒的轴向发射了X 射线激光。利弗莫尔研究所后来又进行过 多次试验。 劳伦斯·利弗莫尔研究所的试验引起 了美国当局的重视，在战略防御

倡议计划 中，把核激励X射线激光器列为研究中的 定向能武器之一。设想将很多根激光棒排 放在核装置周围，在识别跟踪系统控制下， 使每根激光棒都对准各自的目标。一次核 爆炸释放的光辐射能量，可同时转化为多 路X射线激光束，照射到多枚导弹壳体上， 产生冲击波，摧毁来袭的大规模齐射核导 弹，也可用来打击天基平台和扫除轻质诱 饵。这种X射线激光器只能在高空使用，如 果研制成功，将具有重量轻、可瞬时发射等 优点。存在的主要问题是激光发散角大，核 爆炸能量利用率低。经过多年努力，美国劳 伦斯·利弗莫尔研究所在提高核爆炸能量 利用率和用等离子体透镜减小激光发散角 两方面均未取得明显进展。1991年，美国 国会己决定将该计划从“战略防御倡议”计 划中作为助推段拦截的主要手段的目标， 转变成基础科学研究项目。 (贾宝琳) heiili X shexiQn liguangqi 核激励x射线激光器(x一ray laser pumped by nuclear explosion)用核爆炸 产生的X射线激励激光工作物质，使其产 生X射线激光的装置。X射线激光的特点是 波长短、辐射亮度高、脉冲窄和方向性强。 核激励X射线激光是一种等离子体激 光。它通常是原子或高度电离的离子内壳 层电子，在受激辐射过程中(需要很强的泵 浦源)产生的相干辐射。核爆炸产生的高温 辐射，经过适当的波谱变换可成为理想的 泵浦源。把X射线激光工作物质做成细长 的丝(即激光棒)放在核装置周围，核爆炸 时，激光棒在很短时间内吸收足够多的光 辐射能量，变成高温等离子体状态，使处于 高激发态的离

子数大于低激发态离子数， 形成粒子数反转，当增益达到一定程度时，

便发射X射线激光，沿激光棒的轴向传播。 粒子数反转是发射激光的必

要条件。

5.2科学家发现大量制备反物质的方法

来源： 科学

网 发布时间： 2008-11-18 点击数： 68 图片说明：物理学家 Hui Chen准备做反物质实验。

（图片来源：Lawrence Livermore National Laboratory）

美国科学家发现用激光照射推针（push pin）头大小的金样品，可得到上千亿的反物质粒子。这一在小型实验室中制备大量正电子的技术可为数项新的反物质研究铺平道路，包括理解隐藏在黑洞、伽马射线爆这样的天体物理现象背后的物理知识。这一成果将在11月17日至21日举行的美国物理学会-等离子体物理分会会议上发表。

研究领导人、美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室研究员Hui Chen表示：“我们检测到的反物质比之前激光实验中检测到的都要多得多，证明用短脉冲激光制备大量正电子是可行的。”Chen与她的同事使用短脉冲、超强激光照射毫米厚度的金样本。负责软件的研究人

员Scott Wilks说：“先前我们致力于用像纸张一样厚的样本产生正电子，但最近的模拟表明毫米厚度的金能够制造更多的正电子。看到这么多的正电子使我们非常激动。”

实验中激光电离并加速电子，使电子穿过金样本，这个过程中电子与金原子核发生相互作用，成为制造正电子的催化剂。电子失去能量，能量变为物质与反物质，这正是爱因斯坦著名的质能方程所预言的物质与能量的关系。通过在空间和时间上集中能量，激光比之前实验室更快更多地制造出了正电子。

利弗莫尔实验室物理学家Peter Beiersdorfer和chen表示：“通过制造大量反物质，我们可以更详细地研究反物质，也许能够得到更多线索来解释为什么宇宙中的物质比反物质更多。”

物质与反物质接触后会立即溃灭，转化为能量（伽马射线）。科学家认为非常早期的宇宙中正、反物质数量相当，而现在只有非常少的反物质存在。

物理学家以前在理论中预言了反物质的存在，但这一点直到1932年才在实验中得到证实。高能宇宙射线撞击地球大气层可产生反物质，物理学家用传统的粒子加速器也可以制造少量的反物质。反物质也可能在银河系或其他星系中心这种会发生高能量事件的区域产生。反物质与物质接触后溃灭产生的伽马射线是反物质存在的证据。

用激光产生反物质并不新鲜，利弗莫尔实验室研究人员约10年前在一次激光实验中发现了约100个反物质粒子。不过现在有了更好的靶和更灵敏的探测器，今年的实验中直接检测到了多于100万的粒子，从这一样本值中科学家推断总共有大约1000亿正电子粒子产生。

溃灭前正电子与电子行为极其相似，只是电性与电子相反，这使得Chen和同事可以使用一般的电子探测器——分光计——来检测它们。

Beiersdorfer说：“我们进入了一个新领域，可以想象一个用激光作为廉价的反物质制造工厂的反物质实验中心。”（科学网 徐青/编译）

5.3人类首次捕获到反物质 500克能量可超过氢弹

2010年11月19日09:29新华网我要评论(3798)

