正反物质与曲速引擎

“没有虚假的东西能够存在。”

——出自克林金沙的形而上学第一定律（《星际迷航4：抢救未来》）

如果你沿着88号州际公路向芝加哥西边行驶50千米，到了奥罗拉附近，那些喧嚣的城市区域被一片静谧的中西部大草原所取代，延伸到视野尽头的全是一马平川的新绿。在州际公路稍北的地方有一片环状的土地，被一圈深沟包围起来了。在里面，有水牛在悠闲地吃草，还有成群的各种鸭、鹅在水塘中嬉戏。

然而在地表以下20英尺，环境就并非地面上这么安静祥和了。每秒40万次的反质子束流与质子对撞，产生了成百上千暴风骤雨般的二次粒子：电子、正电子、π介子和其他粒子。

这就是费米国家加速器实验室，或者简称费米实验室。它拥有世界上最高能量的粒子加速器，不过很快就会被建在瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机[9]给取代了。而在这里我们主要关注的是另一个方面——费米实验室是世界上最大的反质子储存库。在这里，反物质可不再是科幻小说的噱头而已。数以千计使用设备的研究人员都离不开这些反物质。

费米实验室和联邦星舰进取号也因此有了一份亲切感。反物质是星舰运行的核心材料：正是它驱动了曲速引擎。正如我之前提到的，没有比这更有效率的推进系统了（虽然曲速引擎事实上与火箭推进方式并不相同）。反物质与物质相互接触以后，就会发生湮灭，完全转化为能量，变成辐射，以光速传播开去。

反物质的储存

很明显，要保证反物质被“储存”在一个腔体里，是一件相当困难的事情。当星舰上的反物质储存系统故障之后，就像进取号与波兹曼号相撞之后那次，或者是大和号舰载的储存器被伊肯尼安的电脑武器攻击的那次，都不可避免地导致了毁灭性的后果。事实上，对于星舰运行来说，反物质储存器的存在再基本不过了，因此在《星际迷航：下一代》“灾难”[10]一集中，当进取号和两股“量子流”发生碰撞后，联邦上尉指挥官迪安娜·特洛伊不应该在暂时接管进取号之时，对于丢失储存器的意义一无所知。即使她只接受过心理学方面的培训，也不能作为一个借口！

星舰上装载的反物质储存系统是比较科学的，事实上费米实验室也用了相同的方法来长期储存反物质。反质子与反电子（即正电子）都是带电粒子，在有磁场的情况下，就会进行圆周运动。因此，如果用电场加速这些粒子，只要施加适宜强度的磁场，就能把它们限制在一个确定的范围里。通过这种办法，我们可以让粒子在一个甜甜圈形状的容器里运动，而不会碰到器壁。这一技术还被用在一种叫作托卡马克的装置里，以容纳研究核聚变反应的高温等离子体。

费米实验室粒子对撞机的反质子源配备有巨大的环状磁铁。一旦在中等能量的碰撞中产生了反质子后，它们就被引导进入环中。之后在费米实验室的高能对撞机——万亿电子伏特加速器（Tevatron）——中进行更高能量的碰撞。万亿电子伏特加速器是一个更大的环，约有6千米的周长。质子被注入环的一端加速，反质子在另一端加速。在精心调整的磁场下，这两束粒子可以巧妙地分开，在特定的一点才会发生碰撞，以供研究需要。

反物质的来源

除了反物质的贮存问题外，使用物质-反物质引擎的紧要问题是：反物质从哪里来？从我们能够分辨的距离来看，宇宙大部分是由物质而非反物质组成的。从银河系以外产生的高能宇宙射线成分的检验结果上，我们可以肯定这一点。一些反物质会从高能宇宙射线与物质的碰撞中产生，要是在很大的能量范围内寻找宇宙射线信号的话，反物质的信号就与这种现象单独产生的相一致，因此没有证据能表明原生的反物质是存在的。

宇宙中另一个可能的反物质信号就是正反物质碰撞湮灭时产生的。只要这两者存在，湮灭过程的特征辐射就有望被观测到。事实上，这就是在水晶生命体破坏了联邦新的前哨基地后，进取号搜寻其行踪的方法。生命体在背后留下了明显的反物质痕迹，所以通过寻找反物质产生的辐射，进取号跟上了生命体并阻止了它攻击其他星球。

