【未来科技】未来引擎:利用暗物质燃料实现星际旅行?
  来源:科学媒介中心
2019-12-03 09:27:21

(本文由黑龙江省科协与黑龙江日报客户端联合发布)

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背向黑洞的宇宙旅行(图源:George Marks/Kauko Helavuo/Stone/Getty)

  • 史聪一  编译

前不久,在位于南达科他州布莱克山下的桑福德地下研究机构中,科学家们正在操作一种设备,名为大型地下氙探测器(LUX),旨在寻找暗物质粒子。作为一种神秘的物质,暗物质(Dark Matter)被科学界认定为宇宙中大部分物质的缘起。
在这个巨大的设备内部,一个钛容器中包含着液态氙,其质量达到了三分之一吨。在该装置中,一组灵敏的光探测器正在伺机而动,等待暗物质粒子与氙原子碰撞并发出微弱闪光的瞬间。为了捕捉到微弱的信号,大型地下氙探测器被放置在厚度近一英里的岩石层下方,因为这层岩石的厚度将帮助其屏蔽宇宙射线,以及其它任何可能干扰信号的辐射。


截止目前,大型地下氙探测器尚未发现任何暗物质的踪迹。然而,通过一套全新的校准技术,探测器的灵敏度将会较以往有所提高,研究人员对于最终发现暗物质的奥秘充满了信心并万分期待。布朗大学物理学教授里克·盖茨凯尔(Rick Gaitskell)在一则新闻通告中宣称:科学界对于探测器性能与容量的提升,将在暗物质的探寻过程中至关重要。


暗物质起源


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(图源:ustc.edu.cn)

如果科学家对暗物质粒子予以确认,此举将成为自上世纪三十年代以来的一次科研巅峰。瑞士天文学家弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky)确定了一个遥远星系团旋转所需的速度,这表明该星系团的质量,已远远超过了其所发出可见光的质量。

自此之后,科学家们便一直在寻觅暗物质的踪迹,并试图发现暗物质究竟为何物。近年来,研究人员开始使用并依靠各种先进的探测设备加以辅助,从欧洲的大型强子对撞机,到美国宇航局的钱德拉X射线天文台,可谓是煞费苦心。

最终,假设研究人员能够掌握暗物质的本质,那么其他的问题也将应运而生:人类能否存在手段与技术能够对其加以利用呢?这项研究究竟只是为了帮助科学界与公众了解宇宙,还是用来帮助人类发展适用的科学技术呢?

暗物质能源



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(图源:backgrounds4k.net)


2009年,纽约大学物理学家刘佳在一篇论文中提出了一种可能性:将利用暗物质视为一种能源,为执行超远程任务的航天器提供所需动力。
刘佳的理念是基于一个尚未得到证实的假设:即暗物质是由中性微子(Neutralino)所组成的,并且不携带任何电荷的粒子。无独有偶,中性微子恰巧也是反粒子(antiparticle),这意味着当它们在适当的环境下发生碰撞时,便会相互发生湮灭(annihilation),并将其所有的质量转化为能量。
如果上述理论得到证实,那么将意味着:一磅暗物质所产生的能量,近乎是等量炸药的50亿倍。根据相关研究,这意味着暗物质反应堆将产生足够的动力,能够推动火箭飞船穿越宇宙,并且该反应堆有一个足够大的“核心”,能够使飞船以接近光速的速度不断加速。

暗物质引擎


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(图源:naked-science.ru)

正如《新科学家》杂志中一篇文章详细描述的那样,与传统火箭的引擎相比,刘教授的暗物质引擎截然不同。从本质上讲,该引擎将类似于一个有开口的盒子,开口方向沿着火箭运动的方向,将暗物质吸入。
当暗物质进入盒子时,开口关闭,盒子收缩,压缩暗物质并增加暗物质湮灭(annihilation)的速度;一旦暗物质湮灭为能量,推动飞船前进,同时开口将再次打开。这样的循环会在整个太空旅行中循环往复……
暗物质引擎的优点是飞船不需要携带太多的燃料,因为它能够从暗物质含量高的部分宇宙空间中收集更多的燃料。火箭速度越快,引擎吸收暗物质的速度就越快,加速也越快。理论上一艘100吨的飞船,在几天内就能够加速至光速。
反过来说,这种新引擎把飞船飞往比邻星(Proxima Centauri,离太阳系最近的恒星)所需的时间,从原先所需的数万年缩短至仅5年左右。

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(图源:CEMAGRAPHICS/GETTY IMAGES)

除此之外,科学家们也能够从中得到启示:对于许多技术与发明而言,在当前是未知的,甚至被认为是不可能的(例如交流电,以及潜艇等)。然而,科学技术的进步不断焕发着人类的探索意识与创新热忱。
科学界对于暗物质的探索充满期待,不仅可以增进公众对宇宙的了解,而且能够在实际应用中提供技术突破,最终造福大众。