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EmDrive真的打破了牛顿定律?

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:15

    “无需燃料即可遨游太空”、“不遵守动量守恒”、“推翻牛顿第三定律”……从诞生之日起,EmDrive 这个噱头十足的航天推进器就饱受争议,许多科学家直斥其为“伪科学”。

    11月17日,EmDrive 终于登堂入室,以论文形式出现在正规的同行评议期刊上,引发了新一轮的关注。但要说它推翻了物理学的经典定律,恐怕还为时尚早。

    EmDrive真的打破了牛顿定律?

    NASA 实验室中的 EmDrive 原型机。图片来源:AIAA

    NASA 的约翰逊太空中心(Johnson Space Center)有个充满奇思妙想的团队。前不久,该团队取得了一项里程碑式的突破——通过实验证明的“电磁推进系统”( EmDrive)论文正式发表,而此前许多专家对此都不看好。该推进器能在不使用任何燃料的情况下,为太空中的航天器提供动力。

    该团队在论文中表示,电磁推进系统通过在闭合的空腔内来回弹射微波,将电能转化为推进力。理论上,这种轻量级的引擎能够在70天内将航天器送到火星。

    但是,一直以来对于这种引擎的主要争议在于它违反了经典物理定律——牛顿第三定律和动量守恒。因此,即使如该团队所言EmDrive 能够工作,科学家们也不明白它的工作原理。此前,关于该引擎的报道受到了大量质疑,许多物理学家甚至直接斥其为伪科学。

    不过,这篇宣称EmDrive 行得通的新的论文通过了独立的同行评议。那么,太空旅行的革命要到来了吗?抑或这“不可能”的航天推进器引起只是误入了另一个歧途?

    什么是EmDrive?

    EmDrive 的概念最先由英国科学家 Roger Shawyer 在20年前提出。NASA 高级推进物理研究实验室(又名 Eagleworks 实验室)将其付诸实践,并进行了测试。

    简单地说,Eagleworks 实验室开发的 EmDrive 的原理是,电磁能(微波光子)在一个圆锥状的密闭空腔内反复弹射,从而产生推进力。当微波光子撞击空腔内壁的时候,它们就会推动装置向前移动,而该装置不会往外喷射任何物质。这和以往的推进器有很大的差别。一些 NASA 航天器中使用离子推进器,通过使推进燃料(一般是氙气)离子化产生动力,不过它们会向外喷射带电原子束。

    如果EmDrive 能够承受住考验,将意味着未来的航天器不再需要成吨的推进燃料。轻装上阵是实现高速度、低成本、长距离太空旅行的关键。

    EmDrive 怎么就违反物理定律了?

    在1687年,牛顿发表了三大运动定律,它们后来成为了经典力学的基石。在接下来的几个世纪,牛顿三大运动定律被无数次验证。

    EmDrive 和牛顿第三定律有不可调和的矛盾。牛顿第三定律指出,当两个物体互相作用时,彼此施加于对方的力大小相等、方向相反。牛顿第三定律能够解释为什么当人划桨的时候船能够前进——因为桨和水相互作用,水对桨产生了相反的作用力。牛顿第三定律也能解释引擎产生推进力的原因——引擎向后排出滚烫的气体,从而得到向前的推进力。

    EmDrive真的打破了牛顿定律?

    EmDrive 受力示意图。电磁波在真空圆筒内弹射,对上下壁产生大小不同的作用力。图片来源:www.emdrive.com

    奇怪的是,EmDrive 并不向外排出任何物质,这在牛顿第三定律以及另一条经典力学定律——动量守恒的框架下是说不通的。如果 EmDrive 不通过向后排出物质获得前进的动力,那么它的动力是从哪儿来的?这有点类似于航天器里的船员通过按压墙壁让航天器飞行,或者一个更古老的笑话——抓着头发把自己提起来。

    有人测试过EmDrive 吗?

    2014年,Eagleworks 实验室公布了 EmDrive 引擎早期成功测试的结果,引起了轩然大波。后来,他们又在更为严格的条件下测试了 EmDrive,其中就包括最新发表的几个实验。

    另有一些研究人员也研发并测试了EmDrive 的不同版本。比如,欧洲和中国的一些研究者就进行过相关研究工作(西北工业大学杨涓老师曾发表类似研究,见参考资料),甚至有一些 EmDrive 的爱好者群体在忙着自行研发和测试这种不可能的物理引擎。不过,还没有任何人能够证据确凿地表示他们的引擎能像理论描述的那样运行。

    这次有何不同?

