反物質(zhì)武器：第四代核武器？

羅上庚

俄羅斯《科學(xué)》網(wǎng)站等媒體曾報道，美國軍方正在秘密研制以反物質(zhì)作為炸藥的“質(zhì)子炸彈”。美國空軍實驗室稱，這種反物質(zhì)炸彈可能是令人難以置信的強大武器。

什么是反物質(zhì)?

眾所周知，世界上一切物質(zhì)都是由分子組成的，分子是由原子組成的，原子是由原子核以及圍繞它旋轉(zhuǎn)的電子組成的，而原子核是由質(zhì)子和中子所組成的?？茖W(xué)家后來又發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子和中子是由更小的粒子所組成的，這種更小的粒子稱為夸克。迄今，科學(xué)家已發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)結(jié)構(gòu)的5個層次即夸克一核子一原子核→原子→分子，以及300多種基本粒子。大千世界無奇不有的物質(zhì)，就是由多種多樣的基本粒子構(gòu)成的。

反物質(zhì)(antimatter)是由反粒子(antiparticle)構(gòu)成的物質(zhì)?？茖W(xué)家已經(jīng)證明，構(gòu)成世界萬物的基本粒子都有一個反粒子——與自己“長得”一模一樣但“秉性”相反的“鏡像物”。比如，電子帶負電、質(zhì)子帶正電，而帶正電的電子和帶負電的質(zhì)子就是反粒子，前者稱為反電子，后者稱為反質(zhì)子。像氫原子，就有由反質(zhì)子和正電子組成的反粒子——反氫原子，而由反氫分子組成的反氫物質(zhì)，就是氫物質(zhì)的反物質(zhì)。

早在1928年，英國劍橋大學(xué)教授保羅·狄拉克就預(yù)言了帶相反電荷粒子的存在。4年后，美國科學(xué)家卡爾·安德森發(fā)現(xiàn)了正電子，它是人們發(fā)現(xiàn)的第一個反粒子。后來，科學(xué)家又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子、反中子，找到了反介子、反超子、反夸克等許許多多的反粒子。我國著名核科學(xué)家王淦昌教授領(lǐng)導(dǎo)的小組在1959年也發(fā)現(xiàn)了一種稱為反西格馬負超子的反粒子。

第四代核武器為什么選上反物質(zhì)?

原子彈和氫彈是早已廣為人知的核武器。美國于1945年在日本廣島和長崎投擲的2顆原子彈，是利用钚核裂變反應(yīng)釋放的能量制造的炸彈，稱為钚彈。我國爆炸的第一顆原子彈，是利用鈾核裂變反應(yīng)釋放的能量制造的炸彈，稱為鈾彈。它們都屬于第一代核武器。幾年后，氫彈試驗成功。氫彈是利用輕核(氘、氚)聚變反應(yīng)釋放的能量制造的炸彈，具有更大殺傷力，屬于第二代核武器。原子彈和氫彈有五大毀傷作用，即沖擊波、光輻射、貫穿輻射、放射性污染和電磁脈沖。

后來根據(jù)戰(zhàn)術(shù)的需要，增強或減弱核武器某方面的毀傷作用，武器專家開發(fā)出了第三代核武器。例如：增強輻射的核武器——中子彈，增強沖擊波的核武器——沖擊波彈，增強放射性污染的核武器——感生放射性彈，增強X射線的核武器——X射線彈，減少放射性沉降物的核武器——弱剩余放射性武器，等等。美國正在積極發(fā)展威力小于5000噸梯恩梯當(dāng)量、借助精確制導(dǎo)技術(shù)摧毀地下指揮部和武器庫的鉆地核彈，它也屬于第三代核武器，

為了適應(yīng)新的形勢、滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要，武器專家們又在動腦筋開發(fā)研究第四代核武器。反物質(zhì)就是在這種背景下吸引了核武器研制人員的目光。反物質(zhì)為什么有可能作為武器炸藥呢?

我們知道，世界萬物都有“同性相斥、異性相吸”的共性。反物質(zhì)也一樣，它一旦遇上正物質(zhì)，就與之“迅速結(jié)合、互相湮滅”。這種“湮滅”(annihilation)并非正反兩種物質(zhì)化為烏有而消失，實際上，它們的全部質(zhì)量轉(zhuǎn)變成能量釋放了出來。按照著名的愛因斯坦質(zhì)量能量關(guān)系式E＝mc²可以計算出釋放的能量：1毫克反物質(zhì)“湮滅”放出的能量達到180兆焦耳，是普通炸藥的100億倍，比原子彈、氫彈的威力大得多。

