反粒子是如何制造的?
详细的优先
谢谢
物质的期待与现实
杰拉德·史密斯认为,反物质能够带来解决问题的办法。反质子和正电子一类反物质,就存在于物理学家的身边。在各种各样的粒子中,存在着一类除电性相反而具有共同性质的反粒子,各种成对的粒子与反粒子一旦相遇,在释放出γ射线和π中间子及极大能量的同时将同归于尽。杰拉德·史密斯注意到成对的粒子与反粒子消失时释放的极大能量,理论上说,粒子与反粒子消失时产生的能量是核裂变和核聚变的100倍。要把一般质量为1000千克的宇宙飞船加速到0.1倍光速,经计算只需9千克的反物质燃料就够了。不过情况并不这么乐观。
问题之一是,怎样才能把反物质富集起来。杰拉德·史密斯在其中从事研究的位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心,在那里的巨型加速器中,10分钟里产生10亿个反质子。然而反质子以0.1倍光速(不可思议的高速)飞迸,要捕捉住它们谈何容易。史密斯在反质子的前方设置全金属箔和气体,以降低反质子的速度,力图将反质子封闭在一个用磁场构成的容器内。如果他成功了,10分钟里就能富集到100万个左右的反质子。遗憾的是,100万个反质子作为火箭燃料实在是杯水车薪微不足道,而且这项工作得不断反复进行,即便如此仍存在两个难题。
首先,反物质是带电性的粒子,彼此会产生排斥力,反物质的密度越高,用来约束反物质的磁场强度就越大,这就需要能让磁场强度之大超乎想象的超导材料,于是杰拉德·史密斯想到,让反质子与质子结合“制造”反氢原子,由于反氢原子不带电荷,就不需要形成超强磁场的超导材料了。
1996年1月,德国、意大利、瑞士等国科学家组成的国际研究小组宣布,他们利用欧洲核子研究中心的加速器,成功地制造出反氢原子。他们让反质子以高速运动,与氙气碰撞产生电子和正电子,在正电子与反质子速度相当的情况下,就能组成反氢原子。在他们的实验中,反氢原子约存在了40纳秒(1纳秒为十亿分之一秒)。
其次是数量的问题。即使建造高效率、规模巨大的反物质生产厂,要生产1克反物质就需要长得异乎寻常的时间。前面提到的国际研究小组在欧洲核子研究中心制造反氢原子,在三个星期的实验中只制造出9个,即使有了杰拉德·史密斯提出的10年内或许能问世的设施,每年也只能生产出1微克反物质,要把9千克反物质火箭燃料弄到手,必须得90亿年。
90亿年后,人类打算前往的目的地恒星还存在与否都不好说了。看来只利用反物质让火箭飞行的念头得放弃了。杰拉德·史密斯又提出,能否把反物质利用于核裂变和核聚变反应呢?如果利用反物质就能实现装置的小型化,让火箭便于搭载。利用反物质连续几天引发每秒钟一次相当150吨TNT当量的小爆炸,三年时间就可以把载人宇宙飞船送上冥王星。
用太阳帆不可能实现太阳系外飞行
杰拉德·史密斯的设想说到底,都是依靠使用燃料的火箭实现恒星际宇宙飞行。对他的设想提出质疑的人们中有一个人便是波普·佛沃德。波普·佛沃德受美国航空航天局的委托,进行利用反物质可行性的研究。反物质火箭必须使搭载的反物质发生反应,将超高温能量向火箭后方喷出。波普·佛沃德的结论是,对反物质火箭来说,火箭的质量和发动机的耐热性是根本问题所在。
1960年,佛沃德第一次提出了撑开巨大的铝箔制成的帆,利用太阳风推进飞行——“乘坐”从太阳不断喷发出的带电粒子流,也就是“坐蹭车”的“太阳帆”的构想。但是利用太阳帆在恒星际间飞行存在重大的缺陷。离开太阳系后,带电粒子流便变得稀薄,宇宙飞船在“无风”的状态下会停驶,利用太阳帆前往其他恒星显然是不可能的。
对激光束寄以厚望
稍后,佛沃德了解到利用红宝石产生的激光比太阳光更明亮,于是他又产生了一个新念头:用激光束鼓起宇宙飞船的光帆由此获得推进力。由于激光束几乎不会发散,激光束可以从太阳系中射出,所以能够实行必要的操纵和管理,设备的更新也有了可能。更重要的是,宇宙飞船再没有搭载燃料的必要了,宇宙飞船便能造得更轻。在加速到亚光速的情况下,宇宙飞船的质量不大是一个非常大的优势。
为了把宇宙飞船送至半人马座γ星,得用激光束加速约一年,使宇宙飞船的速度达到光速的三分之一左右,此后切断激光束,宇宙飞船转入惯性飞行。在接近半人马座γ星时,光帆的外圈逐次断开,形成同心圆状的三部分,把光帆的最外侧移至宇宙飞船的前部,同时再次发射强大的激光束,于是宇宙飞船后部的光帆便被罩在强光之中,宇宙飞船便获得了制动力。当然,来自宇宙飞船身后的激光束仍照射在光帆上构成推进力。但是宇宙飞船外侧的光帆面积是内侧两个光帆面积的9倍,制动力比推进力起到更大的作用。对半人马座γ星的探测结束准备踏上归途,处在中间的环状光帆被取下,此时光帆仍在反射激光束,并使宇宙飞船获得与来路相反的推进力得以飞返地球。
巨大光帆的设想现实吗?