虽然《星际迷航》的编剧们在概念上是正确的，但他们在细节处理上出现了问题。玛尔博士和戴达曾经寻找过能量为“10keV[11]”的“伽马辐射”峰。不幸的是，这个大小并不是正反质子湮灭的能量尺度，事实上也没有任何一种已知的湮灭对应这个能量。如果正负电子发生湮灭，将产生511keV的伽马辐射峰，大小与电子质量相关。正反质子产生的尖峰与其静止能量相关，大约为1GeV[12]，相当于玛尔与戴达寻找能量的10万倍。（顺便说一下，10keV是X射线的辐射范围，并不是伽马射线的，后者通常要大于100keV，不过这就有点吹毛求疵了。）

不管怎样，天文学家和物理学家们都曾在511keV和1GeV附近寻找过弥散的背景信号，想确认真实发生的正反物质反应的强烈辐射，但是这种信号并不存在。这和宇宙射线的研究都表明，要么反物质在宇宙中鲜有分布，要么反物质实际分布在宇宙之中，但它们附近不存在正物质。

我们生活在充满着正物质的世界，所以很自然地就会认为宇宙大部分是由正物质而不是反物质组成的。事实上，为什么正物质比反物质多，也是当今物理学中尚未被解决的最有趣的问题之一，同时还是现在热门的研究课题。这种差别与我们的存在息息相关，也与《星际迷航》的设定不无关系，所以最好停下来深入探讨一下这个问题吧。

在量子力学刚刚建立的时候，其理论就成功地应用到了原子物理的现象上；特别是原子中电子的行为被解释得非常清楚。但是，很明显有一个限制就是电子的速度要远远小于光速。如何把狭义相对论和量子力学统一起来成为一个经过20年都没解决的问题。一部分原因是量子力学并不像狭义相对论那么直截了当，它需要的不仅仅是新的世界观，而还有大量新的数学技巧。在19世纪最初的30年里，物理学界最有才华的年轻人都投入到这一领域，来探索全新的宇宙图景。

其中之一就是保罗·狄拉克。就像他的继承者史蒂芬·霍金，以及之后的戴达一样，他曾主持剑桥大学的卢卡斯数学教授席位。先师从于卢瑟福勋爵，后来又在尼尔斯·玻尔手下接受训练，狄拉克做好了足够的准备将量子力学快速地推向现实。在1928年，像他之前的爱因斯坦一样，他写下了将要改变世界的一个等式——狄拉克方程。这个方程用量子力学的术语成功地解释了相对论性电子的行为。

在写下方程后不久，狄拉克意识到，要保证自洽的话，数学上要求存在一种与电子电荷相反但是其他属性相同的粒子。当然，类似的粒子我们已经知道一个——就是质子。不过，狄拉克方程要求的粒子要和电子质量相等，而质子质量是电子的近2000倍。实验观察与这种“不成熟的”解释间的矛盾存在了4年之久，直到美国物理学家卡尔·安德森发现，在轰击地球的宇宙射线当中，有一种新的粒子与电子质量相同但电荷相反——它带有正电荷。这种“反电子”很快就成为众所周知的正电子。

从那时起，狭义相对论与量子力学的结合不可避免地引出了下面的结论，那就是所有粒子都有反粒子，它们的电荷（要是有的话）或者其他属性应与其正常粒子伙伴相反。要是所有粒子都有反粒子，只要没有物理过程能区分这两种粒子的其他性质的话，那我们把哪个粒子称为正的哪个称为反的都是很任意的。在经典世界的引力与电磁力作用下，物理过程对正反粒子没有偏好。

现在我们陷入一种很尴尬的境地。要是粒子与反粒子是对等的，那为什么宇宙的初始条件决定了我们称为粒子的东西构成了物质的主要形式？明显，正反粒子数量相等才是更合乎情理的、更对称的初始条件。在这种情况下，我们必须要解释，没有办法明显区分正反粒子的物理学定律[13]，是怎样做到使一种粒子比另一种多的。要不然就是宇宙里存在一个基本的量——粒子数与反粒子数的比——在宇宙诞生的时候就已经决定了，而物理定律没有什么可以发挥作用的余地；要么我们就必须解释物质在接下来的动态演化中，产生的量比反物质多的悖论了。

