反物質飛船[太空船的一種]

美國研究反物質太空船是以正電子為燃料，6周可達火星，以正電子為燃料只需幾十毫克，速度卻比核動力太空船快一倍。

發展現狀

美國宇航局先進理念研究所（NIAC，Nasa's Institute for Advanced Con-cepts）正在資助一個研究小組，該小組正致力於以反物質作為動力的太空船研究。

燃料重量

科幻小說中，大多數自主型恆星飛船使用反物質做燃料，原因是反物質是最具潛力的燃料。要想把人類送上火星，需要成千上萬噸的化學燃料，但是如果以反物質為燃料的話，僅僅幾十毫克的反物質（一毫克約為一塊方糖重量的千分之一）就能幫助人類實現登上火星的夢想，而且只需要6周時間。

以前的反物質太空船設計使用反質子，它們在湮滅時會產生危害性的高能 γ射線，所以可行性不大。新設計將採用正電子，正電子產生的伽馬射線能量為反質子的四百分之一，從而可以避免產生這種極具放射性污染的副作用。

技術挑戰

先進理念研究所正對此展開初步研究，不過目前還面臨一個技術挑戰，那就是生產正電子價格過於昂貴。在太空中，宇宙射線中高速粒子可以通過相互碰撞產生反物質。而在地球上，我們卻需要通過粒子加速器來生產反物質，NIAC首席研究員史密斯說，“據粗略估計以現在的技術來為人類火星之旅生產正電子，每生產10毫克正電子將耗資約25億美元”。

另一個挑戰就是如何在小型空間內儲存足夠的正電子。因為它們會吞食正常物質，而現在人類還沒有生產出由反物質製成的容器，所以只能將其存放在電場，磁場，電磁場內。科學家們正致力於研究開發克服這些挑戰的方法，假如他們的努力實現，也許未來人類真的可以藉助科幻小說里描述的能源遨遊太空。

三大優勢

正電子動力太空船與現在美國的火星登入計畫相比將有幾個方面的優勢。

旅途更安全

美國火星登入計畫正提議使用核反應堆為火星太空船提供動力。但是核反應堆相當複雜，在火星之旅中很多潛在的問題可能會導致核反應堆發生故障。而正電子反應堆能像核反應堆一樣為太空船提供充足動力，並且其結構相當簡單。

不會產生殘留物

採用核燃料作為動力的太空船在其核燃料用完之後所產生的核廢料仍具有放射性。如果使用正電子反應堆，在其燃料耗盡之後則不會產生殘留物，因此即使殘留正電子反應堆偶然進入地球大氣層也不會引發安全方面的擔憂。

45天內可達火星

正電子反應堆另一個重要優勢就是速度。按照火星登入計畫，太空船和太空人將在大約180天后飛抵火星。正電子動力太空船可能只需要90天左右就可抵達火星，甚至有可能在45天內完成。

科學問答

概念介紹

什麼是反物質？

反質子、反中子和反電子如果像質子、中子、電子那樣結合起來就形成了反原子。由反原子構成的物質就是反物質

當你照鏡子時，鏡中的那個你如果真的存在，並出現在你面前，會怎么樣呢？科學家們已經考慮過這個問題，他們把鏡中那個你叫做“反你”。科學家想像很遠的地方有個和我們的世界很像的世界，它將是一個由反恆星、反房子、反食物等所有的反物質構成的反世界。反物質正是一般物質的對立面，而一般物質就是構成宇宙的主要部分。

　正電子，反質子，反中子

什麼是正電子，反質子，反中子？

正電子是反物質存在的第一個證據，電流中的電子和類似粒子都帶有負電荷，而反電子則帶有正電荷，因此科學家稱它們為“正電子”。

1932年，美國科學家安德森發現了一種特殊的粒子。與之前發現的電子相比，其質量和帶電量完全相同，但它帶的是正電，而電子帶的是負電。因此，這被稱為正電子。正電子也就是電子的反粒子。正電子的發現，毫無疑問的引發了科學家們新的探索之旅，而就此，一個反物質的世界如同沉睡千年的地下宮殿逐漸呈現在人們眼前：1955年，反質子在美國的一家實驗室中被發現，其後人們又發現了反中子。到上個世紀60年代，基本粒子中的反粒子差不多全被人們找到了。