美中不足的是,虽然具有无须搭载燃料的优点,但是宇宙飞船依靠激光束获得的推进力实在小得无济于事,于是优点便被这缺陷抵消了。要利用激光束来实现恒星际飞行,就必须有更强有力的激光束,光帆也必须大得超出想象。
佛沃德认为,在水星轨道上利用太阳能设置约1000台激光发射装置,如果把这些激光束用巨型装置合为一股,那么不开发巨型激光发射装置也行。不过要获得必要的推进力,理想的激光发射装置要比现在利用太阳能的激光发射装置强大1000亿倍!而且还得在土星附近设置巨大的透镜,以纠正激光束的发散。光帆的直径必须达到1000千米之巨,真是一个想入非非的计划。但是佛沃德说,若不从大处着眼就会一事无成。
对于佛沃德的雄心壮志,美国明尼苏达大学的数学家埃得·贝尔布鲁诺说了这么一番话:“即使让质量为1000千克的无人探测器飞行,就需要直径1000千米的光帆和巨大的透镜,这不过是异想天开。”
粒子束对单程飞行有效?
贝尔布鲁诺强调,利用激光束的设想存在难以解决的难题,他更关心粒子束。重粒子,比如质子,它没有光的速度却有质量,对于推进力而言,有质量的质子比没有质量的光子更有效。
提出“粒子束设想”的是霍普·萨普林和达纳·安得留,他们说,宇宙飞船的光帆采用超导体制成的巨环更有效。超导体环可形成面包圈状的磁场,粒子束射向磁场就会产生推进力。可用在小行星上设置的核聚变反应堆,超高温加热而等离子体化的气体,向一定方向喷射获得粒子束。
粒子束的缺点是很容易扩散——由于粒子之间彼此碰撞使粒子束扩散,距离增大效率就会降低,但是仍比激光束更具推进力。根据安得留的计算,他的“粒子束设想”只需使用佛沃德构想所需能量的六分之一,就能把载人宇宙飞船加速到三分之一的光速。不过,他也遇到了难题——宇宙飞船的乘员必须耐受高达1000g的加速度。
在“粒子束设想”中还有一个重大的不足,前往恒星这样遥远的地方,根本不可能传递能量,也就是说有去无回。安得留自信地说,虽说是“自杀”,估计还是会有志愿者的,毕竟有了新发现,可以用他的名字命名。不过,安得留被怀疑有“封闭恐惧症”的倾向,他本人恐怕是不会去当志愿者的。
余下的难题和形形色色的构思
贝尔布鲁诺坚持认为,目前用粒子束发送无人探测器是可能的。贝尔布鲁诺现在正在构想针尖大小的探测器,要是探测器只有1克质量,以亚光速飞行,质量就是增加也不是什么大不了的事。但是针尖这么小的东西要是丢失不见了怎么办呢?能在那上面搭载通讯装置什么的吗?难题不少。
此外,也有人提出了利用连接黑洞和白洞的“虫洞”,以及使用反重力让时间发生弯曲高速移动等方案。近来形形色色五花八门的方案更是层出不穷。就人类目前的科技水平而言,恒星际宇宙飞行本质上是不可能的,这也说明,我们还没有掌握能实现这一梦想的具体知识和技术,人类还得像以往那样探索相当长的时间。
杰拉德·史密斯认为,反物质能够带来解决问题的办法。反质子和正电子一类反物质,就存在于物理学家的身边。在各种各样的粒子中,存在着一类除电性相反而具有共同性质的反粒子,各种成对的粒子与反粒子一旦相遇,在释放出γ射线和π中间子及极大能量的同时将同归于尽。杰拉德·史密斯注意到成对的粒子与反粒子消失时释放的极大能量,理论上说,粒子与反粒子消失时产生的能量是核裂变和核聚变的100倍。要把一般质量为1000千克的宇宙飞船加速到0.1倍光速,经计算只需9千克的反物质燃料就够了。不过情况并不这么乐观。
问题之一是,怎样才能把反物质富集起来。杰拉德·史密斯在其中从事研究的位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心,在那里的巨型加速器中,10分钟里产生10亿个反质子。然而反质子以0.1倍光速(不可思议的高速)飞迸,要捕捉住它们谈何容易。史密斯在反质子的前方设置全金属箔和气体,以降低反质子的速度,力图将反质子封闭在一个用磁场构成的容器内。如果他成功了,10分钟里就能富集到100万个左右的反质子。遗憾的是,100万个反质子作为火箭燃料实在是杯水车薪微不足道,而且这项工作得不断反复进行,即便如此仍存在两个难题。