在20世纪60年代，著名的前苏联科学家安德烈·萨哈罗夫提出过一个模型。他指出，只要在早期的宇宙里满足三个物理条件，上述情况就是可能发生的；而且，即使一开始是对称的情况，也可以演化出物质与反物质的数量差异。在这个模型提出伊始，并没有理论满足他设下的三个条件。但是在那之后，粒子物理与宇宙学都有了长足的进展。现在原则上，我们有许多理论都可以解释自然界里观察到的物质与反物质在丰度[14]上的区别。不幸的是，它们都要求新的物理和新的基本粒子来实现其理论预期。除非大自然给我们指明一条道路，否则将没有办法从中选择一个正确的结果。尽管如此，许多物理学家包括我，都从中获得了安慰：我们有一天能够从第一性原理来解释组成万物的物质自身为何存在。

那假设现在有了一种正确的理论，有多大的数量差异需要解释呢？在早期的宇宙里，质子要比反质子多出多少，才能解释今天宇宙里过剩的物质呢？我们可以通过比较质子与光子的丰度来找出一点线索。要是宇宙开始时有着等量的质子与反质子，那它们会发生湮灭从而产生辐射——就是产生光子。每一对质子与反质子湮灭将会产生一对光子。不过，假定质子要多出一部分的话，那就不是所有的质子都会发生湮灭了。通过计算在湮灭完成后剩下的质子数量，再和湮灭产生的光子数对比（即宇宙大爆炸后背景辐射里光子的数量），就可以得知早期宇宙里物质超出反物质的比例了。

在现在的宇宙里，微波背景辐射中光子与质子含量比大约是100亿比1。这就意味着最初质子仅仅比反质子多了100亿分之一！这就是说早期宇宙每有100亿个反质子，就有100亿加上1个质子！这样微不足道的一点差异（伴随着中子与电子和它们反粒子的类似差异）就足以产生宇宙里所有可见的物质——星系、恒星、行星——以及所有我们了解与热爱的万物。

这就是我们对于宇宙里物质比反物质多这一现象的一点思考。除了本身的兴趣外，这些研究对于《星际迷航》里物质-反物质引擎的运行还有一些参考价值，因为宇宙空间中并没有太多的反物质，所以就不能够通过收集散布在外面的反物质来驱动星舰。在这种情况下，可能就不得不自己制造反物质了。

如果要考虑具体的做法，我们还是得回到费米实验室上方那片徘徊着水牛的中西部大草原。我决定联系费米实验室的前主任，约翰·皮普尔斯，来详细考察这个问题，他曾经指导设计建造了费米实验室的反质子源。我问他能否帮我计算一下在当今的物价水平下，1美元能生产和贮存多少反质子。他欣然同意了我的要求，让工作人员提供了必要的信息以得出合理的估计。

费米实验室通过质子与锂靶的中能碰撞来产生反质子。这些碰撞不时地产生反质子，然后导入到地面以下的贮存环里。就一般运行的效率来说，通过这种方式费米实验室每小时能产生500亿个反质子。假设反质子源每年运行75%的时间，那就大约有6000小时，所以费米实验室平均每年产生300万亿个反质子。

费米实验室中与生产反质子直接相关的设备大约花费了5亿美元（按1995年的物价）。要是预计有25年的使用时间的话，那就是每年平均2000万美元。人力（工程师、科学家、一般工作人员）和机器运转花费大约每年800万美元。接下来还有产生粒子束和贮存反质子所消耗的巨大电量的费用。在伊利诺伊州这里，大约是500万美元一年。最后，行政管理费用每年约1500万美元。总的来说，费米实验室每年花费4800万美元来生产300万亿个反质子，以用于探索宇宙中物质的基本结构。所以最终结果就是，1美元大约能生产和贮存600万个反质子！

不过，这个价格可能比本来的要高了一点。费米实验室产生的是高能反质子束，要是不要求太高的能量的话，这个价格可能要少一半以上。大方一点，就假设以今天的技术来看，消费1美元可能会得到1000万到2000万个反质子。

