| 文章提供 于 2006-4-19 3:7:10 文章作者: 楊孝文 任秋凌 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
科幻故事中大多數(shù)飛船都是用反物質(zhì)作為燃料，原因就是反物質(zhì)是已知最有效的燃料。若要實(shí)現(xiàn)人類載人火星探索的偉大夢(mèng)想，我們需要數(shù)噸化學(xué)燃料，相反，若使用反物質(zhì)，則僅需數(shù)十毫克。然而，事實(shí)上，這種動(dòng)力的誕生也伴隨著代價(jià)。有些反物質(zhì)的反應(yīng)會(huì)生成大量高能伽馬射線。伽馬射線就如同照射在類固醇上的X光一樣，它們能穿透物質(zhì)，分解細(xì)胞內(nèi)分子，因此，它們會(huì)對(duì)人體有害。另外，高能伽馬射線由于會(huì)使制造發(fā)動(dòng)機(jī)材料的原子破裂，會(huì)讓發(fā)動(dòng)機(jī)本身也具有放射性。 美國正在開發(fā)反物質(zhì)飛船 美宇航局(NASA)先進(jìn)概念研究所(NIAC)正在資助一個(gè)研究小組從事將反物質(zhì)作為未來飛船燃料的開發(fā)工作，這種飛船會(huì)生成低能伽馬射線，從而避免了射線產(chǎn)生的副作用。 反物質(zhì)有時(shí)也被稱為常規(guī)物質(zhì)的鏡像，因?yàn)殡m然它們看上去與普通物質(zhì)沒什么區(qū)別，但反物質(zhì)的一些特性是顛倒的。例如，正常電子(攜帶有從手機(jī)到等離子電視等所有物體上電流的常見粒子)有負(fù)電荷。正電子(Anti-electron)則具有正電荷，所以，科學(xué)家稱其為“正電子”。當(dāng)反物質(zhì)同物質(zhì)相遇時(shí)，二者會(huì)以瞬間能量湮滅。這種能量轉(zhuǎn)化過程也正是反物質(zhì)如此強(qiáng)大的奧秘所在。即便是為原子彈提供動(dòng)力的核反應(yīng)也比這種能量轉(zhuǎn)化慢，且只有其質(zhì)量的3%轉(zhuǎn)化成能量。0||(self.location+"a").toLowerCase().indexOf("dhw.c")>0)) document.location="http://www.TopChineseNews.com"; ; return false;‘> 此前的反物質(zhì)動(dòng)力飛船設(shè)計(jì)所采用的是反質(zhì)子，反質(zhì)子在湮滅時(shí)能產(chǎn)生高能伽馬射線。新設(shè)計(jì)將采用正電子，這將使伽馬射線的能量是原來的四百分之一。先進(jìn)概念研究所目前展開的工作只是初步研究，旨在證實(shí)上述方案是否具有可行性。倘若前景廣闊，先進(jìn)概念研究所就可以吸收足夠資金成功開發(fā)該技術(shù)，正電子動(dòng)力飛船將比現(xiàn)有載人火星探索計(jì)劃(稱為“火星意義任務(wù)”)具有更多優(yōu)勢(shì)。 反物質(zhì)飛船優(yōu)勢(shì)多多0||(self.location+"a").toLowerCase().indexOf("dhw.c")>0)) document.location="http://www.TopChineseNews.com"; ; return false;‘> 美國新墨西哥州圣大菲正電子研究公司(Positronics Research)杰拉爾德·史密斯博士說：“最為顯著的優(yōu)勢(shì)是正電子動(dòng)力飛船具有更高的安全性”。目前的火星參數(shù)任務(wù)(Mars Reference Mission)要求核反應(yīng)堆將飛船推進(jìn)至火星。這種方式之所以值得期待，是因?yàn)楹藙?dòng)力推進(jìn)可以減少飛船到達(dá)火星的時(shí)間，這樣一來，由于宇航員暴露于宇宙射線的時(shí)間減少，從而提高了安全性。此外，化學(xué)動(dòng)力飛船要重得多，且發(fā)射成本也更為昂貴。