    Eagleworks 实验室的这篇论文发表在同行评议期刊《推进与动力杂志》(Journal of Propulsion and Power)上。通过同行评议并不能保证该论文的结果或观测是有效的,不过可以说明它的实验设置、结果以及对结果的诠释得到了部分独立科学家的认可。

    这篇论文描述了对EmDrive 进行的测试,测试在接近真空(类似于太空)的环境下进行。他们把引擎放到一个叫做扭摆的装置上,启动引擎,然后通过它运行的距离来推算推进力的大小。他们估计,EmDrive 消耗每千瓦功率能够产生1.2毫牛的推进力。

    和传统的引擎相比,这点推进力根本不算什么。但是这是在没有任何燃料的情况下取得的,所以并不能说它无足轻重。在同样不靠燃料推进的技术中,太阳帆以及其他依靠光子推进的技术产生的推进力只有它的几百分之一,在每千瓦3.33和6.67微牛顿之间。

    对于EmDrive 另一项批评是它在启动后会升温,有些人认为它是利用这一点加热周围的空气从而获得推进力的。不过在真空环境中进行的测试可以打消这方面的疑虑。当然,EmDrive 面临的问题远不止这一些。

    首先,我们并不清楚EmDrive 是否真的能够产生推进力,关于这点我们需要进一步的确认。不过有人提出了许多解释它的运行逻辑的假设。

    Eagleworks 实验室认为,微波光子推动了“量子真空虚拟等离子体”(quantum vacuum virtual plasma)——一片在量子层面不断涌现又消失的翻滚的粒子海。加州理工学院的物理学家 Sean Carroll 表示,问题是没有证据能证明“量子真空虚拟等离子体”存在。他认为,量子真空是存在的,但是它并不会产生能够被推动的等离子体。

    在论文中,Eagleworks 实验室的团队引用了所谓的“导航波理论”(pilot-wave theory)来描述量子真空产生推进力的过程。不过他们也承认,该理论“并不是物理学的主流观点”。

    英国普利茅斯大学的物理学家Mike McCulloch 认为,EmDrive 证明了一种新的惯性理论,这里面牵涉到盎鲁辐射(Unruh radiation,一名加速运动的观察者可以观测到惯性参考系中观察者无法看到的黑体辐射)。据他描述,因为 EmDrive 的圆锥的顶和底的盎鲁辐射波长不同,所以当空腔中的光子来回弹射的时候,它们的惯性会改变,在动量守恒的情况下这会产生推进力。

    罗切斯特理工学院物理学家Brian Koberlein 表示,虽然 McCulloch 认为盎鲁辐射是存在的,但这种现象还没有得到实验证实。该理论同时还提出,EmDrive 空腔内部的光速会发生变化,这违反了爱因斯坦的狭义相对论。

    不过,当物体加速时产生的部分能量可能被储存在这个物体中。简单地说,这里涉及引力的相互作用以及瞬时惯性质量波动。Jim Woodward 认为,这可以解释为什么 EmDrive 在不违反动量守恒的前提下进行移动。Woodward 在1990年提出的马赫效应(Mach effect)与此相关。

    EmDrive 会不会是胡说八道?

    EmDrive 当然有可能是胡说八道。历史上不乏这样的例子,比如“速度超过光速的中微子”最后被证明是糟糕的实验产生的错误结果。

    在这篇论文中,作者讨论了9种可能的实验误差来源,包括气流波动、电磁辐射泄露以及磁的相互作用等。这些误差还无法完全排除,需要更多的实验才能进一步证明。

    来源National Geographic

    撰文Nadia Drake,Michael Greshko

    编译徐寒易 张士超

    译者注:

    截至目前(2016年11月28日),NASA 及约翰逊太空中心均未对此论文发表任何评论。NASA 官方曾于2015年评论称:媒体热炒的 EmDrive 是一项“小工作”,无任何实际成果。鉴于 NASA 官方从未给 EmDrive 背书,法国物理学家 Steven J Thomson 认为,给这项研究贴上“NASA 发现”的标签并不合适。

    据英国媒体IBTimes 报道,Eagleworks 实验室已被 NASA 关闭,由于研究成果不受重视,该项目的核心人物之一 Paul March 在论文发表之前已决意离开。

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