宇宙射線導航技術：探索無GPS定位的新天地

　　“導航”這個詞容易引起誤解。按字面理解，“導航”似乎就是前面有個東西領著你走。但科技上所謂的“導航”，是讓你知道自己所處的地理位置的意思，是“定位”的同義詞。

　　GPS導航的缺點

　　我們現在用全球衛星定位系統(GPS)來導航。GPS是這樣工作的：假如你開著車，那么在太空中，至少有4顆以上的全球定位衛星在同時向你車上的GPS接收器發射無線電信號;不過，因為這些衛星分布在太空的不同位置，與你的距離各有遠近，所以你接收到的4顆衛星的信號之間會有微小的時間差。根據這個時間差，可以精確計算出你此刻的位置，從而實現導航的目的。

　　現在，GPS幾乎覆蓋全球，但它也不是萬能的。譬如，它就不能給水下的潛艇導航，因為GPS發射的無線電波會被水吸收，到達不了水下。正是由于沒有精確的水下導航技術，潛艇觸礁的事件時有發生。

　　GPS在高緯度的北極地區也不能精確導航。這一方面是因為GPS的定位衛星大多數運行在低緯度地區，在北極上空運行的很少;另一方面也是因為兩極上空來自太空的帶電粒子太多，對GPS信號的干擾太大。可是，隨著全球氣候變暖，很多船只和潛艇已經開始進入北極地區活動，那里迫切需要一種精確的導航技術。

　　讓人意想不到的是，利用宇宙射線轟擊地球大氣時產生的μ子，也可以進行導航，而且還可以補GPS導航之不足。這正是北極所需要的。

　　μ子定位的原理

　　宇宙射線是來自太空的高能帶電粒子。它們通常起源于太陽系外，甚至銀河系外。當一陣宇宙射線粒子流撞擊上層大氣時，會像天女散花一樣，產生大量的μ子落下。平均而言，地面上只有你的拇指甲這么一丁點大的面積，每分鐘就有一個μ子穿過。

　　而且，我們可以認為，在同一陣射線流中，不同粒子的撞擊時間先后可以忽略不計(換句話說，撞擊在同一時間發生)。因為它們既然從那么大老遠的地方來，還能保持在同一支“隊伍”里，說明它們的速度幾乎完全相等，否則在途中有的早就落伍了。

　　由宇宙射線撞擊大氣產生的μ子是一種穿透力極強的粒子，可以穿透水甚至巖石。它是一種不穩定的粒子，靜止壽命只有2.2微秒。但是，宇宙射線產生的μ子幾乎以光速運動，所以它的壽命可以延長到60微秒之多。在它衰變之前，可以飛行大約2萬米之遠，足以穿透海洋的水體以及淺層的地表。

　　μ子定位的原理是這樣：在地面大范圍布置許多個μ子探測器，每個探測器還要配備一個原子鐘，用于校對μ子被探測到的時間。這相當于GPS定位系統中的基站。然后，在移動物體(如船只、潛艇)上也配備一套μ子探測器和原子鐘。當高空中宇宙射線粒子流撞擊大氣時，會向地面傾撒大量的μ子。我們不妨把這當作一次撞擊事件。當來自同一次撞擊事件的μ子，一個被基站A探測到，另一個被移動物體探測到，因飛過的距離不同，兩者會有一個時間差。根據時間差，就可以得知移動物體距離基站A有多遠，假設這個距離是r1。或者說，可以確定，移動物體處在以基站A為圓心，以r1為半徑的圓周上。

　　假如移動物體靜止不動，過了一會兒，第二次撞擊事件發生。移動物體又探測到第二陣宇宙射線流(可以與前一陣有不同的來源)撞擊產生的一個μ子，而同一撞擊產生的另一個μ子被基站B探測到了，我們又可以知道移動物體距離基站B有多遠，假設這個距離是r2。可以確定，移動物體處在以基站B為圓心，以r2為半徑的圓周上。

　　移動物體既要滿足離基站A距離r1，又要滿足離基站B距離r2，從幾何學上說，它必處于兩個圓周的交點中的一個上。這樣，理論上說，就能唯一地確定移動物體的位置。當然，你要是想提高精度，可以多探測幾個撞擊事件。實驗室測試表明，探測10個事件就足以使定位精確到60毫米。進一步的測量能將精度提高到10毫米或更少。

　　廣闊的應用前景

　　從上述工作原理上，你或許已經看出，這種定位方式也有不足之處：移動物體要多次探測μ子才能定位，但這一次與下一次探測畢竟有時間間隔。這意味著，在定位時，移動物體最好是呆在原地不動，才能讓定位精確。因此，它不適合給那些在做高速運動的物體(如飛機、導彈等)定位。但考慮到船只和潛艇的移動速度都比較慢，或者為了準確定位，停一停都無妨，所以對它們倒是蠻合適的。

　　這套定位系統需要使用1平方米大小的μ子探測器，以及精確到100億分之一秒的原子鐘。這些設備每一樣都價格不菲，動輒數百萬美元。但錢不是問題，真正的挑戰是，如何確保它們能夠在北極平均-20℃的低溫環境或者數千米深的水底下工作。

　　目前，該系統已經在英國一個大型水箱中通過測試，隨后將轉移到芬蘭一個覆蓋1米厚的冰的高緯度湖泊中進行測試。如果成功，它將在軍事、海洋勘探等方面有著廣闊的應用前景，甚至在GPS的定位衛星受到攻擊的時候，暫時可以替代GPS進行導航。