反物质推进和其他
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反物质推进和其他
当人们想要登月的时候，只有两个问题需要解决：第一，怎样才能到达月球；第二，怎样返回地球。如果这两个问题没有解决，就不要出发，这是关键所在。
——[美]尼尔·阿姆斯特朗
很显然，反物质和普通的物质完全一样。我们无法区分苹果和反苹果……如果非要说区别的话，反物质和物质的区别仅仅在于它们的基本组成结构，即基本粒子。我们已经看到，一个原子主要由一个原子核构成，而构成原子核的是带正电荷的质子和不带电的中子。它们在强核力的作用下结合在一起，强核力将各种带同种电荷的质子紧密地聚合在一起，尽管它们之间互相排斥，但排斥力远远弱于强核力。围绕在原子核周围的是带负电的电子云，量子力学的概率论很好地描述了它们的运行方式。尽管从宏观层面来看，质子和中子的质量微乎其微，但它们仍是电子质量的两千倍左右。
20世纪20年代末期，在现代原子物理学的开端，英国物理学家保罗·狄拉克预测了反电子的存在，用来解决最初的量子理论公式中一些明显的不合逻辑的问题。反电子，又叫正电子，是一种和电子一模一样的粒子，它们具有相同的质量，但反电子带的是正电荷。更加准确来说，狄拉克找到了他的方程式（该方程用来描述基本粒子的运动）的解答，提出电子带有负能量。众所周知，能量被定义为正向的物理量，而狄拉克提出的解决方式，说通俗点，是非物理学的方式。聪明的狄拉克完美地化解了这个难题，他假设带负能量的电子完全等同于带正能量的正电子，因此，就把问题转移到了去寻找真正的反粒子，并证实它们的存在。几年后，美国人卡尔·安德森果然发现了正电子，从而打开了潘多拉的魔盒，在后来的若干年里，其他大量的反物质粒子从魔盒里跳出来，所有这些反物质粒子都和普通粒子成对出现。这样，反质子也被发现了，它带负电，还有反中子，和中子一样，它也不带电：零的反面还是零。
自从出现了反粒子，就有可能形成由反原子构成的反物质——至少理论层面是这样。我们之前已经说过，物质相较于反物质的优越性在宇宙诞生初期就已经确立，如今，在宇宙中只留下一些反物质的痕迹，和它一起的还有占据主要空间的暗物质和暗能量。说到这儿，我们需要思考一下，如果把构成我们宇宙的粒子称为物质，把实际不存在的姐妹粒子称为反物质，其实不能确保物质的任何优越地位。如果在宇宙大爆炸的湮灭时刻出现偶然情况，湮灭后多余的部分是反物质而不是物质，我们现在就会安静地生活在一个带有负电荷质子的宇宙中，在质子周围，正电子正围绕着它运动。这也是一个惯常的现象。
现在我们知道，1克的物质如果全部转化为能量，可以产生巨大的能量，等同于热核爆炸所释放的能量。那么，很显然，对于1克反物质，也能产生同样巨大的能量。如果物质和反物质发生了湮灭，这两克的质量能产生双倍的能量，也就是大约2×1014焦耳。湮灭反应的过程和反应后的最终产物取决于发生相互作用的粒子的种类。一个电子和一个正电子发生作用，产生了能量相对较高的两个光子，每个光子的能量等同于一个电子（或正电子）的质量乘以光速的二次方（c2）。如果是质子和反质子或中子和反中子发生湮灭，最终的可能产物就更多了，不仅包括非常高能的光子——伽马射线，还有其他一些奇异的基本粒子，如π介子和缪子。另外，由于质子和中子的质量比电子要高很多，湮灭后产生的总能量也比电子和正电子湮灭后产生的能量要高很多。
根据以上我们讨论的这些内容，很显然，由“分布”在一个质子周围的一个电子组成的氢原子非常稳定，且永恒地存在下去，它完全类似于一个由正电子和一个反质子组成的反氢原子。氦原子也是如此，它由两个电子、两个质子和两个中子组成，与反氦原子类似。众所周知，反物质是不稳定的，其真正原因在于：它一旦形成，就很容易和周围占优势地位的物质接触并发生湮灭，比如它可能撞向存放它的容器壁。如今，我们在物理学实验室中已经能够不断制造反物质——例如欧洲核子研究中心或美国费米实验室，然而，遗憾的是，我们产出的量还很少。由于反物质的不稳定性，一旦生产出来，它们就被保存在特定的容器中，电磁场的作用力使它们悬浮在真空中，因此不与任何物质接触。
