反物質火箭要來了!能量是核裂變的1000倍,人類的太空之旅不是夢
反物質
作者: 軍迷有話說
2020-08-11 07:54:55
[ 聞蜂導讀 ] 由于科學家們預測在不久的將來,將獲得可供工程學利用的反物質的量可達到1毫克水平,過去在科幻小說中描述的那種能量高達核裂變反應1000倍的火箭——反物質推進火箭突然披上了現實的色彩。一些國家的科研機構已開始研制反物質火箭。 什么是反物質火箭 構成世界的物質可以細分到原子。原子是由較重的原子核和電子構成的。以質子和中子組成的原子核位于原子的中心,

由于科學家們預測在不久的將來,將獲得可供工程學利用的反物質的量可達到1毫克水平,過去在科幻小說中描述的那種能量高達核裂變反應1000倍的火箭——反物質推進火箭突然披上了現實的色彩。一些國家的科研機構已開始研制反物質火箭。

什么是反物質火箭

構成世界的物質可以細分到原子。原子是由較重的原子核和電子構成的。以質子和中子組成的原子核位于原子的中心,電子像云一樣包圍著原子。這些都稱為基本粒子,物質世界是由它們組成的。

物理學上有對稱的概念。例如,質子和電子就分別帶著同樣大小的正電荷和負電荷,這是非常對稱的。但是,令科學家困惑不解的問題是:質子的質量卻是電子質量的1800倍,這是不對稱的。同時,科學家們在研究原子結構時,又遇到了“負能態空穴”難題,即根據原子理論計算,出現了能量為負數的結果。這個“負能態空穴”又是如何產生的?

直到1933年美國物理學家安德遜發現了反電子,這個問題才得到初步解決。人們逐漸認識到,在那些基本粒子中,還存在一種完全對稱的“反”基本粒子!帶正電荷的電子對稱存在質量相等的帶負電荷的反電子;帶正電荷的質子對稱存在質量相等的帶負電荷的反質子;中子對稱存在反中子。

但是,這些反粒子只能存在于宇宙射線中,不能在自然界中存在??茖W家們通過加速器高能實驗的方法,可以人工生成極少量且只能在極短的時間存在的反粒子。

反粒子或反粒子組成的反物質不能存在于我們周圍是有道理的。因為通常粒子和反粒子(或通常的物質和反物質)一旦接觸,兩者就會瞬間消滅,全部質量轉化為光之類的能量,這種反應稱為雙消滅反應。據科學家們推測,宇宙大爆炸時,每生成300億顆反粒子,就會同時產生300億零1顆正粒子。在大爆炸發生后的百萬分之一秒內,正反粒子因發生雙消滅反應,相互湮滅了,而剩下的就是多出的那一丁點兒正物質。這小小的剩余(其實總正粒子數仍異常巨大)演變成現今我們熟知的宇宙。

正反粒子雙消滅反應的事實使得著名的愛因斯坦方程式E=mc2(能量=質量×光速度的平方)完全得到證實。這個反應放出的能量相當于核裂變反應的1000倍,如果把這種巨大的能量用于火箭推進,就可以成為反物質火箭。

太空旅行需要反物質火箭

早期的火箭燃料推進系統是固體火箭發動機,使用的是固體燃料推進劑,后來由于固體推進劑性能低,產生推力小,改為用液體火箭發動機為動力。所用的液體燃料有煤油和液氧、酒精和液氧、液氫和液氧等。但是,如何減少火箭燃料成本和燃料重量成為航天科學家亟待解決的問題之一。因為減輕起飛重量和燃料成本即意味著大大降低費用。而反物質火箭恰恰可以做到這一點。與世界第一枚液體火箭V-2火箭重達8.5噸的燃料相比,反物質火箭僅需1毫克反物質就可以把火箭送上天,兩者真可謂天殊地別!

自從1996年1月4日,歐洲核子研究中心宣布在世界上首次成功合成了“反物質”(它是9個由1個反質子和1個反電子構成的反氫原子)后,“反物質推進”就被日本列入文部省宇宙科學研究所的研究項目之一?!胺次镔|推進”的研究已不再是理科的研究項目,而作為工科的研究課題步入實踐;同年11月,美國費米實驗室又宣布他們利用世界上能量最大的質子——反質子對撞機制造出7個反氫原子。

實際上,反物質推進早已作為載人火星探測器推進動力的一種形式而開始研究了。不僅是核動力推進,包括反物質推進在內的未來改革型推進動力,都已列入載人火星探測的研究之中。人類對宇宙的目標是太空旅行、探索宇宙真相,它需要以接近光速的速度穿梭于宇宙之間,就目前人類的技術水平來看,采用反物質推進是能達到該速度的惟一手段。

反物質能量巨大

現在火箭推進使用的是化學燃料,它能變換成能量的質量不過是總質量的十億分之一左右。我們知道氫彈的威力——那是把作為核炸藥的氫的0.7%轉化的能量的結果。如果全部氫都轉化為能量,一顆同樣大小的氫彈的破壞力將是上述情況的140倍!如果使用反物質,就能達到百分之百轉換成能量的目的。1毫克反物質(反氫燃料)與通常物質(氫然料)反應時放出的能量,相當于10噸液態氧和液態氫燃料。

據航空專家說,反物質火箭發動機采用等離子體核心型引擎最為合適。如果研制成功,噸重的深測器,以光速1/10的巡航速度飛往距離地球4.3光年的恒星半人馬座X星,只需要4噸液態氫和80公斤的反物質。

科學家還幻想用反物質來為日常生活提供能源,據計算,500克反物質和500克物質相遇而湮滅釋放出來的能量,相當于260多億千瓦的電能。世界上最大的三峽水電站建成并達到總裝機容量1802萬千瓦之后,必須晝夜不停地運轉兩個月,才能產生與之相當的電能。

反物質容器

但是,反物質與物質一旦接觸就會完全消失,所以它不能放人普通燃料使用的那種物質容器中。那么,除了普通物質,人們還能用什么來制造容器呢?這個天大的難題已被科學家解決。目前科學家們已經制造出了能將反質子貯存兩個月之久的收集器,這就是“彭寧收集器”。

“彭寧收集器”是荷蘭科學家彭寧于1936年發明的,它的奧秘是利用電磁場而不是普通容器那種堅固的外壁來限制和擠壓其內的粒子。這個電磁場使普通電子的運轉速度降低到幾乎是靜止的狀態,或者說是“冷靜”下來,然后再把反質子送進收集器。當反質子通過一大群“冷”電子時,它們也會慢下來。這有些像一個滾木通過一堆靜止的乒乓球時會逐漸減慢而停下一樣。

當然,達到這個水平距實用階段還差很遠很遠。目前,最先進的反質子收集器還只能貯存72.1萬個反質子,而質子的質量為1吉電子伏,即約五億億億萬分之一克。設想中的反質子火箭需反質子1毫克,也就是需要50萬億億個反質子。所以,即使正在制造的能裝10億反質子的收集器獲得成功,這還是一個容量極小的容器。

相信在不久的將來,反質子火箭會使得人類的太空之旅不是夢!

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