《三体》照进现实，但反物质成本可能会让任何一个国家破产

现实中，人类直至目前也没有创造出真正可以进行星际旅行的载具，与其为了星舰吵来吵去，为什么不能再疯狂一点？

01

核能之上的终极能量

还记得在刘慈欣所著的《三体》中，三体人是怎么跨越4光年航程来到地球的吗？它们有庞大的太空船，至于推进太空船的动力，既不是利用光照的光帆、也不依赖途中的燃料补给，而是正反物质的湮灭。

还有一本科幻迷熟悉的小说《星际迷航》，其中赫赫有名的“进取号”飞船，同样是依赖反物质反应堆来驱动曲速引擎。

反物质从何而来？《三体》中给出的解释是，三体人飞船前方有一个巨大的磁力场，形成一个漏斗形的磁罩，用于收集太空中的反物质粒子。

这种收集过程十分缓慢，经过相当长的时间，才能得到供飞船进行一段时间加速的反物质数量，因此舰队的加速是间断进行的，很长时间的收集后才能进行一次。所以三体人才不会一眨眼就来到地球，而是要经历漫长的星际旅行才能到达。

说到这，读者可能会疑惑，什么是反物质？

反物质这个概念来自粒子物理学，顾名思义，“反物质”肯定与“物质”完全相反，组成物质的微小“粒子”也都有对应的“反粒子”。比如两者所带的电荷就相反：反电子会带正电，反质子会带负电。

当物质和反物质相遇时，它们会湮灭，进而转化为能量——这个过程的能量释放效率是超出想象的高。

地球上我们最常见、最简单产生的是物理能，也叫机械能，例如水力发电（利用水的重力势能）、风力发电（空气动能），但同时这种宏观物体的能量形式又是能量最少的。

再此之上，则是化学能，即储存在化学键中的能量，比如化石燃料燃烧、电池供电或进食所产生的能量，释放时通常比机械能高。

化学能之上则是原子能，原子能通常指的是核能，也就是原子核中的能量，毕竟核裂变也好、太阳内部的核聚变也好，其释放的能量都要比化学能高得多。但在原子能之上还有“高手”，那就是“物质能”。

所谓的宇宙之所以能演化成如今的样子，正是因为物质能（即质量和能量）与时空的共同影响，它们如同硬币的两面，共同编织了宇宙的演化图景。物理学家经过推演认为，在爱因斯坦广义相对论的前提下，物质转化为能量应该是最高级别的能量形式。

当反物质和正物质混一起完全转化为能量时，能量转换效率应为百分之百。相较之下，核武的能量转换率仅百分之一，意味着氢弹所含的能量几乎都浪费掉了。

02

什么样的火箭引擎配得上反物质？

既然知道宇宙中存在这么一个能源，那我们地球人该怎么利用这种湮灭反应的能量，将其转换为推力，作为未来人类星际旅行的全新引擎？

其实反物质火箭的设计其实早有雏形：将反物质储放在安全槽内，再以稳定流速注入内燃室。在内燃室中，两者会如“干柴遇烈火”，瞬间爆发出巨量伽玛射线（高能光子）和少量X射线，反应产生的能量经排气管喷出，进而产生推进力。

还可以细化为“直接推进”和“催化核聚变”两种方式。

直接推进就是上述火箭设计，直接利用湮灭产生的带电粒子通过磁场导向而产生推力。反质子与氢燃料湮灭后，产生高能带电粒子，可以通过强磁场约束粒子流，进而定向喷出推力。

催化核聚变需要绕个弯，用反物质作为“火花塞”引发大规模核聚变反应，有点像氢弹的原理。理论上，这样的能量转化效率更高。

设计虽有，但制造这种理想引擎也会碰到几个大问题。

首先，反物质是自然现象，但其存量非常稀少。目前实验室中的反物质（如反氢原子）只能通过电磁场悬浮而在超高真空中储存，且时间极短。

全球第一颗反氢原子是由欧洲核子研究中心（European Organization for Nuclear Research，CERN）制造诞生的，但最多也只能储存反氢原子约17分钟。因为所谓的“安全槽”在现实根本不存在，任何物理容器接触反物质都会导致湮灭。

这就涉及到第二个问题，怎么制造一个“安全槽”来储存反物质。微观层面看，地球上都是“正物质”，反物质与普通物质接触时会以接近光速的速度完全湮灭，硬造出来的反物质能储存在什么地方？这是一个需要基础物理、材料学来共同解决的问题。

另外一个问题是，又该怎么保证反物质以“稳定流速”进入内燃室？它都以光速湮灭了，还能怎么去精确调节其湮灭速率？

反物质的电磁悬浮储存方式，在实验室里是可以实现一定程度的控制，但其对干扰极其敏感。这意味着，即使能分离微量反物质，实际情况下也无法维持稳定。另外，伽玛射线穿透力极强，也无法被“排气室”有效引导……利用之路困难重重。

03

能让一国破产的能源制造

还是得回到最基础的问题上，反物质从何而来？如果以上问题从材料层面得到解决，我们还得能制造出大量反物质，以供火箭发射的燃料之用。

CERN的研究人员当初是将一道普通质子束射向一枚普通物质标靶，质子撞击标靶后产生些许反质子，然后再利用巨大磁场引导质子与反质子，令其一左一右分道扬镳。接下来，反质子会降速并储存在磁力阱（magnetic trap）内，与反电子组成反氢原子。

这样造出的反物质如果与普通物质进行湮灭反应，产生的能量大概可以让一颗电灯泡持续亮好几个月。但推动火箭肯定要更多。

现在科学家是用粒子加速器来制造反物质的，这个机器的建造和运作都是天价：以已知数据估算，1克反物质的造价就高达70兆美元。CERN拥有全世界最强的粒子加速器，投入超数百亿美元，却也只能造出薄薄一束反物质。

如果要造出能驱动航天器进行星际旅行的反物质燃料，任何一个国家都得破产。

这个理论上可行的梦幻飞行器，或许最终会随着基础物理、量子能源、工程技术的多为突破而实现，但在那之前，这个终极能源仍会是在沙粒之上修建金字塔——唯有想象。

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编辑｜张毅

主编｜黎坤

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