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62.5万亿美元一克!昂贵的反物质,为什么被誉为终极能源?

2020-11-25

在目睹了人类第一颗原子弹爆炸后,美国原子弹之父奥本.海默想起了印度史诗《薄迦梵歌》中的一句话:满天奇光异彩,犹如圣灵逞威,只有一千个太阳,才能与其争辉!

虽然直到半个多世纪后的今天,核武器仍是人类熟练掌握的最强能量释放形式,但科学家很清楚,宇宙中还有更可怕的力量,比如黑洞,比如反物质,与那些力量相比,强如前苏联的沙皇氢弹,也不过是一只温柔的蜡烛。

质量和能量

在物理学中“守恒”是非常重要的,因此在爱因斯坦完成狭义相对论后,如何按照E=MC²,把尽可能多的质量“引出来”变成能量释放出去,就成了物理学研究的一个热门。

若干年后,在放射性原理和质能方程的指导下,人类制造出了原子弹和氢弹,前者属于核裂变能量释放,能把0.135%的质量转化成能量,后者属于核聚变能量释放,能把0.7%的质量转化成能量,可以看出不论是核裂变还是核聚变,它们的质能转化率都不高。

质能转化的天花板

在造价千亿的粒子对撞机里,物理学家们经常能撞出一些反物质,但由于它们的数量极其稀少且极易湮灭,所以目前制备一克反氢原子的成本高达62.5万亿美元

根据质能方程E=MC²,如果一克反物质脱离磁束缚而与正常物质发生接触,那么这克反物质就会和正常世界中的一克物质发生湮灭,一共两克物质将化作纯能量释放出去,威力则相当于4.3万吨TNT爆炸,简而言之,一克反物质的威力相当于两颗广岛原子弹。

反物质的应用和前景

一切以“能量释放”为目标的研究,最终都会优先服务于军事,原子弹和氢弹便是最典型的例子,反物质自然也不例外。

虽然现在人类还没办法大规模制备反物质,将其做成“反物质炸弹”用于军事目的,但电影《天使与魔鬼》中由微量反物质组成的“大规模杀伤性武器”还是有可能在不远的将来出现的,《三体》中维德用来威胁包围星环城舰队的“反物质步枪子弹”,同样也属于微量反物质武器,只是威力媲美核弹而已。

但从适用性角度来看,人类之间的战争其实是用不上反物质的,因为它威力太大了。把反物质当做武器好比在巷战中使用原子弹,稍微出现一点偏差就有可能造成“伤敌1000,自损999”的赔本局面。

反物质能和平利用吗?

“距离可控核聚变永远只剩50年”的情况下,人类距离能源危机并不远,但由于目前制造反物质所消耗的能量比产出反物质可释放的能量更大,所以把反物质当做能量来源,暂时还不具备经济上的可行性。

但NASA对反物质还是很有兴趣,因为他们对科学家计算结果显示,只要有17克反物质和正常物质发生湮灭释放能量,那么飞船就能用这些能量到达距离太阳系最近的恒星,4.22光年外的半人马座比邻星。

在人类宇航技术还局限在化学动力+引力弹弓的今天,反物质所带来的“宇航新时代”诱惑是非常大的,它完全能把人类宇宙“巡航”速度从现有的光速万分之一(30km/s),提升到光速的百分之一(3000km/s)甚至是十分之一(30000km/s)

每秒3万公里,意味着两秒内就能绕地球一圈(赤道周长4万公里),11秒内就能到达月球(地月距离38万公里),抛开后勤保障不谈,这个速度基本上能自由驰骋太阳系,且时间上也容易被人类接受。

《三体》中的三体第一舰队用的就是反物质加速,但它们并不是制备反物质,而是用磁场收集太空中的反物质粒子,每隔相当长一段时间才行加速一次,其余都只能以光速的百分之一前进,所以书中的三体人需要400年才能到达地球,可谓漫漫远征。

反物质在宇宙中扮演什么角色?

目前的宇宙学研究表明,在宇宙大爆炸之初,反物质要比普通物质少一点点,这个现象在物理学中被称为“对称性破缺”,是个比较特殊的情况,因为对称性基本上可以说是宇宙的本质之一,但反物质为什么比普通物质少一点,现在还是个值得研究的问题。

不过也多亏了这个“不对称”,宇宙才得以出现物质和我们人类,而不是在大爆炸瞬间湮灭得干干净净,但如果多元宇宙真的存在,那么就有可能存在一个由反物质构成的宇宙,对那个宇宙的智慧生命来说,我们宇宙的物质就是反物质......

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