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论《三体》中反物质子弹的技术可能性

已有 9327 次阅读 2018-3-30 18:01 |系统分类:科普集锦

看过《三体》的人可能对其中一些技术构想都会有映像,比如强相互作用材料(“水滴”的构成材料),小宇宙、超光速引擎、反物质子弹等。其实强相互作用材料可以说人们已经在研究,比如夸克、胶子等离子体。但是这种材料只能在极高压以及极高温的条件下存在,《三体》中制造出能在太空中那种低温、低压的条件下存在的强相互作用材料在现在看来是不可想象的。超光速引擎在理论上也有讨论,比如典型的“阿库别瑞引擎”。阿库别瑞引擎将飞船前端的空间压缩,飞船后端的空间相应拉伸,使得飞船即使在局域上低于光速行驶,在远处看来,飞船仍然以超光速行驶。然而阿库别瑞引擎也面临着非常大的技术问题,包括负物质的制造与使用,引擎的稳定性,所需要的海量能量等问题。


从现在的技术水平来看,上述提到的技术梦想,唯一有可能实现的是《三体》中的反物质子弹。


那么怎么实现反物质子弹呢?


反物质子弹将反物质模块囚禁在一个很小的区域,典型如手指粗细的区域。反物质必须囚禁在接近绝对真空的区域中。在这么小的区域制造出一个接近绝对真空的区域基于现在的技术原则上是可能的。然后反物质模块还得能抵抗一定的加速度,在加速度的作用下不会与真空以外的物质模块接触。我现在能想到的只能是使用电磁场约束反物质模块。原则上这样的电磁场基于现有技术是可以轻易的制造出来的,比如线性Paul阱。反物质模块的规模应该有多大才能实现《三体》中描述的威力呢?粗略估算需要克的量级,也就是反物质粒子数需要达到阿伏伽德罗常数量级。这么多的反物质应当以怎样的状态存在于这么小的区域呢?就我粗略估计,直接囚禁例如正电子或者反质子这样的带电荷的粒子几乎做不到在这么小的区域囚禁这么多的反物质。唯一的办法是囚禁反物质液体或固体模块。这个模块中正电荷与负电荷的量接近一致。比如正电子个数比反质子个数稍多,这样绝大部分的正负电荷相互抵消,而留下的少量电荷刚好可以将反物质模块囚禁在电磁场中。然而反物质模块主要由反氢可以吗?答案或许是不可以,因为氢在常压下都以气体存在,在真空中,也就是压强接近0的条件下很难想象它会以液体或者固体存在。有可能的是反锂。锂是一种金属,让它带上电荷较为容易,且很有可能它在真空中能以固体形式存在。


那么,接下来的问题是如何制造反锂模块了。由于锂与反锂是严格镜像的,我们可以先尝试囚禁锂模块。锂在自然界中有两种稳定的同位素,分别是Li6和Li7。也就是说稳定的Li中含有质子、中子和电子。对于反Li也就是我们需要有反质子、反中子和正电子。批量的制造反质子、反中子和正电子原则上是可能的。而利用对撞过程,是有可能将反质子、反中子结合成反Li原子核的。然后捕获反Li原子核,冷却它,将其与正电子结合,形成反Li原子。然后冷却反Li原子,将反Li原子凝结成反Li模块。这里有一个问题就是如何囚禁反Li原子,因为反Li原子原则上不带电。事实上我们可以总是让反Li模块带电,比如给一个反Li原子核两个正电子,然后给两个反Li原子核5个正电子。


可以想象,如果真要制造反物质子弹是需要一个巨大的工程的。并且会有相当多的技术问题需要克服。工程包括:1、能量获取工程,批量制造反物质需要大量的能量。2、反物质生成工程。这需要很多的打靶实验。比如怎样才能高效率的将能量转化为反物质。3、反原子核融合工程。明显这需要建造小的但对其它条件要求极为苛刻的对撞机。4、正电子冷却、反原子核冷却工程。激光冷却等各种手段得大显身手了。5、反原子、反物质模块生成功能。6、真空工程。7、电磁阱,磁光阱工程。


造一个反物质子弹,或许其花费、难度比造原子弹大的多。


然而,反物质模块的存储是有意义的。现在能看到的最重要的应用或许还是在航空航天上而非军事上的用途。如果将化学燃料替换为反物质模块,将会节省很多能量。如果技术成熟,是否这能成为反物质利用的sweet point?





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