湮灭
宇宙中存在着我们看不见摸不着的“反物质世界”,它的基本属性
同我们周围的世界正好相反。反物质的原子核是由反质子和反中子构成的“负核”,外有正电子环绕。反物质一旦同我们世界的“正物质”接触,便会在瞬间发生爆炸,物质和反物质变为光子或介子,产生“湮灭”现象。英国物理学家狄拉克把量子力学与高速运动所必须的相对论力学相结合导致产生了反物质的概念。1932年,由美国物理学家安德逊在宇宙射线中发现了正电子,从而证实了狄拉克的理论。
在宇宙中,天文学家们发现经常会出现一种爆炸,经过科学家们的分析,这种爆炸是由正、反物质的湮灭引起的,威力巨大,同时伴随有γ射线的产生,景象十分壮观。 湮灭一旦发生,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=mc^2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1×10^7焦耳的能量,核裂变产生8×10^13焦耳,核聚变产生3×10^14焦耳,而反物质的湮灭能产生9×10^16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。据科学家们估算,每百万分之一克的反质子与质子发生湮灭(爆炸)后释放的能量相当于37.8公斤的TNT炸药,其威力之大令世人震惊。
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。
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,下图就是典型的反物质引擎飞船的想象图:
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EugenSanger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(Penningtrap),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。
最著名的是被称为“世纪巨谜”的通古斯大爆炸。1908年6月30
日凌晨,俄国西伯利亚通古斯地区的泰加森林里,突然发生了一场剧烈的大爆炸。随着一道白光闪过和一声天崩地裂般的巨响,一片沉睡的原始森林顷刻化为灰烬。大火吞没了数百公里之内的城镇和生命,融化了冰层和冻土,引起山洪爆发、江河泛滥,仿佛“世界末日”到了。据估计,这次爆炸的威力相当于上百颗氢弹一齐爆炸!通古斯大爆炸震惊了全世界,"通古斯"也一夜之间名扬全球。由于西伯利亚的严寒和交通不便,直到1921年才由前苏联的一个研究小组第一次前去考察。以后世界上其他国家相继派团考察,但至今通古斯大爆炸之谜依然众说纷纭,莫衷一是。其中一种说法便认为是反物质引起的“湮灭”现象。因为这种能级的爆炸除非是流星或 陨石坠落,否则无法解释,而那里却没有任何陨石碎块。
1979年9月22日,美国的一颗卫星拍摄了发生在西非沿海 一带的酷似强烈爆 炸的照片,经分析,它的强度相当于一次核爆炸。当时,只有美、苏、英等少数几个国家拥有核武器,谁会到如此遥远的地方进行核试验呢?美国政府几经调查,否定了核爆炸的可能性,认为是卫星和陨石撞击使仪器发错了信号,但第二年,这颗卫星又在同一海域记录到了与上次相同的现象,令政界和科学界大惑不解。对坚持通古斯大爆炸是反物质“湮灭”现象的科学家来说,又多了一个论据。
1984年4月29日晚10时许,日本一架班机飞抵美国阿拉斯加时,副机长突然发现飞机的前方有一团巨大的“蘑菇云”,而且急速向四周扩散,天空一片灰蓝……与此同时,荷兰的一架班机和这条航线上的其他两架飞机也见到了这种现象。降落后,获悉消息的美国当局立即对这四架飞机及机上人员进行放射性污染测试,结果,没有发现任何放射性污染的痕迹。目击者十分肯定地说这是核爆炸产生的烟雾,因而留下了又一个本世纪的“爆炸之谜”。
反物质武器就是利用反物质的物理特性制成的武器,这种武器的研制到目 前为止还在秘密进行之中。对反物质的研究很早就已开始,只是因为研究手段的制约一直进展缓慢。
反物质武器属于第四代核武器,也就是能够在使用中不产生剩余的核辐射,没有放射性沾染等核污染,可视作“常规武器”的核武器。反物质是目前研究的第四代核武器中最重要的一种。在美国费米国立加速器研究所、法国和瑞士合建的欧洲核研究中心以及俄罗斯的高能物理研究所,都在进行反物质的生产和研究。
在二战之后,美国“氢弹之父”爱德华˙泰勒就在他的著作中谈到了反物质在军事上应用的可能性。50年代,威德曼和他的同事也发表了反物质点燃氕氚燃料方面的著作。1986年,法国科学博士介皮华恩说,科学家们正在进行反氢的制造,把反质子注入超流体氢中,研究普通物质的超稳态,希望从这一实验中真正了解反物质是否能够转换成一种新的核能形式。
“反物质”武器至少有两大优点。首先,它的能量很大。一毫克反物质就能释放出180兆焦耳能量,相当于22个美国航天飞机燃料箱储存的能量,这比通常爆炸物质的能量高出100亿倍,因此它既可以制造出重量很小但能量巨大的发动机,用来驱动飞行器,也可以制成杀伤力极强的武器。“反物质”武器的另一优点是它没有放射性,在这个意义下它“是干净的”,不会造成污染。
然而研制“反物质”武器还至少有两大难点。首先如何以低成本制造出反物质。目前在实验室条件下,制造出一毫克反物质需要1000亿美元,而专家估计在工业使用上可以承担的费用是1000万美元。其次如何贮存这些“反物质”也是难题,因为“反物质”一旦与“正物质”相遇就消失,目前科学家的方案是使用磁场形成一个“反物质陷阱”控制住“反物质”。不让它与由“正物质”制成的容器壁接触。这种方案早在1985年就由科学家提出,现在已经能在25千伏的能量水平上贮存10亿个反电子。
总之,反物质武器的出现将会使现今所有的热核武器黯然失色。
[1]、英文维基
[2]、Britannica Online for Premium Readers
[3]、《前行的动力来自于哪里——能源的开发与利用》 作者:周万程 出版时间:2007年6月 光明日报出版社
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