生产单个反物质粒子——正电子、反质子等——在技术上是可行的，只要运用核物理学和基本粒子物理学的典型方法。例如，可以利用由粒子加速器激发的物质微粒，使其相互作用，有时通过级联过程，使粒子相互作用。我们也可以从伽马光子开始，使其通过密度很大的有厚度的材料——如铅，从而产生诸多电子和正电子对。通过电磁场的作用，将正电子从众多正负电子对中筛选出来。
如果要制造中性反物质或是反物质原子，比如反氢原子，过程会更加复杂，产出的量也会更少：首先，我们要制造出数量较多的反质子，它们的动能极低，几乎是静止的，然后让它们和正电子碰撞并结合在一起，这段过程要保持足够长的时间，直到它们最终结合成一个稳固的状态，一个围着另一个旋转。通过基本粒子碰撞而产生的反质子被我们筛选出来，接着，我们让它们在加速器中减速，此时加速器在反向运转，不断降低粒子的速度，而不是加快它们的速度。然后，我们将这些反质子保存在一些非常小的空间内，并使之前产生的正电子云穿过空间，因此，我们有可能制造出反氢原子，虽然这种可能性很小，但不至于为零。
人们很清楚地明白这一生产机制本质上是多么复杂，而且效率很低，从经济角度来看，负担也很重。在欧洲核子研究中心，目前为止也只能制造出几百个能量相对较低的反物质原子，并通过电磁作用力将它们保存几分钟。直到如今，反物质也只能用于科学研究，虽然我们认为反物质和普通物质的物理特性几乎一样，这是合乎逻辑的，但还有待进一步验证。在众多解析反物质的物理属性的实验中，就有我们欧洲核子研究中心的一些在研项目，目的是为了去探测反原子在地球引力场中的引力加速运动。如果用简单的话来说，研究的核心问题在于理解一个假设的反苹果在自由状态时是和普通的苹果一样，向地球的中心降落呢，还是加速朝反方向运动，也就是向高空逃离呢！撇开基础研究不谈，根据科学原理，反物质也可用于技术、实践领域，尤其是和能量相关的实践领域。
我们已经看到，物质与反物质的湮灭几乎能将所有质量转化为能量，这一反应的效率非常高。然而，要制造一定数量的反物质，问题首先在于能源生产和转化的效率，也就是需要多少常规能量——通常是电能——用来维持设备正常运转——从而产生一定数量的反物质，它们被存储起来，供以后使用。一个很小的质量也能转化成较大的能量（E=mc2），直觉告诉我们，将能量“浓缩”在反物质中是存储能量的一种便捷的方式。目前，由于反物质的生产只用于科学研究，因此它的产量很低，只有百万分之一，但是，可以想象，通过优化生产过程，将其用于工业领域甚至军事领域（哎！），它的产量有可能达到千分之一，甚至更多。
本质来看，制造带电荷的反物质更加简单，因为它们只是单个的基本粒子，比如正电子或反质子。制造正电子可以带来更大的优势，但是，由于它们的质量比反质子小两千倍，生产出的正电子所存储的能量比反质子存储的能量在比例上小很多。然而，如果用粒子实验室传统的方法制造反质子，比如用欧洲核子研究中心或美国费米实验室的方法，为了让反质子减速并存储它们，所使用的粒子加速器要更大、更复杂且更昂贵，使用的其他设备也更加复杂。
对反物质的实际运用还体现在建造宇宙飞船的发动机上（现在我们开始进入正题），我们至少需要几分之一克的反物质：这比迄今为止用于科学研究而生产出的反物质的数量多出好几个数量级。如果使用欧洲核子研究中心目前的设备，这一“反物质制造工厂”需要耗费大约十亿年的时间才能生产一克的反物质，它由6×1023个反氢原子组成！即使我们能够更新现有的生产设备，目前仍然无法生产数量稍多的反物质，因为生产所要消耗的能量非常惊人。我们可以想象，如果每年生产2克反质子，消耗的能量总值约为50吉瓦，即500亿瓦，这相当于美国所有核电站的总能量。为了产生这么多的能量，需要在工厂附近建造一些大规模的太阳能发电站，也许可以建在远离城市的荒漠中，它将会占据1 000平方千米的土地。如果目标更远大一些，需要建造一些规模巨大的太阳能存储站，它可达到数十万甚至数百万平方千米的规模，这在技术上是可以想象的。