終極能量

1928年著名物理學家狄拉克（Paul Dirac）提出了反物質理論，反物質和物質在構成上類似，但是基本粒子帶電正好相反。如果反物質和物質相遇，則立刻發生湮滅，轉變為能量。這種能量變化遵循愛因斯坦著名的公式E=mc^2。這使反物質成為最為高效的能源，僅僅少量的反物質就足以推動飛船跨越若干光年（light year，距離單位，光一年所能完成的路程）。

目前我們的主要問題是還不能預見噴射反物質的火箭的出現。NASA的科學家希望在未來30-40年該技術能夠出現。另外，反物質在醫學掃描領域也有很大的潛力。

威力強大

當反物質遇到物質的時候，這些等價但是相反的粒子碰撞產生爆炸，兩者將在瞬間湮滅並產生巨大的能量。正是這種能量的完全轉化使反物質變得如此強大。就算是核子彈爆炸時瞬間產生的核反應，也僅僅只有約3%的物質轉化成能量。

首次發現

1979年，美國科學家把一個有60層樓高的巨大氣球放到離地面35公里的高空，氣球上載有一批十分靈敏的探測儀器，結果，它在高空獵取了28個反質子。這是在地球以外第一次發現的反物質。除此之外，還在星際空間發現了反物質流。

把眼光放遠到整個銀河系，要問的是：在這個由千億個恆星構成的系統中，會有一部分是反恆星嗎？今天人們也已能肯定地回答：不會有。我們從地面上能接收到太空中飛行的宇宙射線。觀測統計表明，宇宙射線粒子中反質子僅是質子的萬分之幾，並且這少量的反質子是高能粒子碰撞的次級產物，而不是原始的，此外宇宙射線中有很少的 α 粒子（即氦核），但是反 α 粒子卻一個也沒有發現過，這些事實說明原初的宇宙射線是由正物質組成的。如果銀河系中有反物質恆星，那么宇宙射線粒子將與它碰撞而發生湮滅。湮滅產生的 π 0介子將很快衰變而成 γ光子。因此這種湮滅過程是能夠通過 γ 射線的觀測來發現的。正是沒能找到湮滅過程所放出的很有特徵性的 γ 光子，使人們知道，銀河系中並沒有反恆星的存在，整個銀河系都是由正物質組成的。

我們的宇宙是由大量星系構成的。若在遠處有反物質組成的星系，原則上也能用同樣的道理來發現。星系之間並不是真空，而是瀰漫著很稀薄的氣體。因此，若既有正物質星系又有反物質星系，那么正反物質必會相遇，相遇處必會有湮滅過程發生。人們著意地尋找了相應的 γ 射線，而沒有找到過。於是得出結論：在三千萬光年的範圍內不會有巨大的反物質星系存在。若在更遠的地方有這種湮滅發生，由於它的信號太弱而沒有被發現是不能排除的。所以上述結論是今天的觀測能力所能給出的回答。

在這樣的結果面前，人們的看法分成了兩種。一種認為宇宙中正反物質應當是等量的，需要的是從更遠處去尋找反物質星系存在的證據。另一種認為事實已暗示，宇宙中沒有大量的反物質存在，需要的是從宇宙的演化中去尋找造成今天沒有反物質的原因。所以反物質飛船可能只是個夢。

尋找過程

1998年的夏天，美國宇航局把阿爾法磁譜儀送上了太空。它的主要目標之一是尋找宇宙射線中的反原子核。由於我國參與了這項研究，因此新聞媒體曾熱心地宣傳過它。美國著名華裔科學家丁肇中也正致力於此。

