淺談新型能源──反物質

06-21

　　組成物質的粒子

　　自古至今人類一直在研究物質的組成成分，直到19世紀末，人們都認為原子是組成物質的不可再分的最小微粒。然而在1897年，英國物理學家J．J·湯姆孫（J．J·Thomson．1856—1940）發現了電子，從而認識到原子是可以分割的。後來陸續發現了質子和中子，從而叩開了原子世界的大門。認為電子、質子和中子是組成物質的最小微粒不可再分，並叫做「基本粒子」。隨著科學的進步，又發現了很多新的粒子及質子和中子也有自己的複雜結構，因而到20世紀後半期起，就將「基本」二字去掉，統稱為「粒子」。

　　反粒子的發現

　　1928年英國物理學家P·A·M．狄拉克（Paul Adrie Maurice DIRAC，1902-1984）在自己的理論上預言正電子（與電子的質量相同，但電荷卻相反）的存在。時隔不久，美國物理學家C·D·安德森（Anderson，Carl David，1905—1991）1932年在研究宇宙射線在磁場中的偏轉情況時發現了一種前所未知的粒子，而這恰好是狄拉克所預言的正電子也稱反電子。第二年，安德森又用γ射線轟擊方法產生了正電子，從而從實驗上完全證實了正電子的存在。

　　1955年美國物理學家歐文·張伯倫（Owen Cham-berlain，1920-2006）和埃米利奧·吉諾·塞格雷（Emilio Gino Segre，1905-1989）在加速器的實驗中，發現了反質子，即質量和質子相同，帶一個單位負電荷的粒子。1956年他們又發現了反中子，由於反中子不帶電，但它的磁矩對於其自旋是反號的。因此他們共同分享了1959年度諾貝爾物理學獎。

　　經研究發現，各種粒子都有相應的反粒子存在，這個規律是普遍的。而且粒子與反粒子結合會導致兩者湮滅，因而釋放出高能光子或伽瑪射線。有些粒子的反粒子就是它自己，這種粒子稱為純中性粒子。光子就是一種純中性粒子，光子的反粒子就是光子自己。反粒子的出現進一步展示了物理學的完美對稱性。

　　反物質

　　粒子可構成物質，自然想到反粒子也可構成反物質。粒子實驗已證實，正反粒子的強作用和電磁作用性質完全一樣，因此反質子和反中子也能結合成帶負電的反原子核，反核和反電子結合在一起，就能組成反原子，進而構成反物質。尋找反物質成為十分重要的科研課題。1998年6月3日由丁肇中主持的在宇宙中尋找反物質研究已有16個國家的科學家參與其中，目前已取得一些重要成果。如果反物質存在，且宇宙中正反物質為等量，延伸起來講，大量反物質可構成自己的恆星和星系。那麼這樣的反恆星和反星系就應當存在。這則成為天文學家的重大課題──宇宙中有反恆星和反星系嗎？

　　反物質能的應用

　　由於反物質是正常物質的反狀態，當正反物質相遇時，雙方就會相互湮滅抵消，發生爆炸併產生巨大能量。將氫和反氫混合湮滅來獲得能量，這種燃料的1％克所產生的推力相當於120噸由液態氫和液態氧組成的傳統燃料。

　　回顧歷史不難發現，任何新的物理現象或新的物質的發現，最先總是想到在軍事上的利用，原子彈的誕生無疑是一個最好的例子，從發現中子鏈式反應到世界上首枚原子彈的爆炸僅用了7年時間。對於反物質，早在剛發現正電子時，就有人想到利用正反物質湮滅反應產生的巨大能量來製造火箭推進器的燃料，由於技術等各方面條件的影響，到80年代以後反物質在軍事上的研究引起各個國家的重視。反物質製造的核武器是目前核武器中威力最強、最重要的一種，遠遠大於氫彈的殺傷力。

　　反物質能潛在且十分誘人的另一用途是用來製造星際航行火箭的超級燃料，很優秀的新型能源。利用反物質能進行星際旅行，還可以減少攜帶燃料的質量，進一步提高飛行器的飛行速度。