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走近真相:NASA无工质引擎挑战物理学定律
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  • 网站编辑:bing
  • 发布时间:2016.11.24
走近真相:NASA无工质引擎挑战物理学定律一架EmDrive原型机安装在NASA实验室的试验箱中。
供图:AIAA
 
撰文:Nadia Drake,Michael Greshko
 
  经过多年的研究,一支特立独行的研究团队在NASA约翰逊航天中心完成了一项里程碑式的壮举。本周,该团队正式发布的实验证据表明:一种电磁推进系统无需使用任何燃料,便有可能成为助推航天器的无工质引擎。很多专家则认为此举非常不可思议。
 
  据该团队介绍,名为EmDrive的电磁驱动器仅凭封闭容器里不断反弹的微波就可以将电能转换为推力。理论上来说,像这样一架轻型发动机可以帮助航天器在70天内抵达火星。这也是Elon Musk寄希望于本世纪60年代将100万人送往火星的理由之一。
 
  长久以来,EmDrive的实验结果有违经典物理学的定律,所以该团队也仅仅是把它公之于众,包括他们在内的科学家们尚未确定其中的工作原理。早前的相关报道引来了无数的怀疑论调,甚至有很多物理学家把EmDrive差评为伪科学。
 
  如今,最新的研究结果经过了第三方科学家的审查,表明EmDrive产生推力的可能性大了许多。这会不会是太空旅行的大革命起点呢?抑或是又一出“无效太空飞船引擎”的闹剧呢?
 
什么是EmDrive?
 
  这一想法最早是由英国科学家Roger Shawyer在20年前提出的,并由 NASA先进推进物理研究实验室的工程师,也就是Eagleworks团队对EmDrive进行了深入研发与测试。
 
  简而言之,Eagleworks团队设计的EmDrive是通过封闭锥型腔体内的电磁跳跃来产生推力,例如本例中的微波光子。当这些光子撞击腔体内壁时,竟然莫名地推动了装置,却没有释放出任何物质。相比之下,NASA航天器目前所采用的离子驱动是将推进燃料离子化以产生推力,并释放带电原子束,例如常用的疝气燃料。
 
  如果EmDrive能在未来的研究中经得起考验,那就意味着未来的航天器有可能不再需要携带数吨的燃料遨游宇宙。轻量化是追求航行速度和经济性的重要考量指标,远距离的太空旅行更是如此。
 
这架驱动器怎么就打破物理定律了呢?
 
  1687年,艾萨克•牛顿爵士发明了运动三大定律,也由此奠定了经典力学的基础。三百多年来,这些定律如定海神针般经历了无数次检验,仍旧屹立不倒。
 
  如今,EmDrive和牛顿第三定律杠上了,后者的描述为,“作用力和反作用力大小相等、方向相反、作用在同一条直线上。”例如划桨,木浆在水中向后移动,其反作用力使舟前行。同样,喷气发动机通过向后释放高温气体使飞机得以前进。
 
  怪异的是,EmDrive并未释放出任何物质,这就让牛顿第三定律和动量守恒定律尴尬了。如果EmDrive没有向后排出物质就向前移动,那么何以用反作用力来解释推力呢?!这有点像大家秒懂的道理:车里的人是不可能通过撞击方向盘来使车前进;航天飞船的成员也不可能推着内壁就轻松飞抵目的地。
 
曾经有人测试过这样的驱动器吗?
 
  2014年,Eagleworks团队曾发布过初步的测试结果,暗示电磁驱动器确实存在,这一消息瞬间燃爆了科学界。随后,该团队不断以越来越严苛的实验条件,来测试EmDrive,当然也包括近日报道的这些测试。
 
  其它团队也在研发测试不同的EmDrive原型机,包括美国、欧洲、中国在内的多个科学团队都有所进展,甚至还有EmDrive的DIY爱好者在自行研制。但至今还没有人能给出决定性的结论。物理学家对于这种不可思议的机器可是一贯的慎之又慎。
 
那么这篇论文又有何不同呢?
 
  如今,该NASA团队对EmDrive的最新研究结果经过了同行评审,得以在学术期刊上发表。虽然同行评审并不能保证该研究结论或观察结果就是有效的,但至少有几个第三方的科学家查验过了实验装置、结果和推导过程,并认为它们是合乎情理的。
 
  在论文中,研究团队描述了他们是如何在一个近乎真空或者说近似于太空的环境中测试EmDrive。科学家把EmDrive安装在一个名为扭摆的装置上,启动后通过测量它移动的距离来推算它所产生的推力。结果显示,每千瓦能量产生了1.2毫牛的推力。
 
  与传统引擎相比,EmDrive的效能并不出众,但对于无燃料引擎来说,这绝对是划时代的壮举。借力太阳光子推动的光帆等相关技术就逊色多了,它们的效能仅有3.33到6.67微牛每千瓦。
 
  在此之前,对于EmDrive的诸多怀疑论调中有一种认为,EmDrive在激活期间会有所加热,是周围受热的空气产生了推力。本次试验的真空环境在一定程度上给这种质疑以回击,当然,需要破解的疑团还有很多很多。
 
好吧,那奥秘到底在哪呢?
 
  首先必须说明的是,EmDrive是否真的产生了推力仍待商榷,需要更深入更久远的考验。但人们已经迫不及待地剖析个中缘由。
 
  Eagleworks团队在测试EmDrive期间也认为,是微波光子推动量子真空虚拟等离子体(quantum vacuum virtual plasma),或者说是瞬时出现又湮灭的数量庞大的量子级粒子。加利福尼亚理工学院的物理学家Sean Carroll认为,问题在于并无证据表明量子真空虚拟等离子体的存在。虽然,量子真空是存在的,但它们并不生成可用于推挤的等离子体。
 
  Eagleworks团队在论文中借用了导航波理论(pilot-wave theory)来描述量子真空产生推力的过程,并友情提示该理论并非当前物理学界的主流观点。
 
  普利茅斯大学的物理学家Mike McCulloch认为,EmDrive可以用盎鲁效应来解释,该效应是指加速运动物体所经历的热效应。在他看来,不管在广义还是狭义上,EmDrive锥型体造就了不同波长的盎鲁效应,所以腔体内光子的惯性将随着光子前后跳跃而有所变化,也就必须通过推力的产生来保持动量守恒。
 
  但罗彻斯特理工学院的物理学家Brian Koberlein 认为,McCulloch的理论是建立在盎鲁效应存在的基础上,这尚未得到实验证实;同时还要求EmDrive腔体内的光子速度发生改变,但这又与爱因斯坦狭义相对论冲突。
 
  曾于1990年提出马赫效应理论的物理学家Jim Woodward认为还有一种可能:物体在加速运动过程中受到的力,有一部分不会产生动能,而是以势能的形式存储在物体内,例如引力相互作用和瞬态惯性质量的波动。同时这也解释了为什么太空飞船在太空中航行时并未违背动量守恒定律。
 
会不会又是一出乌龙呢?
 
  当然不能排除这样的可能。人类可不乏挑战物理定律却铩羽而归的历史,例如超光速中微子,经证实很多例子都是因为试验上的瑕疵造成的。
 
  在这篇论文中,作者对可能产生实验误差的9个来源进行了识别与讨论,包括畸形气流、电磁辐射泄露和磁相互作用等。但并非所有的误差都消除了,所以大量的验证试验仍待继续,下一次说不定会在太空中进行试验呢。
 
(译者:清泉石上流)
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