那接下来的问题就很明显了：这1美元得到的能量是多少呢？要是把1美元的反质子质量完全转化的话，大约能释放千分之一焦耳的能量，可以把四分之一克的水加热一千分之一摄氏度。这么一点能量根本就不足为道。

计算费米实验室的反质子源实时产生和利用的反质子量，能够更好地描述曲速引擎的驱动能力。反质子源每小时产生500亿个反质子，要是全部转化为能量的话，大约是千分之一瓦！换一种说法就是你需要100万个费米实验室的反质子源才能点亮一个电灯泡！要是考虑反质子源每年4800万的运行费用的话，光照亮你家房间的费用就比全美国的年度预算还要多了。

也就是说，现在面临的主要问题是生产反质子需要的能量，远远大于将它的静质量转化出来的能量。在生产过程中损耗的能量至少是反质子中储存能量的一百万倍。在我们考虑用物质-反物质引擎来实现星际旅行之前，应该找到一种更有效率的驱动方式。

很明显要是进取号自己制造反物质的话，需要大量新技术的支持——不仅要削减制造反物质的成本，还要减少空间的占用。如果要使用加速器技术，设备的单位面积能量产生率要比今天高不少。顺带这也是21世纪初期地球上的研究热点。要是粒子加速器——这个我们用来直接探究物质结构的工具——能够不那么昂贵，甚至国际财团都能负担得起的话，加速基本粒子的新技术就有望得到发展。（美国政府认为再在本国建设下一代粒子加速器太过于昂贵，因而下一代将由欧洲主导建在日内瓦，计划在2007年上线[15]。）加速器过去单位面积能量产生效率的增长趋势表明，每隔10到20年，这个效率会提高10倍。这导致了当前政府对支持昂贵基础研究持消极态度，而且进展也不容乐观，不过在未来两个世纪里，可能也会发生许多政策的转变。

即使要在星舰上制造反物质，也会面临入不敷出的尴尬局面。为什么要白费力气去生产反物质，而不直接把这些能量用于驱动星舰呢？

假想的量子荷翻转器

《星际迷航》的编剧们还是很机智的，他们早就考虑了这个问题。答案很简单：虽然脉冲推进可以使用其他形式的能量达到亚光速，但是只有正反物质的反应才能用于驱动曲速引擎。而且曲速引擎能够比脉冲推进器更快使星舰脱离险境，那些额外消耗的能量在危急情况下也就物有所值了。编剧们还通过发明新的反物质生产方法避开了加速器的浪费问题。他们提出了假想的“量子荷反转器”，它可以简单地反转基本粒子的正反属性，所以要是有质子和中子的话，就能最后得到反质子和反中子。根据《星际迷航：下一代——技术手册》的说法，这种技术只有24%的净能量损失——比加速器损失的能量少了好几个数量级。

技术手册还告诉我们，除了紧急情况外，所有星际舰队的反物质都是在补给设施里生产的。反质子和反中子组成了反重氢（反氘）的原子核。有趣的是星际舰队的工程师给这个原子核加上了正电子来使它形成中性的原子——可能对编剧们来说中性原子听起来比带电的原子核更好控制吧。（事实上，在日内瓦工作的一个哈佛小组最近就制造出了反氢。）不幸的是，这会在贮存上导致严重的问题。磁场是保证反物质不会发生灾难的重要控制手段，但它只对带电的物体产生作用！还是回到正题上来……

一艘星舰的反物质贮存能力大约是3000立方米，分散在不同的储存舱里（进取号-D则是在42号舱）。这个量宣称足够3年任务的消耗。我们就抱着娱乐的心态来计算一下，以反重氢核存储的这么多反物质能最后得到多少能量。我假定原子核以稀薄的等离子体形式运输，因为在磁场里这样保存比固体或者液体形式要简单。在这种情况下，3000立方米大约相当于500万克的量。要是湮灭时每秒消耗1克的反物质，产生的能量将与目前全人类每天需要的总能量相当。这一点我在之前讨论曲速引擎时也提到了，至少要这个量级的能量才能驱动一艘星舰。那按照这个速率消耗的话，贮存的反物质能坚持500万秒，也就是大约2个月。假设星舰在执行任务的时候有5%的时间在使用物质-反物质引擎，那耗尽这些储备就应该需要3年左右的时间。