如果相信宇宙中有等量的物質和反物質，那么在三千萬光年之外應有大範圍的反星系區存在。在那裡，原始的宇宙射線應是由反質子和反 α粒子組成的。那裡的部分宇宙射線粒子會飛進我們這個由正物質構成的區域。由於星系際大部分地方很空曠，氣體的密度約只有每立方米一個質子的質量。因此反原子核可自由地飛行很長的距離。這樣，放置在地球大氣層之外的磁譜儀就能接收到它。這就是阿爾法磁譜儀計畫的基本想法。

上面已提到，實際測到的並不只是原始的射線粒子，它也包含由中途碰撞產生的次級粒子。因此當我們從宇宙射線中發現了反質子，它並不說明遠處一定有反物質天體區存在。這些反質子完全可能是次級產生的。反原子核就不一樣。它是由若干個反核子結合而成的複合體，所以不可能是碰撞產生的次級粒子。因此，如果能從宇宙射線中觀測到那怕只有一個反 α粒子，它將是有力的證據，表明遠處有反物質天體存在。阿爾法磁譜儀能同時準確地測定飛入儀器的粒子的質量和電荷。當太空中有反 α粒子飛入磁譜儀，它是容易被分辨出來的。這正是設計者所期望的事。現在阿爾法磁譜儀升空已有一年了，它接收到的信息正在陸續送回，其結果無疑非常令人關注。

若阿爾法磁譜儀的觀測證實了遠處有巨大的反物質區存在，那它肯定是一個里程碑式的成果。它的意義遠不僅是證實了宇宙中有反物質天體，更重要的是它對物理學提出了嚴峻的挑戰。在早期宇宙中，正反粒子必是混合的。按現有的物理理論，沒有一種己知的作用力能使它們發生大範圍的分離。因此，如果觀測證實遠處確有已被分離出去的大量反物質，物理學將需要突破性的變化。

不對稱疑難

在多數理論家看來，宇宙中正反物質的大尺度分離是不可能發生的。因此，三千萬光年的範圍內沒有反物質天體，已說明宇宙中大塊的反物質是不存在的。但是理論家也相信，極早期宇宙中正反物質應當等量。這樣，需要做的事是尋找物理機理，來說明宇宙如何才能從正反物質等量的狀態過渡到正物質為主的狀態。這裡，理論家也遇到了非常尖銳的困難。

按照大爆炸理論，甚早期宇宙介質的溫度非常高。粒子間的熱碰撞會成對地產生任何基本粒子。當粒子的成對湮滅與成對產生達到統計平衡，宇宙介質就是一切基本粒子構成的混合氣體，且任一種穩定或不穩定的粒子都有接近相等的數密度。至於重子和反重子的數目是否嚴格相等，這不是由物理規律決定，而是由初條件決定的。

在理論家看來，在最初的宇宙中正反粒子應當等量才自然。但是易於看出，若這想法是對的，重子的守恆性立即會給出與事實明顯不符的推論。當宇宙的膨脹使氣體溫度降至10 13 K以下，由於粒子的熱動能已不夠，熱碰撞成對產生重子已不可能。於是湮滅過程將使正反重子的數目同時迅速下降。最終，宇宙中將既沒有重子，也沒有反重子。這顯然不是真實宇宙的情景。事實上，今天宇宙中光子的數目最多．重子的數目是它的十萬萬分之一左右，反重子的數目很可能還要低許多量級。如果重子數B的守恆性是嚴格的物理規律，要宇宙從正反重子等量的狀態演化成今天這樣的狀態是不可能的。然後，理論家又不能相信在原始的宇宙中重子就會多於反重子，那么問題的出路在哪兒？