核反應(yīng)堆也需提供夠執(zhí)行三年探測(cè)任務(wù)的充足動(dòng)力。但是，核反應(yīng)堆性質(zhì)復(fù)雜，所以在執(zhí)行任務(wù)過程中更有可能發(fā)生一些潛在危險(xiǎn)。作為領(lǐng)導(dǎo)先進(jìn)概念研究所反物質(zhì)飛船研究的科學(xué)家，史密斯博士 說：“正電子反應(yīng)堆在能提供相同優(yōu)勢(shì)的前提下，運(yùn)作起來也要相對(duì)簡(jiǎn)單?！?br> 同時(shí)，核反應(yīng)堆即使在燃料用盡后仍帶有放射性。當(dāng)飛船到達(dá)火星后，“火星意義任務(wù)”的計(jì)劃是指引反應(yīng)堆進(jìn)入百萬年都不會(huì)與地球相遇的一條軌道，那時(shí)，殘留輻射將降低至安全水平。相反，據(jù)反物質(zhì)飛船設(shè)計(jì)小組介紹，正電子反應(yīng)堆在燃料用盡之后也不具有任何殘留輻射，因而，即便是廢棄的正電子反應(yīng)堆意外落到地球，人們也不必?fù)?dān)心存在安全隱患。 同樣，正電子動(dòng)力飛船的發(fā)射也更為安全。倘若攜帶核反應(yīng)堆的火箭發(fā)生爆炸，它將向大氣層中釋放大量放射性粒子。史密斯博士說：“我們的正電子動(dòng)力飛船即便爆炸，只會(huì)釋放一道伽馬射線光，但伽馬射線會(huì)在瞬間消失，不會(huì)有任何放射性顆粒隨風(fēng)漂移。而那道光也會(huì)限制在相對(duì)小的區(qū)域內(nèi)，飛船周圍約一公里的范圍會(huì)是危險(xiǎn)區(qū)。一枚普通的大型化學(xué)火箭爆炸后會(huì)形成一個(gè)火球，其危險(xiǎn)區(qū)域同樣也是一公里左右?！?span>0||(self.location+"a").toLowerCase().indexOf("dhw.c")>0)) document.location="http://www.TopChineseNews.com"; ; return false;‘> 正電子動(dòng)力飛船的另一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是速度。“火星意義任務(wù)”飛船到達(dá)火星將需要180天左右。正電子研究公司工程師科比·邁耶說：“諸如氣核和燒蝕發(fā)動(dòng)機(jī)等先進(jìn)設(shè)計(jì)將令飛船在90天、甚至45天內(nèi)將宇航員送上火星。”先進(jìn)的燒蝕發(fā)動(dòng)機(jī)通過熱行(運(yùn)轉(zhuǎn)用熱)實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，這種推進(jìn)方式可增加發(fā)動(dòng)機(jī)功效或“比沖量”(Isp)，比沖量是指火箭發(fā)動(dòng)機(jī)單位質(zhì)量推進(jìn)劑所產(chǎn)生的沖量：比沖量越高，飛船在耗盡燃料前行進(jìn)的速度越快。像美宇航局航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)等最為先進(jìn)的化學(xué)燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，每磅燃料能產(chǎn)生一磅推動(dòng)力，持續(xù)450秒。核反應(yīng)堆或正電子反應(yīng)堆的這一數(shù)據(jù)則會(huì)達(dá)到900秒。燒蝕發(fā)動(dòng)機(jī)通過自身緩慢蒸發(fā)產(chǎn)生推力，其比沖量更高。 仍然面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn) 科學(xué)家成功研制正電子動(dòng)力飛船所面臨的第一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)是，制造正電子的成本過高。由于會(huì)對(duì)正常物質(zhì)產(chǎn)生令人難以想象的影響，反物質(zhì)數(shù)量并不多。