反物質(zhì)炸彈易于引爆。它不像原子彈那樣必須達到臨界質(zhì)量，即使特別微小的質(zhì)量也能造成爆炸：它也不像氫彈那樣要求很高的爆炸點火溫度。反物質(zhì)炸彈還有一個很重要的優(yōu)點，這就是它與原子彈、氫彈不同，爆炸后不殘留放射性物質(zhì)、不造成放射性污染?？傊?，反物質(zhì)之所以被選來制造第四代核武器，主要原因有三：①反物質(zhì)武器能量密度高、爆炸威力大，②反物質(zhì)制造和利用的技術(shù)難度高、耗資大，一般國家不易掌握和實現(xiàn)，便于超級大國獨自擁有：③反物質(zhì)武器雖然從性質(zhì)上也屬于核武器，但國際社會通常把它視作常規(guī)武器，因此不受禁止核試驗條約的限制。反物質(zhì)武器炸藥怎么制造?

迄今為止，科學(xué)家還沒有發(fā)現(xiàn)地球上有反物質(zhì)存在，于是提出了兩條獲取反物質(zhì)的途徑：一是在實驗室里制造，二是到宇宙中去尋找。

為了在實驗室里制造反物質(zhì)，科學(xué)家考慮，氫原子是構(gòu)造最簡單的原子，它的原子核中只有一個質(zhì)子、核外只有一個電子，因此制造反氫原子相對容易。于是他們用粒子加速器使原子核與質(zhì)子相撞，制造出反質(zhì)子：從釋放正電子的放射性衰變反應(yīng)中收集正電子。

制造反粒子的另一個難題，是如何安全地貯藏和保存它?？茖W(xué)家想出了用磁場“陷阱”來束縛反粒子的方法。即高速原子核和質(zhì)子相撞產(chǎn)生反質(zhì)子之后，用減速器將其速度降低到光速的1／10，然后用高能磁場做“陷阱”將其束縛起來，再用電場將其速度進一步降低下來。另一方面，科學(xué)家們也用電磁場“陷阱”來減速由放射性衰變收集來的正電子。最終，減速了的負質(zhì)子和正電子在電磁場“陷阱”中結(jié)合，形成反氫原子。

1995年，設(shè)想終于成為現(xiàn)實。世界上第一家反物質(zhì)研制工廠一一位于瑞士日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心制造出了第一個反氫原子。在世界各地9個研究所39位科學(xué)家的通力合作下，到2002年底，已經(jīng)制造出了約5萬個反氫原子。但是反物質(zhì)的產(chǎn)量離可使用量還有很大距離。

到宇宙中去尋找反物質(zhì)也決非易事。茫茫宇宙中哪里存在反物質(zhì)?無人知曉。諾貝爾物理獎得者、美籍華人科學(xué)家丁肇中教授正在領(lǐng)銜實施一項到宇宙中去尋找反物質(zhì)的國際太空反物質(zhì)探索計劃。到宇宙中去找反物質(zhì)，需要先進的粒子物理傳感儀。1998年，中國研制的傳感儀·阿爾法磁譜儀由美國“發(fā)現(xiàn)”號航天飛機帶到了太空；另一臺新阿爾法磁譜儀計劃在2008年組裝完畢，搭載美國宇宙飛船升空，繼續(xù)尋找反物質(zhì)。

反物質(zhì)武器的前景如何?

制造反物質(zhì)耗資巨大，目前，生產(chǎn)1微克反物質(zhì)估計需要化費60億美元。另外它的安全貯存也很困難，盡管科學(xué)家想出了強磁場“陷阱”的辦法，目前還只能貯存10億(10⁹)個反電子——而制造1克反氫原子需要有6．023x 1023個反電子和同樣數(shù)量的反質(zhì)子。制造成功反物質(zhì)武器炸藥還有艱巨的路程要走，現(xiàn)在，反物質(zhì)武器還只能是一種新武器概念。

反物質(zhì)的巨大軍事應(yīng)用潛力強烈吸引著軍界。美國五角大樓對研制反物質(zhì)武器很感興趣，斥巨資加以研制，美國空軍正在進行一項名為“革命性炸藥”的反物質(zhì)武器研制計劃：美國洛斯阿拉莫斯和勞倫斯·利弗莫爾核武器研究所、費米研究所等許多單位也正在進行相關(guān)研究。俄羅斯從50年代的前蘇聯(lián)時期開始，就在其氫彈之父薩哈羅夫的領(lǐng)導(dǎo)下從事反物質(zhì)武器的研制工作。當(dāng)然，對于研制反物質(zhì)武器一直存在著反對的意見、不時聽到“暫?！钡膫髀劊镜难芯抗ぷ饕恢痹诶^續(xù)。

反物質(zhì)不僅可以作為武器的炸藥，還可用來制造星際航行火箭、航天器、太空船的超級燃料。據(jù)計算，用數(shù)十毫克反物質(zhì)作燃料推動太空船，6個星期就可以到達火星。