未來引擎:利用暗物質燃料實現星際旅行?

2020-11-23 騰訊網

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

史聰一編譯

前不久，在位於南達科他州布萊克山下的桑福德地下研究機構中，科學家們正在操作一種設備，名為大型地下氙探測器(LUX)，旨在尋找暗物質粒子。作為一種神秘的物質，暗物質（Dark Matter）被科學界認定為宇宙中大部分物質的緣起。

在這個巨大的設備內部，一個鈦容器中包含著液態氙，其質量達到了三分之一噸。在該裝置中，一組靈敏的光探測器正在伺機而動，等待暗物質粒子與氙原子碰撞並發出微弱閃光的瞬間。為了捕捉到微弱的信號，大型地下氙探測器被放置在厚度近一英裡的巖石層下方，因為這層巖石的厚度將幫助其屏蔽宇宙射線，以及其它任何可能干擾信號的輻射。

截至目前，大型地下氙探測器尚未發現任何暗物質的蹤跡。然而，通過一套全新的校準技術，探測器的靈敏度將會較以往有所提高，研究人員對於最終發現暗物質的奧秘充滿了信心並萬分期待。布朗大學物理學教授裡克·蓋茨凱爾（Rick Gaitskell）在一則新聞通告中宣稱：科學界對於探測器性能與容量的提升，將在暗物質的探尋過程中至關重要。

暗物質起源

如果科學家對暗物質粒子予以確認，此舉將成為自上世紀三十年代以來的一次科研巔峰。瑞士天文學家弗裡茨·茲威基（Fritz Zwicky）確定了一個遙遠星系團旋轉所需的速度，這表明該星系團的質量，已遠遠超過了其所發出可見光的質量。

自此之後，科學家們便一直在尋覓暗物質的蹤跡，並試圖發現暗物質究竟為何物。近年來，研究人員開始使用並依靠各種先進的探測設備加以輔助，從歐洲的大型強子對撞機，到美國宇航局的錢德拉X射線天文臺，可謂是煞費苦心。

最終，假設研究人員能夠掌握暗物質的本質，那麼其他的問題也將應運而生：人類能否存在手段與技術能夠對其加以利用呢？這項研究究竟只是為了幫助科學界與公眾了解宇宙，還是用來幫助人類發展適用的科學技術呢？

暗物質能源

（圖源：backgrounds4k.net）

2009年，紐約大學物理學家劉佳在一篇論文中提出了一種可能性：將利用暗物質視為一種能源，為執行超遠程任務的太空飛行器提供所需動力。

劉佳的理念是基於一個尚未得到證實的假設：即暗物質是由中性微子（Neutralino）所組成的，並且不攜帶任何電荷的粒子。無獨有偶，中性微子恰巧也是反粒子（antiparticle），這意味著當它們在適當的環境下發生碰撞時，便會相互發生湮滅（annihilation），並將其所有的質量轉化為能量。

如果上述理論得到證實，那麼將意味著：一磅暗物質所產生的能量，近乎是等量炸藥的50億倍。根據相關研究，這意味著暗物質反應堆將產生足夠的動力，能夠推動火箭飛船穿越宇宙，並且該反應堆有一個足夠大的「核心」，能夠使飛船以接近光速的速度不斷加速。

暗物質引擎

（圖源：naked-science.ru）

正如《新科學家》雜誌中一篇文章詳細描述的那樣，與傳統火箭的引擎相比，劉教授的暗物質引擎截然不同。從本質上講，該引擎將類似於一個有開口的盒子，開口方向沿著火箭運動的方向，將暗物質吸入。

當暗物質進入盒子時，開口關閉，盒子收縮，壓縮暗物質並增加暗物質湮滅（annihilation）的速度；一旦暗物質湮滅為能量，推動飛船前進，同時開口將再次打開。這樣的循環會在整個太空旅行中循環往復……

暗物質引擎的優點是飛船不需要攜帶太多的燃料，因為它能夠從暗物質含量高的部分宇宙空間中收集更多的燃料。火箭速度越快，引擎吸收暗物質的速度就越快，加速也越快。理論上一艘100噸的飛船，在幾天內就能夠加速至光速。

反過來說，這種新引擎把飛船飛往比鄰星（Proxima Centauri，離太陽系最近的恆星）所需的時間，從原先所需的數萬年縮短至僅5年左右。

（圖源：CEMAGRAPHICS/GETTY IMAGES）

除此之外，科學家們也能夠從中得到啟示：對於許多技術與發明而言，在當前是未知的，甚至被認為是不可能的（例如交流電，以及潛艇等）。然而，科學技術的進步不斷煥發著人類的探索意識與創新熱忱。

科學界對於暗物質的探索充滿期待，不僅可以增進公眾對宇宙的了解，而且能夠在實際應用中提供技術突破，最終造福大眾。

參考文獻：

https://science.howstuffworks.com/dictionary/astronomy-terms/what-technology-dark-matter-research.htm

https://science.howstuffworks.com/innovation/inventions/top-5-nasa-inventions.htm

http://k.sina.com.cn/article_6141586072_16e112a9800100cvi3.html

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