制造中性反物质，即整个反物质的原子，一方面可以带来更大的优势，因为它质量更高，因此可以更有效地集中能量；另一方面，它的生产过程更加复杂，就像上面所说的那样，必须运用核物理学和基本粒子物理学的方法去生产。假设我们要生产反锂–7原子，它含有丰富的反中子，能够有效地释放能量；该反原子有3个正电子，围绕原子核旋转，原子核由3个反质子和4个反中子组成。通常情况下，我们首先让高能质子碰撞，碰撞后将会产生反质子，反质子也一直加速，然后碰撞，随后产生一系列的级联反应，所产生的粒子堆积在一起，变得越来越复杂，然后再相互碰撞，这个过程将一直延续下去。
我们这一讲中发挥关键作用的角色还有电磁场，它可以存储反物质，即在反物质和相似数量的物质发生湮灭之前存储它。出于技术考虑，存储设备必须简单、安全、可运输：这是将反物质用于民用、实践领域所要解决的又一复杂问题。
综上所述，很少几克反物质就能浓缩惊人的能量。正因如此，人们试图用非常特别的反物质推进剂作为可能的火箭发动机，从而解决太空探索所需要的庞大的推进剂空间储备的问题。然而，反物质发动机的问题至今没有得到解决，主要原因有两个：第一，人类至今无法生产足够的反物质，用于技术、实践领域；第二，生产这类的发动机相当复杂，同样复杂的还有辐射问题，这类发动机可能会给宇航员带来放射性辐射。然而，无论如何，我们不可否认，使用反物质发动机能够长时间保持极高的加速度，最终的速度将接近光速，产生可观的相对论效应。
在继续讨论之前，我们应当看到，如果要长距离飞行的话，一个很好的解决方案是不要向太空发送那些复杂的、沉重的、昂贵的载人宇宙飞船，而要发送自动的、轻型的、相对简单的、无人驾驶的微型飞船，这样就会减少很多因为使用传统飞船而带来的严苛要求。具体来看，一个现实的、在合理的时间范围内可行的方案是建立微型模型，重量在一克左右，或者略多，然后把它们放在一些用极轻的、耐腐蚀的材料做成的球体中，或者使它们黏附在极轻的微型太空帆上。每个模型都应该包含——微型的——陀螺仪、太阳能电池、放射源、微型照相机、计算机、磁强计、天线、收音机、粒子探测器等，以及所有必要的用来获取遥远行星（比如半人马座星系中的一颗行星）数据的仪器，然后将这些数据传送至地球。
通过高于重力加速度数万倍的加速运动，球体或太空帆的速度将被推进到约光速的五分之一，这一加速度由激光束电池的压力产生，其功率相当于100个核反应堆。宇航员的生物属性决定了他们无法承受这样的加速度。我们可以连续发射成百上千个探测器，这样便形成了一个奇妙的太空列车。如果某一探测器发生故障，足够的余量能使我们继续进行太空探测，更重要的是，我们可以让信息通过这样的“列车”传递到地球。
如果使用了上述探测系统，就有可能在20年内到达半人马座星系的其中一颗行星，去验证那儿是否存在生物讯号，或者至少是某种智慧生命形式发出的技术讯号。最近几年，随着科技在微型电子设备、纳米技术和大功率激光发射器方面的不断发展，这一想法变得非常可行，至少理论上是可行的。很多雄心勃勃的计划已经在认真考虑这些理念，比如，2016年启动的“突破计划”系列中的“突破摄星”计划（Breakthrough Starshot Project），就打算去探索宜居星球，该计划得到了茱莉亚和尤里·米尔纳、马克·扎克伯格等人的支持和资助。
如果我们的目标是要建造载人宇宙飞船，那就需要进一步发展反物质发动机这一概念。我们已经讨论了在生产反物质如反质子方面低效的问题。现在，让我们思考一下，一个粒子加速器可以将维持它运行的电能转化为粒子加速后的动能——通常是质子——它们通过碰撞又产生了子粒子，这一过程符合爱因斯坦的质量-能量守恒定律。在这些粒子中肯定有反质子，只不过量很少而已。如果将这一极低的生产效率提升数倍，我们最终可以收获一些反质子，数量为十亿分之一或者更少。如果计算生产反质子的经济成本，而且这一生产只是为了科学研究，很容易达到每克千万亿美元的高昂价值。如果优化生产过程，产品面向实践应用，这笔费用有望减少到每克一千亿美元。当然了，另一条可供选择的途径是研究数量更小的反物质的实践运用：微克甚至纳克。