首先,反物质是带电性的粒子,彼此会产生排斥力,反物质的密度越高,用来约束反物质的磁场强度就越大,这就需要能让磁场强度之大超乎想象的超导材料,于是杰拉德·史密斯想到,让反质子与质子结合“制造”反氢原子,由于反氢原子不带电荷,就不需要形成超强磁场的超导材料了。
1996年1月,德国、意大利、瑞士等国科学家组成的国际研究小组宣布,他们利用欧洲核子研究中心的加速器,成功地制造出反氢原子。他们让反质子以高速运动,与氙气碰撞产生电子和正电子,在正电子与反质子速度相当的情况下,就能组成反氢原子。在他们的实验中,反氢原子约存在了40纳秒(1纳秒为十亿分之一秒)。
其次是数量的问题。即使建造高效率、规模巨大的反物质生产厂,要生产1克反物质就需要长得异乎寻常的时间。前面提到的国际研究小组在欧洲核子研究中心制造反氢原子,在三个星期的实验中只制造出9个,即使有了杰拉德·史密斯提出的10年内或许能问世的设施,每年也只能生产出1微克反物质,要把9千克反物质火箭燃料弄到手,必须得90亿年。
90亿年后,人类打算前往的目的地恒星还存在与否都不好说了。看来只利用反物质让火箭飞行的念头得放弃了。杰拉德·史密斯又提出,能否把反物质利用于核裂变和核聚变反应呢?如果利用反物质就能实现装置的小型化,让火箭便于搭载。利用反物质连续几天引发每秒钟一次相当150吨TNT当量的小爆炸,三年时间就可以把载人宇宙飞船送上冥王星。
用太阳帆不可能实现太阳系外飞行
杰拉德·史密斯的设想说到底,都是依靠使用燃料的火箭实现恒星际宇宙飞行。对他的设想提出质疑的人们中有一个人便是波普·佛沃德。波普·佛沃德受美国航空航天局的委托,进行利用反物质可行性的研究。反物质火箭必须使搭载的反物质发生反应,将超高温能量向火箭后方喷出。波普·佛沃德的结论是,对反物质火箭来说,火箭的质量和发动机的耐热性是根本问题所在。
1960年,佛沃德第一次提出了撑开巨大的铝箔制成的帆,利用太阳风推进飞行——“乘坐”从太阳不断喷发出的带电粒子流,也就是“坐蹭车”的“太阳帆”的构想。但是利用太阳帆在恒星际间飞行存在重大的缺陷。离开太阳系后,带电粒子流便变得稀薄,宇宙飞船在“无风”的状态下会停驶,利用太阳帆前往其他恒星显然是不可能的。
对激光束寄以厚望
稍后,佛沃德了解到利用红宝石产生的激光比太阳光更明亮,于是他又产生了一个新念头:用激光束鼓起宇宙飞船的光帆由此获得推进力。由于激光束几乎不会发散,激光束可以从太阳系中射出,所以能够实行必要的操纵和管理,设备的更新也有了可能。更重要的是,宇宙飞船再没有搭载燃料的必要了,宇宙飞船便能造得更轻。在加速到亚光速的情况下,宇宙飞船的质量不大是一个非常大的优势。
为了把宇宙飞船送至半人马座γ星,得用激光束加速约一年,使宇宙飞船的速度达到光速的三分之一左右,此后切断激光束,宇宙飞船转入惯性飞行。在接近半人马座γ星时,光帆的外圈逐次断开,形成同心圆状的三部分,把光帆的最外侧移至宇宙飞船的前部,同时再次发射强大的激光束,于是宇宙飞船后部的光帆便被罩在强光之中,宇宙飞船便获得了制动力。当然,来自宇宙飞船身后的激光束仍照射在光帆上构成推进力。但是宇宙飞船外侧的光帆面积是内侧两个光帆面积的9倍,制动力比推进力起到更大的作用。对半人马座γ星的探测结束准备踏上归途,处在中间的环状光帆被取下,此时光帆仍在反射激光束,并使宇宙飞船获得与来路相反的推进力得以飞返地球。
巨大光帆的设想现实吗?
