反物质火箭的理论速度(半分钟认识反物质火箭)

反物质火箭的理论速度(半分钟认识反物质火箭)由于科学家们预测在不久的将来,将获得可供工程学利用的反物质的量可达到1毫克水平,过去在科幻小说中描述的那种能量高达核裂变反应1000倍的火箭——反物质推进火箭突然披上了现

由于科学家们预测在不久的将来,将获得可供工程学利用的反物质的量可达到1毫克水平,过去在科幻小说中描述的那种能量高达核裂变反应1000倍的火箭——反物质推进火箭突然披上了现实的色彩。一些国家的科研机构已开始研制反物质火箭。

什么是反物质火箭

构成世界的物质可以细分到原子。原子是由较重的原子核和电子构成的。以质子和中子组成的原子核位于原子的中心,电子像云一样包围着原子。这些都称为基本粒子,物质世界是由它们组成的。

反物质火箭的理论速度(半分钟认识反物质火箭)插图

物理学上有对称的概念。例如,质子和电子就分别带着同样大小的正电荷和负电荷,这是非常对称的。但是,令科学家困惑不解的问题是:质子的质量却是电子质量的1800倍,这是不对称的。同时,科学家们在研究原子结构时,又遇到了“负能态空穴”难题,即根据原子理论计算,出现了能量为负数的结果。这个“负能态空穴”又是如何产生的?

直到1933年美国物理学家安德逊发现了反电子,这个问题才得到初步解决。人们逐渐认识到,在那些基本粒子中,还存在一种完全对称的“反”基本粒子!带正电荷的电子对称存在质量相等的带负电荷的反电子;带正电荷的质子对称存在质量相等的带负电荷的反质子;中子对称存在反中子。

但是,这些反粒子只能存在于宇宙射线中,不能在自然界中存在。科学家们通过加速器高能实验的方法,可以人工生成极少量且只能在极短的时间存在的反粒子。

反物质火箭的理论速度(半分钟认识反物质火箭)插图1

反粒子或反粒子组成的反物质不能存在于我们周围是有道理的。因为通常粒子和反粒子(或通常的物质和反物质)一旦接触,两者就会瞬间消灭,全部质量转化为光之类的能量,这种反应称为双消灭反应。据科学家们推测,宇宙大爆炸时,每生成300亿颗反粒子,就会同时产生300亿零1颗正粒子。在大爆炸发生后的百万分之一秒内,正反粒子因发生双消灭反应,相互湮灭了,而剩下的就是多出的那一丁点儿正物质。这小小的剩余(其实总正粒子数仍异常巨大)演变成现今我们熟知的宇宙。

正反粒子双消灭反应的事实使得著名的爱因斯坦方程式E=mc2(能量=质量×光速度的平方)完全得到证实。这个反应放出的能量相当于核裂变反应的1000倍,如果把这种巨大的能量用于火箭推进,就可以成为反物质火箭。

反物质火箭的理论速度(半分钟认识反物质火箭)插图2

太空旅行需要反物质火箭

早期的火箭燃料推进系统是固体火箭发动机,使用的是固体燃料推进剂,后来由于固体推进剂性能低,产生推力小,改为用液体火箭发动机为动力。所用的液体燃料有煤油和液氧、酒精和液氧、液氢和液氧等。但是,如何减少火箭燃料成本和燃料重量成为航天科学家亟待解决的问题之一。因为减轻起飞重量和燃料成本即意味着大大降低费用。而反物质火箭恰恰可以做到这一点。与世界第一枚液体火箭V-2火箭重达8.5吨的燃料相比,反物质火箭仅需1毫克反物质就可以把火箭送上天,两者真可谓天殊地别!

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自从1996年1月4日,欧洲核子研究中心宣布在世界上首次成功合成了“反物质”(它是9个由1个反质子和1个反电子构成的反氢原子)后,“反物质推进”就被日本列入文部省宇宙科学研究所的研究项目之一。“反物质推进”的研究已不再是理科的研究项目,而作为工科的研究课题步入实践;同年11月,美国费米实验室又宣布他们利用世界上能量最大的质子——反质子对撞机制造出7个反氢原子。

反物质火箭的理论速度(半分钟认识反物质火箭)插图3

实际上,反物质推进早已作为载人火星探测器推进动力的一种形式而开始研究了。不仅是核动力推进,包括反物质推进在内的未来改革型推进动力,都已列入载人火星探测的研究之中。人类对宇宙的目标是太空旅行、探索宇宙真相,它需要以接近光速的速度穿梭于宇宙之间,就目前人类的技术水平来看,采用反物质推进是能达到该速度的惟一手段。

反物质能量巨大

现在火箭推进使用的是化学燃料,它能变换成能量的质量不过是总质量的十亿分之一左右。我们知道氢弹的威力——那是把作为核炸药的氢的0.7%转化的能量的结果。如果全部氢都转化为能量,一颗同样大小的氢弹的破坏力将是上述情况的140倍!如果使用反物质,就能达到百分之百转换成能量的目的。1毫克反物质(反氢燃料)与通常物质(氢然料)反应时放出的能量,相当于10吨液态氧和液态氢燃料。

反物质火箭的理论速度(半分钟认识反物质火箭)插图4

据航空专家说,反物质火箭发动机采用等离子体核心型引擎最为合适。如果研制成功,吨重的深测器,以光速1/10的巡航速度飞往距离地球4.3光年的恒星半人马座X星,只需要4吨液态氢和80公斤的反物质。

科学家还幻想用反物质来为日常生活提供能源,据计算,500克反物质和500克物质相遇而湮灭释放出来的能量,相当于260多亿千瓦的电能。世界上最大的三峡水电站建成并达到总装机容量1802万千瓦之后,必须昼夜不停地运转两个月,才能产生与之相当的电能。

反物质容器

但是,反物质与物质一旦接触就会完全消失,所以它不能放人普通燃料使用的那种物质容器中。那么,除了普通物质,人们还能用什么来制造容器呢?这个天大的难题已被科学家解决。目前科学家们已经制造出了能将反质子贮存两个月之久的收集器,这就是“彭宁收集器”。

反物质火箭的理论速度(半分钟认识反物质火箭)插图5

“彭宁收集器”是荷兰科学家彭宁于1936年发明的,它的奥秘是利用电磁场而不是普通容器那种坚固的外壁来限制和挤压其内的粒子。这个电磁场使普通电子的运转速度降低到几乎是静止的状态,或者说是“冷静”下来,然后再把反质子送进收集器。当反质子通过一大群“冷”电子时,它们也会慢下来。这有些像一个滚木通过一堆静止的乒乓球时会逐渐减慢而停下一样。

当然,达到这个水平距实用阶段还差很远很远。目前,最先进的反质子收集器还只能贮存72.1万个反质子,而质子的质量为1吉电子伏,即约五亿亿亿万分之一克。设想中的反质子火箭需反质子1毫克,也就是需要50万亿亿个反质子。所以,即使正在制造的能装10亿反质子的收集器获得成功,这还是一个容量极小的容器。

相信在不久的将来,反质子火箭会使得人类的太空之旅不是梦!