重子數B的守恆性肯定是嚴格成立的物理規律嗎？至今難以計數的粒子實驗確實沒有發現過一個破壞重子數守恆的事例，但是這並不說明它一定是嚴格的規律。回顧一下化學的發展可作借鑑。化學反應是元素的重新組合。經驗表明，在重組合的前後，每一種元素的原子數是守恆的，無數的化學實踐表明沒有例外。想把汞變金的鍊金術的失敗，更從反面提供了證明。但是有了核反應的知識後人們已清楚知道，汞變成金完全可能，關鍵在於要有高的能量讓原子核發生變化。化學反應是在粒子能量小於1eV的條件下進行的，這條件下原子核不能相互接觸，核反應就不能發生。若過程中粒子的能量超過1MeV，原子核之間就能充分接近，那么原子核就能變化了，原子數的守恆性也就隨之破壞了。由此看來，原子數在化學過程中的守恆不是偶然的，但是它僅是低能下的唯象規律，而不是普遍成立的自然規律。借鑑同樣的道理，重子數的守恆性也可能僅是一定能量範圍的唯象規律，而不是普遍成立的。當粒子的能量更高，重子數的守恆性完全可能會不成立，這正是今天的理論家看到的出路。

從70年代中期起，粒子物理中由弱電統一理論的成功，掀起了研究相互作用大統一的潮流。按這樣的理論，高能下發生破壞重子數守恆的過程是自然的事，粒子物理中的這一潮流與宇宙學解決正反物質不對稱疑難的需要不謀而合了。於是這疑難問題作為粒子物理和宇宙學的交叉領域而得到了很多進展。人們已清楚，要從正反物質等量的早期宇宙演化出今天正物質為主的狀態，除了重子數守恆須可能被破壞外，正反粒子的相互作用性質還必須有適量的差別。由於超高能下的粒子物理規律至今還沒有被掌握，因此實際上自然界是否確實具備這兩個要素，尚不能回答，人們正在試探和摸索之中，如果今天的宇宙中只有正物質天體是事實，問題是否能按這思路得到解決也還並不完全肯定。

總之，為徹底揭開宇宙反物質之謎，前面還有漫長路要走。人們已能預料，這問題的解決不僅對認識宇宙是重要的，它對物理學的影響也將是很深刻的。

《天使與魔鬼》（丹·布朗著）中所提到的

反物質是人類目前所知的威力最大的能量源。它能百分之百的效率釋放能量（核裂變的幾率是百分之一點五）。反物質不造成污染，也不產生輻射，一小滴反物質就可以維持整個紐約城全天的動能。

先別過於樂觀，箇中可隱藏著危機……

反物質極不穩定，它可以把接觸到的任何東西化為灰燼……連空氣也概莫能外。僅僅一克反物質就相當於4000多萬噸當量的核炸彈的能量——比當年扔在廣島的那顆核子彈要強2000多倍。

當物質與反物質接觸，原子最外層的電子因為所帶電荷相反而抵消，原子核中的質子也因同樣的原因相互抵消，而反中子因磁性與中子相反而與中子進行強烈的碰撞發出驚人的能量。愛因斯坦曾計算過這種完整的能量釋放比率,跟這種完全的能量釋放相比，核裂變核聚變就像劃燃一根安全火柴一樣微不足道。

相關事件

通古斯爆炸

一些科學發現，常常使人們目瞪口呆，難以置信。而正是這些難以置信的發現，推動了人們對客觀世界的認識和科學的進步。反物質的發現就是這樣。

1932年，美國科學家安德森發現了一種特殊的粒子，它的質量和帶電量同電子一樣，只是它帶的是正電，而電子帶的是負電。因此，人們稱它為正電子。

正電子是電子的反粒子。

正電子的發現引起了科學界的震驚和轟動。它是偶然的還是具有普遍性?如果具有普遍性，那么其它粒子是不是都具有反粒子?於是，科學家們在探索微觀世界的研究中又增加了一個尋找的目標。