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[导读]欧洲科学家成功制造出多个反氢原子，并使其存在了0．17秒，

这是物理学界的突破性发现，也是人类首次捕获到反物质。500克反物

质的破坏力可以超过世界上最大的氢弹。

英国《自然》杂志网站17日刊登研究报告说，欧洲核子研究中心（CERN）的科学家成功制造出多个反氢原子，并利用磁场使其存在了“较长时

间”。这是科学家首次成功“抓住”反物质原子。

氢原子是只有一个质子和一个电子的最简单的原子。实际上，欧洲核子研究中心早在1995年就第一次制造出了反氢原子，但只能存在几个微秒的时间，就与周围环境中的正氢原子相碰并湮灭。此次的突破之处在于，制造出数个反氢原子后，借助特殊的磁场首次成功地使其存在了“较长时间”——约0．17秒。

这个时间听起来似乎仍然很短，但对于科学家来说，这个时间长度已十分难得，可以对反氢原子进行较为深入的观测和分析。因此，这一成果被看作是物理学领域的一大突破，将大大推动有关反物质的研究。 反物质至今都是物理学领域的一大谜团。我们周围环境中的物质是正物质，它由原子组成，原子由带正电的质子和带负电的电子以及中性的中子组成。与此相反，由带负电的质子和带正电的电子组成的物质就是反物质。反物质只要和正物质相遇就会湮灭，因此虽然现行理论认为宇宙从大爆炸中诞生时产生了等量的正物质和反物质，但我们很难在宇宙中找到反物质。寻找和研究反物质因此也成为物理学领域的热点和难点。新华网

星际迷航可降“魔”

在美国科幻片《星际迷航》里，宇航员把反物质用作星际飞船燃料。而在美国作家丹·布朗畅销小说《达·芬奇密码》的姊妹篇《天使与魔鬼》中，犯罪集团企图从欧洲核子研究中心盗取反物质，用以炸毁整座

梵蒂冈城。

反物质，正常物质的反状态，极不稳定而几乎不存在于自然界。研究人员8年前在实验室里制成反物质，但这些反物质一接触容器壁便瞬息湮灭。抓不住，便无从加以深入研究。

英国《自然》杂志网站17日发布报告，欧洲研究人员在科学史上首次成功“抓住”微量反物质。

首次“抓住” 巧设“磁瓶”克服湮灭

研究人员2002年在真空环境里造出反氢原子，但造出后不到片刻便已湮灭。如今，欧洲核子研究中心研究员首次成功“抓住”这种反物质。 鉴于反物质接触容器壁后便即消失，研究人员利用特殊磁场对反物质加以捕获。

谈及这种看不见、摸不着的捕捉方式，丹麦奥胡斯大学教授杰夫·杭斯特告诉英国广播公司（BBC）记者，反氢原子具有“少许磁性”，“你可以把它们想象成罗盘指针，能够利用磁场探知它们的存在。我们制成一只强有力的‘磁瓶’，在里面造出反物质”。

另外，反氢原子运动速度不能太快，否则便难以捕获。杭斯特所在研究团队花费5年时间，设法让反氢原子温度降至0.5开氏度，相当于零下272.65摄氏度、即接近绝对零度，使反氢原子处于低能量状态。 “如果它们运动得不至于太快，那么就算被‘抓住’了，”杭斯特说。

理论测算 500克反物质超过氢弹

丹·布朗在畅销书《天使与魔鬼》中把反物质描述成人类目前所知威力最大的能量源。它能以百分之百的效率释放能量，不造成污染，不产生辐射，一小“滴”便可维持美国纽约全天所需能量。

从理论上说，不到500克反物质的破坏力超过世界上最大氢弹的威力。

不过，研究人员首次捕获的成果为38个反氢原子，持续时间为五分之一秒。这等数量的反物质不足以让一只100瓦灯泡发光二十亿分之一秒，更别提用作剧烈炸药。

杭斯特教授解释道，研究人员掌握捕获反物质技术后，今后可在具体操作程序层面加以“微调”，便有望制成数量足够多、保存时间足够长的反物质，为进一步研究打开一扇门。

前景展望 有助破解宇宙起源之谜

爱因斯坦预言过反物质的存在。按照物理学家假想，宇宙诞生之初曾经产生等量的物质与反物质，而两者一旦接触便会相互湮灭抵消，发生爆炸并产生巨大能量。

然而，出于某种原因，当今世界主要由物质构成，反物质似乎压根不存在于自然界。正反物质的不对称疑难，是物理学界所面临的一大挑战。

反物质的发现，使人们联想上世纪许多不解之谜，其中最为著名的莫过于“通古斯大爆炸”。1908年6月30日凌晨，俄罗斯西伯利亚通古斯地区遭遇从天而降的“火球”，大片原始森林顷刻化为灰烬。至于爆炸起因，一些人推断是小行星撞击，一些人猜想是反物质所致“湮灭”。 深入研究反物质，是解开宇宙起源之谜的重要环节。

“我们希望查明，物质与反物质之间是否存在某些我们尚不知道的区别，”杭斯特说，“这种区别或许存在于更基本层面，或许牵连宇宙起源时某些高能量活动。”

“这就是为什么能够‘抓住’它们（反物质）是这般重要，因为我们需要时间研究它们。”