从技术角度来看，我们有必要概述一下建造真实的反物质发动机的可能方法。任何导弹系统的基础概念是它的推力，来自发动机喷嘴所喷射出的气体、微粒或具有巨大动力的流体。在导弹发射过程中，由于导弹对喷射出来的物质有一个向后的力，所以被喷射的物质对导弹有一个相同的反作用力，使其向前运动。就好像溜冰者在冰面上向某一方向猛烈投掷重物：除了摩擦力之外，他还将受到一个与投掷方向相反的推力作用。在宇宙空间中，由于没有摩擦力，这一过程显然更加有效。
质子与反质子的湮灭会产生各种粒子，它们的相对比例随着不同的湮灭而发生变化，在数值上是不同的：湮灭的产物主要是伽马射线和带电荷或中性的π介子——它们的特性与质子或反质子类似，但质量较低且不稳定。中性的π介子会衰变（转换）为另外两种伽马射线，而带电荷的π介子在经过数米的运动后会转变为缪子和中微子。前者是电子的“重型兄弟”，在几百米的距离内，也会衰变为电子和其他中微子。这意味着，质子与反质子湮灭的最终结果是伽马光子、电子和中微子。
总体来看，伽马射线对于我们来说并不是特别有用，如同很快消失的中微子。伽马射线通常可在大范围内产生，而且，由于它是电中性的，它的飞行轨迹不受磁场影响，不发生偏转，因此不可能迫使它从反应堆的喷嘴中喷发出来，施加一定的推力。另外，还有一个不容忽视的因素，它对于宇航员来说，是摧残身体的放射源，如果要对它加以适当的屏蔽，很容易增加飞船的重量，使飞船过载。中微子也是不带电的粒子，但很难寻找到它们的痕迹。因此，我们知道，为了限制飞船的规模、降低它的复杂性，最好是用带电荷的、受到磁场影响的缪子作为它的推力，缪子的高速度和随之而来的相对论效应使得它有足够的时间穿越十分遥远的距离，这一点，值得我们充分利用。
然而，我们不仅可以利用反物质与物质的湮灭所释放出的巨大能量作为航天器的动力源，还可以建造一个综合了核裂变和核聚变过程的混合系统，从而极大减少对反物质的需求。比如，我们可以思考一个反应过程（目前为止仅停留在理论层面），在此过程中，反质子会促进（催化）铀原子的裂变反应。所释放的热量可能会引发氘–氚的聚变反应，由此产生的热膨胀将成为火箭的推力。或者，我们可以考虑用电磁场去收拢反质子气体，并将掺入了重元素的氘的液滴注入其中。这一过程所激发的裂变和聚变反应也会成为火箭的推力。一旦减少了对反物质的需求，我们就可以合理地规划一次为期一年的木星往返旅程，我们乘坐10吨重的航天器，以均速低于100千米/秒的速度飞行，此时需要的反质子数量仅在1微克左右。这个方案不是不可实现。如果我们把目标定得更远大一些，让旅行距离变得更长，就可以运用混合动力的方法，那么，一个质量缩减到约100千克的自动太空探测器以约1 000千米/秒的速度飞行，在50年内可抵达奥尔特云的起点，它距离我们30光天，飞行需要的反质子数量为几微克。在上述两个例子中，通过加速使飞行器达到恒定速度后，飞行器继续以惯性速度飞行——因此无须消耗燃料——直到到达目的地附近，开始适当地减速。由于相对较低的速度，对于地球上的人来说，他们所感知到的飞行时间和飞行器实际经历的飞行时间是一样的，此时相对论效应可以忽略不计。
对于速度需求更高的飞行任务，即远远大于每秒几千千米的速度，就要使用我们一开始介绍的方法，也就是需要依靠物质与反物质湮灭直接释放的产物。我们的梦想是在40年内到达半人马座，以光速的20%飞行。在这种情况下，旅程的前半段将会持续加速，后半段则会减速，直到到达目的地，否则的话将会继续向前飞行，而错失目的地。类似这样的飞行对能量的消耗会非常大。对于重量为1 000千克的“有效载荷”——飞船内容物的有用重量，不包括燃料——将需要100—200千克的反物质和同样数量的物质发生湮灭（这对于今天或者明天来说都是不现实的）。
如果我们想象一次飞出银河系外的旅行——比如之前提到的前往银河系中心的单程旅行——假设乘坐1万吨的宇宙飞船，那就真的进入了幻想世界，或许我们可以无限乐观地假想未来的技术可能在这方面发展，但是实现起来仍十分遥远。我们的想法是要进行一次持续时间不到20年的旅行，这一时间与宇航员的寿命相符，但所需的能量——显然只是预估的近似能量，它将很多未知因素也纳入其中——是一个天文数字，毫无疑问将超过1030焦耳。这一能量到底有多大呢？现在来给出一些具体的概念：它相当于40分钟内太阳产生的能量；相当于超过500亿吨的反物质与同样多的物质湮灭而产生的能量；这是一个不切实际的质量，比假想的宇宙飞船的质量要大得多得多。对于承载人数更多的、宇宙飞船规模更大的银河系外旅行，上述所有的数字又将完全改变，这一极富幻想性的假设可能只会变成梦想，也许在反物质发动机方面的技术永远达不到这一要求。