1955年，在美國的實驗室中反質子被找到了。後來，又發現了反中子。60年代，基本粒子中的反粒子差不多全被人們找到了。一個反物質的世界漸漸被科學家像考古般地"挖掘"了出來。

反物質的發現，使人們自然地聯想起了本世紀的許多不解之謎。

最著名的是被稱為"世紀巨謎"的通古斯大爆炸。1908年6月30日凌晨，俄國西伯利亞通古斯地區的泰加森林裡，突然發生了一場劇烈的大爆炸。隨著一道白光閃過和一聲天崩地裂般的巨響，一片沉睡的原始森林頃刻化為灰燼。大火吞沒了數百公里之內的城鎮和生命，融化了冰層和凍土，引起山洪暴發、江河泛濫，仿佛"世界末日"到了。據估計，這次爆炸的威力相當於上百顆氫彈一齊爆炸!

通古斯爆炸震驚了全世界，"通古斯"也一夜之間名揚全球。由於西伯利亞的嚴寒和交通不便，直到1921年才由前蘇聯的一個研究小組第一次前去考察。以後世界上其他國家相繼派團考察，但至今通古斯大爆炸之謎依然眾說紛紜，莫衷一是。其中一種說法便認為是反物質引起的"湮滅"現象。因為這種能級的爆炸除非是流星或隕石墜落，否則無法解釋，而那裡卻沒有任何隕石碎塊。

其他爆炸

1979年9月22日，美國的一顆衛星拍攝了發生在西非沿海一帶的酷似強烈爆炸的照片，經分析，它的強度相當於一次核爆炸。當時，只有美、蘇、英等少數幾個國家擁有核武器，誰會到如此遙遠的地方進行核試驗呢?美國政府幾經調查，否定了核爆炸的可能性，認為是衛星和隕石撞擊使儀器發錯了信號，但第二年，這顆衛星又在同一海域記錄到了與上次相同的現象，令政界和科學界大惑不解。對堅持通古斯大爆炸是反物質"湮滅"現象的科學家來說，又多了一個論據。

1984年4月29日晚10時許，日本一架班機飛抵美國阿拉斯加時，副機長突然發現飛機的前方有一團巨大的"蘑菇雲"，而且急速向四周擴散，天空一片灰藍……與此同時，荷蘭的一架班機和這條航線上的其他兩架飛機也見到了這種現象。降落後，獲悉訊息的美國當局立即對這四架飛機及機上人員進行放射性污染測試，結果，沒有發現任何放射性污染的痕跡。目擊者十分肯定地說這是核爆炸產生的煙霧，因而留下了又一個本世紀的"爆炸之謎"。

反物質的研究者認為，宇宙中存在著我們看不見摸不著的"反物質世界"，它的基本屬性同我們周圍的世界正好相反。反物質的原子核是由反質子和反中子構成的"負核"，外有正電子環繞。反物質一旦同我們世界的"正物質"接觸，便會在瞬間發生爆炸，物質和反物質變為光子或介子，釋放巨大能量，產生"湮滅"現象。

"反物質說"雖然只是科學上的一種假說，還有待證實，但反粒子等"負性物質"是確實存在的，而且現在又發現了反氘、反氫、反氦等等一系列反物質。相信隨著科學技術的不斷發展和科學研究的不斷深入，人們對反物質作用的認識一定會越來越深刻，反物質世界必將為人類做出應做的貢獻。

概念介紹

世界上最大的科研機構，瑞士的歐洲原子核研究中心新近首次研究成功製造出幾滴反物質。反物質與普通物質並並無二致，所不同的是，組成反物質的粒子與組成人們所熟知的一般物質電荷相反。

