科学家利用“反物质”来驱动宇宙飞船

伤我心太深

一个反物质带已经被发现环绕地球，未来可能被用来为前往太阳系内其它行星的危险的高速旅行提供燃料。　　反物质具有的特征和普通物质的相反－例如质子带正电荷，反质子则带负电荷。当反物质和普通物质接触，它们壮烈地湮灭，释放出能量。意大利的PAMELA（负载反物质探索和光核天体物理学）卫星，2006年发射，在被称为南大西洋异常的范艾伦辐射带最内层的一个区域发现了比预期多数千倍的反质子。这个异常似乎是大得多的反物质带的集中区域，是辐射带最内层的最靠近地球表面的点（约500公里高度），约束这个辐射带的地球磁力线在那里最弱。

艺术家想象中的一艘利用反物质作为燃料的飞船

　　詹姆斯-毕克福特，美国麻省剑桥Draper实验室的高级技术员，计算出地球的反物质带包含160纳克反质子。这本身看上去不算多－这些反物质的纯湮灭将只产生10千瓦－小时的能量－但是我们在地球上的粒子加速器内产生的反物质量和它相比，就少得可怜了。（例如，在美国伊利诺伊州的费米国家加速器实验室花费一整年时间，耗尽数百万美元，仅仅产生1纳克反质子，如果实验室特别为那个目的而使用的话。）
　　反质子通过地球和来自太阳系外的入射的宇宙射线之间的相互作用而产生。宇宙射线是以接近光速运动的带电粒子，来自诸如超新星爆发和遗迹。当它们遭遇地球的大气层，它们和大气分子碰撞，并衰减生成反质子和反中子。因为它们带电荷，反质子被磁力线俘获，较深入大气层的反质子和普通物质的粒子快速地湮灭。然而，不带电荷的反中子能够逃逸回太空，在那里它们衰减为反质子并被高得多的地球磁场俘获，它们能够存活数年。
　　PAMELA发现了超量的60－750MeV能量范围内的反质子包含在南大西洋异常内部，但这可能只是冰山一角。
“PAMELA的轨道被限制在350－600公里之间的高度，反质子辐射带预期延伸到数千公里，”论文的合作者阿里桑得罗-布鲁诺说，论文将发表在《天体物理学通讯》上。“这些粒子中的一些在磁层的限制区域内产生，并被俘获，特别在外层，密度足够低让反质子聚集，因为湮灭或者等离子化而引起的损失大大地减少了。”

地球磁场的简化版。地球就像一根磁条，内部磁动力在其熔融的铁核内产生，从而产生笼罩地球的磁场。范艾伦辐射带是被束缚在我们头顶的磁场内部的带电粒子环。正是在这些辐射带内部发现了反质子带 。

　　160纳克反物质分布在我们头顶数百公里到数千公里的范围内，其实际效应是什么？科幻小说之梦描绘了宇宙飞船进行反物质反应，但毕克福特，作为美国宇航局的先进概念研究所的某项研究的一部分，考察了反质子怎样诱导核裂变反应从而产生能量以推进宇宙飞船。例如，从地球周围的辐射带收集到的30纳克的反质子足以让核动力飞船在45天内抵达火星，而美国宇航局的好奇号火星车在今年11月份发射升空后将花费9个月时间才能到火星。然而，诀窍是首先必须捕捉到反物质。
　　毕克福特考察了某种被称为等离子磁的东西。它将被安装在太空飞行器上，太空飞行器将环绕地球飞行，经过反物质带时加满燃料（替代地，飞船可以停靠在轨的燃料仓库时加油）。电流通过四个巨大的100米线圈，线圈彼此垂直，将产生一个自转的磁场在周围的等离子体内诱导另一个电流，并产生第二个更强磁场束缚和储存反质子。“当你想要发动引擎并湮灭反质子，你让它们和磁场的高强度区域附近的致密靶子碰撞，”毕克福特说。这诱导靶子内部原子的核裂变反应，产生能够作为飞船动力的能量。“在适当的条件下，其作用将像喷嘴推动飞行器前进。”
　　在他的NASA报告中，毕克福特推测，不仅到火星，而且到木星（10毫克的反质子足以让100吨负载进行为期一年的往返飞行），或者到太阳系边缘的‘太阳驻点’（旅行者号飞船在三十年后才刚刚抵达）的快速行动，或者到太阳的引力焦点（日地距离的550倍，那里由于引力透镜效应受到太阳引力放大的遥远光线将产生一架巨大的天然望远镜）将成为可能。虽然地球周围没有足够的反物质为所有这些太空行动提供动力（以每年2纳克的速率补充），它能够为一些飞船提供动力，而其它行星也能够开发自己的反物质－毕克福特的报告宣称土星是反质子的最有潜力的生产者，每年240毫克。反物质最终能够被用来为前往邻近恒星诸如半人马α的飞行提供动力。然而，在我们开发反物质带的能量之前还有很长的路要走。
　　“和反物质作为潜在的推进技术有关的议题如此多，太阳帆、激光和微波束等等，”记者Paul Gilster说。“这不是说它不是一个极其有前途的想法，如果物质和反物质彼此湮灭，有多少能量将被释放啊，但地球附近的反物质带远远不足以为Icarus之类的行动提供足够的反物质。这儿我们正在谈论足够的反物质点燃核裂变或者核聚变反应，为太阳系内的飞行提供动力。”
　　毕克福特同意他的观点。“对首次星际航行而言，这么做的超前性非常大，”他说。“相反，在太阳系内仍然有许多计划，更容易完成，并不需要我们在此谈论的基础发展水平。我猜测人们将首先聚焦这些选择。”