“1928年英国物理学家狄拉克(PaulAdrienMauriceDirac)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(CarlDavidAnderson)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(PETscanner)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625亿美元。
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=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。
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。
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。”
”妈的,还无法大量生产反物质。看来,只能使用空间跳跃技术了。不过,反物质一定要制造出来。”