美军开始研究介子导航技术，取代传统GPS

11月23日，美国海军研究办公室（ONR）对外宣布，开始着手研究基于μ介子的全新导航技术，以取代对GPS的依赖。在ONR的对外公告中称：“与GPS信号不同，宇宙射线μ介子是一种天然辐射源，可以穿过岩石、建筑物和地球，可以在北极圈以北的高纬度地区使用，那里的GPS卫星由于轨道限制而无法正常工作。”

今年9月，美国海军研究办公室（ONR）和美国陆军发展司令部共同资助了Global-X挑战赛，挑战赛的目标是为无法使用GPS的北极地区开发新的导航解决方案。

一个包括来自芬兰、日本、英国和美国研究人员组成的跨国团队赢得了本年度的Global-X挑战赛。他们希望证明μ介子可以作为GPS的替代品，并且仍能提供相同水平的精度。他们的目标是在9个月内展示一种用于北极的概念验证替代导航系统，它可能会改变未来军事活动的游戏规则。

“随着气候变化为商业和军事活动打开北极航道，在极地地区航行的能力将在未来几十年变得越来越重要，”该μ介子项目的ONR全球首席科学主任查尔斯·艾迪博士介绍：“该项目使用持续撞击地球整个表面的宇宙相对论粒子，提供了一种创新方法来应对高纬度地区几乎没有或没有GPS服务的导航挑战。”

如今，如何保持导航能力成为一个大问题，尤其是在美国、俄罗斯和中国等国家开发拒止卫星导航的新方法时。

“从平民的角度来看，太空部队最为重要的支持是我们拥有GPS，”太空作战官纳塔利娅·平托上尉在8月份的太空部队宣传片中说：“这是个人、公司、银行和各种金融机构所需要的东西。所以从外界看，这可能是我们最重要的东西。”

如今，多国军方每天都使用GPS来引导船只、飞机、炸弹和许多其他设备。但这些信号很容易被干扰器干扰，干扰器会阻止GPS信号，而欺骗设备会接管它们并向用户提供虚假信息，《国防》杂志在今年2月份报导过防欺骗的μ介子技术。

据美国能源部介绍，介子是基本的亚原子粒子之一，有点像电子，但要重得多。地球上的介子是由地球大气中的粒子与宇宙射线碰撞产生的，宇宙射线来自太阳或其他类太阳系或星系的高能光子和原子核。介子仅存在2.2微秒，但它们在大气中不断产生，撞击地球表面的每一寸，并以几乎光速穿过几乎任何物质。

由于介子具有渗透几乎任何物质的能力，所以对需要弄清楚在地下或水下的位置，会很有帮助。

研究人员在2020年发表在《自然》杂志上的一项关于μ介子的研究中写道：“宇宙射线μ介子无处不在且具有普遍性。利用这种普遍性和相对论性质，宇宙μ介子有可能成为用于高精度定位水下或地下的接收探测装置。”

在北极圈以北航行也是如此。美国海军资助的使用μ介子进行导航的研究由英国地理基础设施调查有限公司的克里斯·斯蒂尔博士领导。斯蒂尔解释说：“就像回声定位一样，‘ping’之间的时间差——来自我们探测器中交叉μ介子的信号——可以允许用户测量从一个探测器到另一个探测器的距离，多个探测器允许通过三角测量进行定位。”

研究人员已经在英国的一个大型浸水池中对该系统进行了测试。现在该项目将转移到芬兰，目标是进入一个覆盖着一米厚冰的北极湖。“在这些高纬度地区，传统的GPS测量由于轨道限制而存在问题。”ONR在官方消息稿中提到了研究的目的。

为了让它发挥作用，研究人员需要一套高度同步的时钟，这些时钟可以在寒冷的北极环境中部分地在水下工作。如果它确实奏效，那将是军事导航的一大进步。

“海洋对宇宙射线μ子基本上是透明的，所以我们预计会产生新的海底导航。”研究人员对这项技术的前途充满了信心。

μ介子并不是GPS的唯一替代方案。近年来，美国海军再次开始重视天体导航技术。兰德公司的高级工程师甚至建议美军可以建立自动化天文导航系统为军事人员做实时标记。

在更高的技术水平上，可能即将使用量子科学作为GPS的“防黑客”替代方案。“这些惯性传感器可用于需要位置或导航信息的任何地方，以及无法接受GPS中断或GPS不可用的地方。”正在研究量子导航的桑迪亚国家实验室的科学家彼得·施温特说：“民用应用，如航空和自动驾驶汽车，是不能接受GPS信号暂时中断的情况。GPS在地下或水下也不可用，因此惯性导航对于这些操作环境非常重要。”

在量子科学和介子之间，军事导航正变得越来越科幻，而不仅仅是阅读地图。尽管听起来很复杂，但科学家们对接下来可能发生的事情充满了希冀。