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大约10克的反质子,足够在一个月内将载人反物质飞船送入火星

来源:奇闻网 更新时间:2020-06-16 23:11

美国电影《星际迷航》船员准备乘坐超光速的宇宙飞船进行星际旅行,该宇宙飞船动力驱动为曲相推进。曲相推进是一种科幻小说技术,能实现远距离传送和时间旅行,该驱动有一定的科学基础,只是还没有实现。然而,科学家们正在研究开发一种星际航天器发动机,该发动机类似于科幻作品中的物质-反物质发动机(引擎)。

 

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没有发动机可能产生超光速度的航天器;物理定律阻止我们这样做,但我们能够用新的推进方法加速航天器,使它获得速度比目前推进方法所允许的快很多倍。一个物质-反物质发动机将带我们远远超越我们的太阳系,让我们用较短的时间到达附近的恒星,这个时间比使用液氢发动机推动航天器飞行所用时间要短得多。这就像驾驶印地赛车和1971年福特平托(Pinto)的区别。驾驶福特平托(Pinto),我们最终会到达终点线,但它旅途所时间是印地车的时间10倍。

 

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在本文中,我们将展望太空旅行的未来几十年,研究一下反物质航天器,并揭示反物质实际上是什么,以及如何将它用于航天器的推进系统。

什么是反物质?

反物质正是我们认为与正常物质相反物质,而正常物质是我们宇宙的大部分物质。直到1928年,从理论上认为我们宇宙中存在反物质。1928年,英国物理学家保罗·狄拉克修改了爱因斯坦的著名方程E=mc^2。狄拉克说,爱因斯坦并不认为方程中的"m"——质量——可以具有正负特性。狄拉克的方程(E=+或-mc^2)允许在我们的宇宙中存在反粒子。到目前为止,科学家已经证明存在几种反粒子存在于我们宇宙中。

 

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从字面上看,这些反粒子是正常物质的镜像。每个反粒子与其相应粒子的质量相同,但电荷相反。以下是20世纪的一些反物质发现:

正电子——带正电荷而不是负电荷的电子。正电子是卡尔·安德森(CarlAnderson)在1932年发现的,它是反物质存在的第一个证据。反质子——具有负电荷而不是通常带正电荷的质子。1955年,伯克利Bevatron的研究人员生产了反质子。反原子——欧洲核研究组织(CERN)的科学家将正电子和反质子结合在一起,创建了第一个反原子。产生了九个反氢原子,每个原子仅持续40纳秒。截至1998年,欧洲核研究组织研究人员将反氢原子的产量提高到每小时2,000个。

 

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当反物质与正常物质接触时,这些质量相等但相对的粒子发生碰撞,产生爆炸,释放出纯辐射,该辐射以光速传播出爆炸点。造成爆炸的两个粒子都被完全歼灭,留下了其他亚原子粒子。当反物质和物质相互作用时,发生的爆炸将两个物体的全部质量转换为能量。科学家认为,这种能量比其他推进方法可以产生的能量更强大。

那么,为什么我们没有建立物质反物质反应发动机呢?发展反物质推进的问题是宇宙中缺乏反物质。如果物质和反物质的数量相等,我们很可能会在我们周围看到物质与反物质反应。由于反物质在我们周围不存在,因此我们看不到它与物质碰撞所产生的光。

 

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在大爆炸时期,常规粒子数量可能超过反粒子数量。如上所述,粒子和反粒子的碰撞会破坏两者。而且由于宇宙初期常规粒子比反粒子要多得多,最后,反粒子全部消失,只剩下常规粒子。今天,我们的宇宙中可能没有自然存在的反粒子。但是,科学家于1977年在银河系中心附近发现了反物质的可能沉积物。如果确实存在,则意味着反物质自然存在。

现在,我们不得不创造我们自己的反物质。幸运的是,有技术可以使用高能粒子对撞机,也称为“原子对撞机”来制造反物质。当一个原子通过这个加速器时,它撞击目标,产生粒子。其中一些粒子是由磁场分离出来的反粒子。这些高能粒子加速器每年只产生一到两皮克的反质子。皮克是万亿分之一克。欧洲核子研究中心一年内生产的所有反质子,足以点亮一个100瓦的电灯泡3秒钟。如我们要实现星际目的地穿越,则需要大量的反质子。

 

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物质反物质发动机(引擎)

美国宇航局(NASA)可能只需要几十年的时间,就可以开发出一种反物质航天器,这种航天器携带燃料体积与质量将大幅减少。2000年10月,美国宇航局科学家宣布了一种早期设计的反物质发动机,这种发动机只需少量的反物质燃料,就能产生巨大的推力。根据该月出版的《推进与动力》杂志的一篇报道,为火星一年之旅提供引擎所需的反物质量只需百万分之一克。

 

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物质-反物质推进将是有史以来最有效的推进,因为物质和反物质的质量的100%被转换为能量。当物质和反物质碰撞时,它们湮灭所释放的能量释放的能量,大约是航天飞机使用的氢和氧燃烧等化学能释放的能量的100亿倍。物质对反物质的反应比核电厂产生的核裂变强1000倍,比核聚变能强300倍。因此,物质-反物质发动机以更少的燃料使我们走得更远。问题的关键是如何创建和存储反物质。物质-反物质引擎包含三个主要组成部分:

磁性存储环——必须将反物质与正常物质分开,以便具有磁场的存储环可以使反物质在环周围移动,直到需要它来产生能量为止。馈电系统——当航天器需要更多动力时,反物质将被释放以与目标物质碰撞,从而释放能量。电磁火箭喷嘴推进器——类似于地球上的粒子对撞机,长电磁喷嘴将使物质反物质产生的能量通过推进器推动航天器移动。

 

大约10克的反质子,足够在一个月内将载人反物质飞船送入火星

 

大约10克的反质子,足够在一个月内将载人反物质飞船送入火星。今天,一艘无人驾驶的宇宙飞船要花将近7个月到1年的时间才能到达火星。1996年,火星全球勘测者花了11个月的时间到达火星。科学家相信,以物质-反物质为动力的宇宙飞船的速度,将使人类能够到达太空中人类从未去过的地方。它将有可能将航天器送达木星,甚至超过太阳辐射结束的太阳风层。但要实现宇航员们超光速飞行,科学家还有很长路要走。

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