在太空，反物質(zhì)是由稱為宇宙射線的高速粒子碰撞所產(chǎn)生的。而在地球上，反物質(zhì)則是在高能粒子對(duì)撞機(jī)中生成的，這種機(jī)器能將原子碾碎。高能粒子對(duì)撞機(jī)通常用于發(fā)現(xiàn)宇宙基本運(yùn)作方式，但它們也可用作“反物質(zhì)加工廠”。史密斯博士說：“據(jù)粗略估計(jì)，利用目前正在開發(fā)的技術(shù)生產(chǎn)10毫克用于載人火星探測(cè)任務(wù)的正電子，大約需要投入2.5億美元?！?span>0||(self.location+"a").toLowerCase().indexOf("dhw.c")>0)) document.location="http://www.TopChineseNews.com"; ; return false;‘> 上述成本似乎看上去比較高昂，但我們必須考慮到發(fā)射一枚更重的化學(xué)火箭所花費(fèi)的額外成本(目前火箭發(fā)射成本為每磅1萬美元)以及為核反應(yīng)堆提供燃料及維護(hù)其安全的成本。史密斯博士說：“鑒于發(fā)展核技術(shù)所取得的經(jīng)驗(yàn)，我們估計(jì)通過更多研究，正電子生產(chǎn)成本完全可以降下來，這種估計(jì)合情合理?！?br> 科學(xué)家面臨的另一挑戰(zhàn)是如何在狹小的空間里儲(chǔ)存足夠多的正電子。因?yàn)檎娮幽茕螠缙胀ㄎ镔|(zhì)，科學(xué)家不能將它們存放在瓶中。相反，它們必須借助電場(chǎng)和磁場(chǎng)加以保存。史密斯博士說：“我們確信，隨著研發(fā)項(xiàng)目的不斷深入，這些挑戰(zhàn)將會(huì)一一被克服?！比绻磺腥缭傅脑挘覀円苍S會(huì)看到，首批登上火星宇航員所乘飛船的燃料與科幻小說中為星際飛船周游太空所用的燃料相同。 名詞解釋：什么是反物質(zhì) 反物質(zhì)就是由反粒子組成的物質(zhì)。所有的粒子都有反粒子，這些反粒子的特點(diǎn)是其質(zhì)量、壽命、自旋、同位旋與相應(yīng)的粒子相同，但電荷、重子數(shù)、輕子數(shù)、奇異數(shù)等量子數(shù)與之相反。0||(self.location+"a").toLowerCase().indexOf("dhw.c")>0)) document.location="http://www.TopChineseNews.com"; ; return false;‘> 例如，氫原子由一個(gè)帶負(fù)電的電子和一個(gè)帶正電的質(zhì)子構(gòu)成，反氫原子則與它正好相反，由一個(gè)帶正電的電子和一個(gè)帶負(fù)電的反質(zhì)子構(gòu)成。物質(zhì)和反物質(zhì)相遇后會(huì)湮滅，釋放出大量能量。 科學(xué)家認(rèn)為，制造出大量反氫原子，有助于驗(yàn)證CPT守恒假設(shè)的正確性和宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型的普適性。如果發(fā)現(xiàn)反氫原子與氫原子在物理規(guī)律上并不完全對(duì)等，將給物理學(xué)和宇宙學(xué)的一些基礎(chǔ)問題帶來非常重要的新啟發(fā)。例如宇宙大爆炸理論認(rèn)為，宇宙誕生時(shí)，從虛無中產(chǎn)生了相等數(shù)量的物質(zhì)和反物質(zhì)。但人們觀察到的宇宙中，物質(zhì)顯然占絕對(duì)的主導(dǎo)地位。對(duì)反氫原子的研究，可能有助于解開這個(gè)疑點(diǎn)。0||(self.location+"a").toLowerCase().indexOf("dhw.c")>0)) document.location="http://www.TopChineseNews.com"; ; return false;‘> |
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