科学家正在研发反物质飞船 飞到火星只需2月 星际旅行不再是梦

大家好，火箭是我们生活中常听说的一种运输工具，它的发明大大使得我们人类在探索未知宇宙中加快脚步，从建造宇宙空间站，到发射卫星，没有一次是能缺席它的，是对人类做出重大贡献的运输工具之一。人类在两百多年前的时候渴望着能够飞到月球上去，众多科学家也为此做出了巨大贡献，比如艾萨克牛顿的微积分，用于天文学、力学、光学、热学等各个领域，并获得了丰硕的成果。在数学本身又发展出了多元微分学、多重积分学、微分方程、无穷级数的理论、变分法，大大减少了人类计算火箭的成本。

数学使生活更加方便

事实上火箭飞到月球需要13天左右，而飞到火星就需要3年左右，在我们印象中火箭的速度非常快，那么火箭可以飞到多快呢？

火箭离地推进可以达到5公里每秒，多级火箭航天器进入飞行轨道的速度可以达到第一宇宙速度7.9公里每秒，火箭摆脱地球引力束缚飞离地球的速度可以达到每秒11.2公里每秒。我们如果想在提高火箭的速度目前只有三种方法：一是采用高能量的推进剂，即采用高比推力的推进剂，但比推力的提高受到科学技术水平的限制，如今常用的高比推力的化学能推进剂为液氧和液氢；二是采用高强度的结构材料，尽量减轻火箭的结构质量，这种办法也受当前科学技术水平的限制；三是增加火箭的推进剂质量，但单纯增加推进剂质量也不行，当GT增加时贮箱的容积也增加，结构质量随之增加。

速度加快了科学的脚步

（GT +GJ）/GJ的比值是非线性增长的，当推进剂适量增多时该比值增长幅度较大。但当GT 越来越大时，该比值的增长幅度将越来越小，最终会趋于一个常值。也就是在Pb不变的情况下，无论GT 怎样增加，火箭的末速度会停留在某个数值上而不再增大。火箭装载的燃料越多，火箭本身也就越重，火箭飞行一段时间之后，推进剂被消耗，贮箱越来越空，推进剂释放出来的能量不仅要加速有效载荷，还要加速这部分空贮箱，如果贮箱越重，用于加速空贮箱的推进剂比例就越大，直到速度不再增加。

火箭使人类视野更加辽阔

随着人类逐渐进入深空探测和空间飞行器的功能增多，对火箭燃料的品质也非常挑剔，目前我们火箭使用的燃料是一种航空煤油它具有密度适宜，热值高，燃烧性能好，能迅速、稳定、连续、完全燃烧，且燃烧区域小，积碳量少，不易结焦，低温流动性好，无色透明而且不易挥发。燃点大约在3000℃左右，别说用打火石了，就算用明火也是点不燃。

飞行器更加稳定

而我们今天要谈到的则是一种全新的燃料，“反物质”制成的燃料。实验证明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=mc2释放巨大的能量，就所有物理反应而言，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的7次方焦耳的能量，核聚变产生8×10的13次方焦耳，核聚变产生3×10的14次方焦耳，而反物质的湮灭能产生9×10的16次方焦耳，是氢氧化学反应的1百亿倍，太阳核心热核反应的300倍。

多种粒子相互结合产生化学反应

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。反物质燃料还有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。

电子之间相互作用

我们在科幻电影中所见到的宇宙飞船，像是星球大战里面的千年隼号，星际迷航里面的企业号，穿梭在宇宙中各个星球之间，大多数可能都是用的这种燃料，原因就是反物质燃料是最有潜力的燃料。如果人类想要飞到火星上面，要是用现在的燃料，则需要成千上万吨的航天燃料重量非常重，严重影响飞船的速度，到达火星需要3年多时间，但是换做反物质燃料那么能够节省非常多的燃料，而且本身反物质产生的能量就非常巨大，到达火星就大大缩短为2个月。

太空探索

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，根据爱因斯坦的智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，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。

能量转换

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，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，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。

化学实验

我们要是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。

因为正电子和负电子湮灭只产生高能y射线，这种高能γ射线是无法控制发射方向的，所以不适合做飞船燃料。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，我们就可以最大程度利用这些能量。

燃料存储

反物质是否存在呢？

欧洲核子研究中心的科研人员在6月5日在英国《自然物理》杂志上报告说，他们成功地将反氢原子“抓住”长达一千秒的时间，也就是超过16分钟，这有利于对反物质性质进行精确研究。反氢原子是普通氢原子对应的反物质形态。反物质与普通物质相遇就会湮灭，此前制造出的反氢原子往往只能存在几微秒的时间。11月，欧洲核子研究中心利用反氢原子微弱的磁性，首次成功地用“磁场陷阱”束缚住了反氢原子，时间达172毫秒。

科学实验

5日发表的新研究在束缚时间上取得了巨大突破。科学家在论文中说，他们在这一轮研究中，先后用磁场陷阱抓住了112个反氢原子，时间从1/5秒到一千秒不等。在这一轮研究中，科学家单次最多一次抓住了3个反氢原子。他们希望能将更多的反氢原子束缚较长时间，使测量数据在统计上更加精确。反物质是由反粒子组成的物质，反粒子的质量等特性与组成普通物质的粒子相同，但电荷等特性相反。氢原子由一个带负电的电子和一个带正电的质子构成，反氢原子则与它正好相反，由一个带正电的正电子和一个带负电的反质子构成。

不过反物质至今都是物理学领域的一大谜团。现有理论认为，在宇宙诞生的大爆炸中产生了数量相等的物质和反物质。但是人们在观测宇宙中，观测到最多的是以物质占绝对主导。经过科学家的努力我相信在不久将来，我们一定能实现飞向火星的目标。

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