虽然可以预见反物质的生产技术会得到改进，推力的效率会进一步提升——也许可以使用质量相对较高的、易储存的反原子，通过磁性物质将它存储起来，比如反碳原子——但是，仅使用反物质发动机作为载人星际旅行的动力系统还是不够的，目前为止也仅是一个不可实现的梦想，光是飞出太阳系的载人飞行任务就已经需要惊人的能量了。而且，上述一切还没有考虑到存储反物质的过程，该过程同样需要安全、可靠。
鉴于上述情况，人们提出了许多不同的替代方案或补充性解决方案，为星际旅行的推进系统出谋划策。例如，20世纪60年代，物理学家保罗·布萨德（Paul Bussard）提出了一种“布萨德喷气式引擎”。它的原理是利用强电场吸收周围太空中的氢气，并激发飞船的喷气式引擎的热核聚变反应——飞船周围的强电场足够大，一直延伸到非常遥远的距离，它把粒子吸收到巨大的粒子收集器的屏幕上，这些收集器被放置在飞船运动方向的横截面上。然后，极度稀薄的粒子气体被压缩——这一过程被称为“冲压式喷气”（ramjet），它发生在核聚变反应被激发之前。核聚变反应发生后，产生了极大的推力，可以将飞船提升至很高的速度。布萨德的这一方案同样也存在优点和弊端。最大的优点是它可以在非绝对真空的太空中获取氢燃料，而不需要在出发的时候就携带燃料。随着飞船的加速，这一吸收星际气体的机制会变得越来越高效，就像在高速公路上行驶的汽车，速度越快，它的挡风玻璃上吸引的蚊虫越多，直到粘满整个玻璃。该方案的一个潜在的局限性是引擎的最大功率相对有限。不过，在遥远的未来，我们也有可能将各种不同的先进方案结合在一起，也许可以将它与反物质推进器相结合。
无论飞船采用何种推力系统，我们所有考虑的关键在于：在合理的时间范围内（因此在非常高的速度下）探索银河系和更远的地方，这就需要浓缩和利用巨大的能量，这些能量足以与使恒星运行的能量相媲美。这是一个可能无法克服的障碍，但是我们仍可以在科学理论方面进行纯粹的设想。
我们也可以用另一种方式在银河系内外旅行，那就是双脚跳入科幻世界，尽管我们从一开始就抛弃了这一方式：例如，我们可以考虑超光速飞行或者跳入虫洞，它是联结宇宙中任意两个遥远时空的空间隧道。目前，这些理论都没有经过实验验证，因为任何实验都无法操作，只能通过强大的想象力去冥想，毕竟做梦是不会被禁止的……
因此，用已知的物理学方法进行星际旅行是最明智的选择，尽管各种问题和障碍已经远远超越了我们可以想象的极限。然而，我们使用核能也只有几十年的时间，我们进入太空的时间更短，这也是事实，而且，直到最近我们才开始采用相对先进的方法生产反物质。如今，科技正在迅猛发展，只要有一点乐观主义精神，我们就可以对未来满怀希望，去发现更多，有些将会是颠覆性的发现。历史告诉我们，在最近几个世纪中，科学持续发展，再加上一些突然的质的飞跃，构成了科学研究真正范式的转变。正是因为有了科学的飞跃，使得我们可以利用一些基本发现去完成真正的技术革命，开辟一些新的应用，这些应用在不久之前还是无法想象的，有些甚至来自科幻小说里的情节。只要想想激光、互联网、纳米技术、人工智能、机器人技术、微型电子产品等，更不用说在生命科学领域中的类似技术革命，诸如基因工程等。人类追寻新的发现、新的应用、新的工具、新的技术，并在基础领域进一步发展的趋势似乎不可阻挡，而且脚步越来越快，这仿佛是刻在人类大脑里的一个天然属性，是人类的本质特征。如果这一趋势在未来一直延续下去，就必须和经济、社会、道德并行发展，我们将会从中享受到很多的乐趣。我们现在能做的，就是在理论层面上设计一个不可思议的太空之旅，对于这一旅程所使用的技术，我们再次重申，一切显然都是乌托邦式的幻想，然而，总有一天会实现。