反物质:勇往直前

时间:2023-11-25 05:29:03

制造和储存反物质面临十分巨大的挑战,但是人们依然满怀信心地研究将其作为宇宙飞船燃料的可能性。这个想法是,反物质在湮灭时会发出γ射线,其入射到推进剂上将后者加热到极高的温度,然后从火箭尾部喷射出来;或者它们会将推进剂表面的碳化硅物质汽化,生成的气体排出形成推进力。与传统的化学燃料相比,其优势在于质量中蕴含的巨大潜能。卡西尼—惠更斯号土星探测器中,燃料和氧化剂舱就占了一半多的质量,而发射它的运载火箭比探测器本身还要重180倍。在对于反物质的宣传中,有人宣称如果要发射一艘人造飞船去火星,需要3吨重的化学推进剂,而换成反物质燃料的话则只需不到百分之一克,和一粒米质量相当。

但是,宣传中却很少提到储存这些反物质所需要的设备有多重。大量的反质子或正电子,意味着电荷的大量聚集,必须予以考虑。仅仅储存火星飞船所需量的百万分之一,就需要在燃料舱壁上施加数吨的电磁力。虽然有诸多问题,但这的确是NASA的太空飞船构想,也是美国空军曾经的微型战斗机研发方向。

20世纪90年代,杰拉德·史密斯在宾州大学的团队一直致力于在低能反质子环上进行反质子研究。1997年,他们的研究方向转移到产生、捕获和运输反物质以用作火箭燃料。在一篇文章中, 他们概述了一种可能的发展计划,它可以处理足量反质子。其中还包括他们设计的一种捕集器,可以将多达十亿个反质子维持10天之久,他们宣称“还只是一个原型机……最终成型的捕集器可以将1014 个反质子维持高达120天,正好相当于往返火星的时间”。他们称“有信心达到这一目标”。他们的策略是按比例逐步达到这个水平(虽然文章中也稍微提到这“并不容易”),然后使用上千个这种捕集器来运输燃料。

这个计划看起来更像是一个管理计划,用来策划如何达到某个目的,而不像是一种新科技的可行的技术路线图。过了10年,没有任何成果,欧洲核子研究中心上也没有进行任何类似的工作。迄今为止,储存的反质子最大的量只有100万个,而当前的研究重点聚焦在使用少量的反质子进行精确的测量方面。

相比反质子,正电子更轻但更容易获取。20世纪50年代,德国火箭工程师厄耿·桑格(Eugene Sanger)提出了一种光子火箭的概念,即使用正负电子湮灭时放出的γ射线来推进。这个想法为科幻作品提供了很多灵感,但从未投入研发,其中的部分原因就在于很难制造和储存足量的正电子。然而,受到3位分别来自德国和美国的物理学家提出的理论的启发,史密斯博士现在正在研究将正电子作为能源。

近年来,在他位于圣塔菲的正电子研究所中,史密斯博士将正电子嵌入了正电子素原子中,从而可以不引入反质子就中和掉正电子的电荷。这些正电子素原子通常只能存活一微秒,但是阿克曼(Ackermann)、谢尔特(Shertzer)和施梅尔策(Schmelcher)预测 某种特殊的电场和磁场结构可以将正电子素拉伸成哑铃形,从而大大延长其寿命。根据史密斯博士所说,这种观点意味着“[被拉伸的]正电子素的寿命[可以实现]无限长”。

在这种观点被证明之前,我们都不能高兴得太早。不过,这个理论清晰明了,并指出电场和磁场可以拉伸正电子素原子。电场趋于将电子和正电子拉开,而磁场又会使它们保持原位。在这种情况下,它们之间的距离会是普通原子中的数千倍,相互之间发生碰撞湮灭的可能性大大降低了。

迄今为止,这个理论发展得还不错。但我个人认为,即使将来有一天人们在少量的正电子素原子中实现了这种拉伸,但对于作为能源所需的数万亿电子和正电子而言,意义并不大。要将巨量的正电子素拉伸,需要足够强力的电场和磁场以维持独立的正负电荷云团。我们兜了一圈又遇到了所有方案遇到的相同问题:如何容纳下作为能源所需的大量电荷?如果不能解决这个问题,拉伸正电子素就一无是处。

同时,美国空军的反物质战机计划也由一群年轻人在进行着。埃格林空军基地的一份研究计划中将设计这种战机所面临的挑战总结如下 :

正电子能量转换将会被用于反物质湮灭能量,这将提供给战机推进和攻击的能力。埃克林空军基地对这个原型机提出了以下的性能特点要求。战机的翼展不能超过3英尺;具有巡航能力,可以空中悬停;为满足攻击需求,战机需要能发射彩弹以模拟攻击。

一言以蔽之,你可以发现美国空军希望开发反物质能源和武器的野心昭然若揭。

一个后勤保障官,和五角大楼权力核心毫不沾边,为什么他的演讲会让世界舆论一片哗然——相信反物质武器已经迫在眉睫?爱德华的演讲以及媒体简报继续推波助澜,称这种武器完全没有放射性残留。丹·布朗的小说《天使与恶魔》此时才开始被公众所意识到,成为畅销小说。他的将反物质炸弹描述为“没有污染也没有放射性”。那些简单的假设居然支撑起了布朗的科幻作品,而更糟糕的是美国空军发言人和媒体的推波助澜,最终三人成虎,假的也被说成了像真的一样。