美中不足的是,虽然具有无须搭载燃料的优点,但是宇宙飞船依靠激光束获得的推进力实在小得无济于事,于是优点便被这缺陷抵消了。要利用激光束来实现恒星际飞行,就必须有更强有力的激光束,光帆也必须大得超出想象。
佛沃德认为,在水星轨道上利用太阳能设置约1000台激光发射装置,如果把这些激光束用巨型装置合为一股,那么不开发巨型激光发射装置也行。不过要获得必要的推进力,理想的激光发射装置要比现在利用太阳能的激光发射装置强大1000亿倍!而且还得在土星附近设置巨大的透镜,以纠正激光束的发散。光帆的直径必须达到1000千米之巨,真是一个想入非非的计划。但是佛沃德说,若不从大处着眼就会一事无成。
对于佛沃德的雄心壮志,美国明尼苏达大学的数学家埃得·贝尔布鲁诺说了这么一番话:“即使让质量为1000千克的无人探测器飞行,就需要直径1000千米的光帆和巨大的透镜,这不过是异想天开。”
粒子束对单程飞行有效?
贝尔布鲁诺强调,利用激光束的设想存在难以解决的难题,他更关心粒子束。重粒子,比如质子,它没有光的速度却有质量,对于推进力而言,有质量的质子比没有质量的光子更有效。
提出“粒子束设想”的是霍普·萨普林和达纳·安得留,他们说,宇宙飞船的光帆采用超导体制成的巨环更有效。超导体环可形成面包圈状的磁场,粒子束射向磁场就会产生推进力。可用在小行星上设置的核聚变反应堆,超高温加热而等离子体化的气体,向一定方向喷射获得粒子束。
粒子束的缺点是很容易扩散——由于粒子之间彼此碰撞使粒子束扩散,距离增大效率就会降低,但是仍比激光束更具推进力。根据安得留的计算,他的“粒子束设想”只需使用佛沃德构想所需能量的六分之一,就能把载人宇宙飞船加速到三分之一的光速。不过,他也遇到了难题——宇宙飞船的乘员必须耐受高达1000g的加速度。
在“粒子束设想”中还有一个重大的不足,前往恒星这样遥远的地方,根本不可能传递能量,也就是说有去无回。安得留自信地说,虽说是“自杀”,估计还是会有志愿者的,毕竟有了新发现,可以用他的名字命名。不过,安得留被怀疑有“封闭恐惧症”的倾向,他本人恐怕是不会去当志愿者的。
余下的难题和形形色色的构思
贝尔布鲁诺坚持认为,目前用粒子束发送无人探测器是可能的。贝尔布鲁诺现在正在构想针尖大小的探测器,要是探测器只有1克质量,以亚光速飞行,质量就是增加也不是什么大不了的事。但是针尖这么小的东西要是丢失不见了怎么办呢?能在那上面搭载通讯装置什么的吗?难题不少。
此外,也有人提出了利用连接黑洞和白洞的“虫洞”,以及使用反重力让时间发生弯曲高速移动等方案。近来形形色色五花八门的方案更是层出不穷。就人类目前的科技水平而言,恒星际宇宙飞行本质上是不可能的,这也说明,我们还没有掌握能实现这一梦想的具体知识和技术,人类还得像以往那样探索相当长的时间。
温馨提示:答案为网友推荐,仅供参考
第1个回答 2006-03-19
用粒子加速器,这里有详细的
是质子带负电,电子带正电
是质子带负电,电子带正电
第2个回答 2019-02-26
一旦电子被锁住,在电子的极近旁会产生惊人的电量,真空被遭到破坏,可能会引起反粒子的出现。