宇宙射线导航技术：探索无GPS定位的新天地

　　“导航”这个词容易引起误解。按字面理解，“导航”似乎就是前面有个东西领着你走。但科技上所谓的“导航”，是让你知道自己所处的地理位置的意思，是“定位”的同义词。

　　GPS导航的缺点

　　我们现在用全球卫星定位系统(GPS)来导航。GPS是这样工作的：假如你开着车，那么在太空中，至少有4颗以上的全球定位卫星在同时向你车上的GPS接收器发射无线电信号;不过，因为这些卫星分布在太空的不同位置，与你的距离各有远近，所以你接收到的4颗卫星的信号之间会有微小的时间差。根据这个时间差，可以精确计算出你此刻的位置，从而实现导航的目的。

　　现在，GPS几乎覆盖全球，但它也不是万能的。譬如，它就不能给水下的潜艇导航，因为GPS发射的无线电波会被水吸收，到达不了水下。正是由于没有精确的水下导航技术，潜艇触礁的事件时有发生。

　　GPS在高纬度的北极地区也不能精确导航。这一方面是因为GPS的定位卫星大多数运行在低纬度地区，在北极上空运行的很少;另一方面也是因为两极上空来自太空的带电粒子太多，对GPS信号的干扰太大。可是，随着全球气候变暖，很多船只和潜艇已经开始进入北极地区活动，那里迫切需要一种精确的导航技术。

　　让人意想不到的是，利用宇宙射线轰击地球大气时产生的μ子，也可以进行导航，而且还可以补GPS导航之不足。这正是北极所需要的。

　　μ子定位的原理

　　宇宙射线是来自太空的高能带电粒子。它们通常起源于太阳系外，甚至银河系外。当一阵宇宙射线粒子流撞击上层大气时，会像天女散花一样，产生大量的μ子落下。平均而言，地面上只有你的拇指甲这么一丁点大的面积，每分钟就有一个μ子穿过。

　　而且，我们可以认为，在同一阵射线流中，不同粒子的撞击时间先后可以忽略不计(换句话说，撞击在同一时间发生)。因为它们既然从那么大老远的地方来，还能保持在同一支“队伍”里，说明它们的速度几乎完全相等，否则在途中有的早就落伍了。

　　由宇宙射线撞击大气产生的μ子是一种穿透力极强的粒子，可以穿透水甚至岩石。它是一种不稳定的粒子，静止寿命只有2.2微秒。但是，宇宙射线产生的μ子几乎以光速运动，所以它的寿命可以延长到60微秒之多。在它衰变之前，可以飞行大约2万米之远，足以穿透海洋的水体以及浅层的地表。

　　μ子定位的原理是这样：在地面大范围布置许多个μ子探测器，每个探测器还要配备一个原子钟，用于校对μ子被探测到的时间。这相当于GPS定位系统中的基站。然后，在移动物体(如船只、潜艇)上也配备一套μ子探测器和原子钟。当高空中宇宙射线粒子流撞击大气时，会向地面倾撒大量的μ子。我们不妨把这当作一次撞击事件。当来自同一次撞击事件的μ子，一个被基站A探测到，另一个被移动物体探测到，因飞过的距离不同，两者会有一个时间差。根据时间差，就可以得知移动物体距离基站A有多远，假设这个距离是r1。或者说，可以确定，移动物体处在以基站A为圆心，以r1为半径的圆周上。

　　假如移动物体静止不动，过了一会儿，第二次撞击事件发生。移动物体又探测到第二阵宇宙射线流(可以与前一阵有不同的来源)撞击产生的一个μ子，而同一撞击产生的另一个μ子被基站B探测到了，我们又可以知道移动物体距离基站B有多远，假设这个距离是r2。可以确定，移动物体处在以基站B为圆心，以r2为半径的圆周上。

　　移动物体既要满足离基站A距离r1，又要满足离基站B距离r2，从几何学上说，它必处于两个圆周的交点中的一个上。这样，理论上说，就能唯一地确定移动物体的位置。当然，你要是想提高精度，可以多探测几个撞击事件。实验室测试表明，探测10个事件就足以使定位精确到60毫米。进一步的测量能将精度提高到10毫米或更少。

　　广阔的应用前景

　　从上述工作原理上，你或许已经看出，这种定位方式也有不足之处：移动物体要多次探测μ子才能定位，但这一次与下一次探测毕竟有时间间隔。这意味着，在定位时，移动物体最好是呆在原地不动，才能让定位精确。因此，它不适合给那些在做高速运动的物体(如飞机、导弹等)定位。但考虑到船只和潜艇的移动速度都比较慢，或者为了准确定位，停一停都无妨，所以对它们倒是蛮合适的。

　　这套定位系统需要使用1平方米大小的μ子探测器，以及精确到100亿分之一秒的原子钟。这些设备每一样都价格不菲，动辄数百万美元。但钱不是问题，真正的挑战是，如何确保它们能够在北极平均-20℃的低温环境或者数千米深的水底下工作。

　　目前，该系统已经在英国一个大型水箱中通过测试，随后将转移到芬兰一个覆盖1米厚的冰的高纬度湖泊中进行测试。如果成功，它将在军事、海洋勘探等方面有着广阔的应用前景，甚至在GPS的定位卫星受到攻击的时候，暂时可以替代GPS进行导航。