反物質是人類目前所知道的威力最大的能量源。它能以百分之百的效率釋放能量（當然還要x2倍）。而

核裂變的效率是百分之一點五。反物質不造成污染，也不產生輻射，一小滴反物質就可以供應整個紐約城全天的動能。

先別過於樂觀，其中可能隱藏著危機……

反物質極不穩定，它可以把接觸到的任何東西都化為灰燼，連空氣也概莫能外。僅僅一克反物質就相當於4000多萬噸當量的核武器的能量——比當年扔在廣島的那顆核子彈要強2000多倍。

反物質直到最近生產量也只是微乎其微，每次只不過幾滴。然而，“歐核中心”目前正在開發一種新型的反物子減速器，這是一種先進的反物質生產設備，這種設備有望大幅度提高反物質的生產能力。

一個嚴峻的問題擺在人們面前：這種極易爆炸的反物質是能為人類造福，還是會被用於製造有史以來毀滅性最強的武器？

保存方法

人民網2008年11月17日報導：今年九月，美國格林空軍基地“革命性彈藥”研發小組的負責人肯尼斯·愛德華茲，突然現身美國五角大樓，向美軍高官匯報他的最新研究成果。肯尼斯·愛德華茲說： “我們在反物質武器的研究上已獲得重大突破——我們成功研發了一種能長期有效儲存反物質的容器，這意味著反物質的軍事用途即將成為現實！”

反物質是英國科學家狄拉克（Paul　Adrie　Maurice　Dirac）於1928年根據

相對論： W2/C2-PR2-m2C2=0

和量子力學理論： [W2/C2-PR2-m2C2] Ψ=0

推測出來的，1933年12月12日，他因此獲得諾貝爾物理學獎金。狄拉克注意到，在相對論方程和量子電動力學的方程中，質量都是成平方出現的，那就是說 m2=(m)(m)=(-m)(-m)，那么這個負質量是什麼意思呢？於是反物質就被狄拉克這樣輕鬆地從理論上推導出來了。由此看來，諾貝爾獎有時候就是如此簡單，只是我們都視而不見或膽量不夠，因為狄拉克為此也曾一度被眾多科學家們譏諷為瘋子。

現在，組成物質的12種基本粒子的全部反粒子都已經被科學家在加速器中找到。美國實驗物理學家丁肇中領導的阿爾法磁譜儀----AMS被送到太空，就是為了尋找太空中的反物質以及由反物質組成的宇宙。因為反物質和物質相遇就會凐滅，所以反物質無法在自然界找到，必須要到太空深處去尋找。位於法國和瑞士邊界，耗資80億美元，由2000多名物理學家花費14年時間建造的大型強子對撞機---（LHC），已經在2008年9月10日首次運行，用來探索反物質和宇宙大爆炸開始後萬億分之一秒內宇宙中物質的組成。

根據宇宙大爆炸理論，爆炸形成的物質和反物質應該是對稱的，可是我們的宇宙中物質和反物質卻是不對稱的。否則它們相互凐滅，也就不會有你我以及這宇宙和宇宙中的一切了。那么與我們的宇宙物質對稱的反物質哪兒去了呢？1977年科學家們發現在銀河系中心附近有一個可能的反物質源。如果那個地方真的存在，就意味著存在天然的反物質，也意味著人類直接從天然得到反物質的可能性。

物質和反物質在凐滅時會產生巨大的能量，並且不會象核彈那樣產生放射線污染，所以被認為是一種最理想的清潔能源。但是科學往往都是一把雙刃劍，可以造福人類，當然也可以給人類帶來巨大的災難。由幾克反物質製造的炸彈就能毀滅地球，1克反物質產生的能量，就足以為23架太空梭提供動力。

套用

可以從根本上改變能源供應的模式，將會是一場能源革命。但是由於目前是由加速器產生的高能粒子打擊固定靶產生反粒子，再經減速合成的，此過程所需要的能量遠大於湮滅作用所放出的能量，且生成反物質的速率極低，生產一千億分之一克的反物質，需要耗資近60億美元，因此尚不具有經濟和套用價值。