与反物质消耗有关的另一个问题就是（《星际迷航》编剧一直忘记的一点）：正反物质的湮灭是一个非有即无过程。它不能连续调节。当你改变曲速引擎中正反物质的比例时，并不能改变能量产生的绝对速率。能量产生与燃料消耗相对比例的减少只意味着燃料被浪费了——那就是说，物质没有找到反物质与之湮灭，或者单纯碰撞了却没有发生湮灭。在许多剧集里（“赤裸时间”[16]，“银河之子”[17]，“恶魔之皮”[18]）物质与反物质的比例被改变过，并且根据《星际迷航：下一代——技术手册》这个比例可以在25：1到1：1之间调节，以适应不同的翘曲速度，要是1：1的话就可以达到曲速8级或者更高。对于曲速8级以上的速度，反应物的量增加而比例则保持不变。改变反应物的总量而不是比例才是正确的过程，这是星际舰队的学员都应该知道的。卫斯理·克拉希尔在“岁月流逝”[19]中就曾指出了这一点，在星际舰队的考试中物质与反物质的比例是一个陷阱题，因为只有一种可能的比例——即1：1。

二锂晶体

最后，《星际迷航》编剧给物质-反物质引擎添加了一个至关重要的部件，我指的就是众所周知的二锂晶体（凑巧被《星际迷航》编剧发明出来的，远远早于费米实验室的工程师决定在反质子源中使用锂靶）。由于它是曲速引擎的核心，同时也在联邦经济和情节发展中占有举足轻重的地位，很难想象怎么能对它避而不谈。（举个例子，要是没有二锂的重要经济价值，进取号就不会被送到霍肯星系去保护采矿权，也就不会有机会进入“镜像宇宙”，从而见到联邦是一个邪恶的帝国了！）

那在《星际迷航》编剧的想象里这东西有什么用呢？这些晶体能够调整正反物质湮灭的速率，因为它们是唯一能“渗透”反物质的物质形式。

我大胆地做出以下的猜想：晶体就是原子进行规则地周期排列形成的一系列点阵；假设反氢原子穿过了二锂晶体的晶格点阵，那这个过程就使它与正常物质的原子以及其他反原子保持了固定的距离。通过这种方法就能调整反物质的密度，进而改变正反物质的反应速率。

我之所以要不厌其烦地提出以上假想，来解释这种虚构物质的用途，完全是因为《星际迷航》的编剧们领先他们所处的时代太多了。同样的，或者至少在思想上类似的说法，在《星际迷航》引入二锂辅助的正反物质湮灭很多年以后才被提出来，以解释同样奇异的一个过程：冷核聚变。在冷核聚变最火的那6个月左右的时间里，许多人宣称把不同的元素通过化学的方法混合，就能诱发核反应；这种方式要比太阳上那种要求高密度和数百万度高温的反应要快捷许多，至少在室温下就能进行。

冷核聚变最令物理学家们怀疑的地方就在于，化学反应进行的尺度在原子层面，而这比原子核要大上10000倍。很难相信这样大尺度的过程能够影响比它小这么多的核反应。尽管如此，直到有其他组宣布这种结果是不可重复的之前，许多人还是费尽心力地想要找出奇迹可能发生的原因。

不过因为《星际迷航》的编剧不像那些冷核聚变的拥护者那样，他们从未说过自己写的不是科幻的内容，所以就对他们宽容一些吧。毕竟二锂辅助的反应就是为了星舰最核心的技术应运而生的：物质-反物质引擎。我还要说在现代物理实验中确实有晶体——不过不是二锂，而是钨——用来调节或者减慢反电子（正电子）束的速度；其原理是正电子在晶体势场中散射而失去能量。

在宇宙里没有比用正反粒子湮灭产生纯辐射能量更有效率的方式了。这是火箭推进技术的终极手段，也是我们把火箭速度推向极限时一定会用到的方法。至于这项技术所花费的巨大成本，那就是23世纪的政治家们所要担心的问题了。