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推進引擎EmDrive又出現在新聞里 它真的靠譜嗎

首頁 2019-11-15 09:44 百度排名 89 ℃


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(原標題:EmDrive真的打破了牛頓定律?)

無工質的推進引擎EmDrive又出現在了新聞中,它靠譜嗎。

“無需燃料即可遨游太空”、“不遵守動量守恒”、“推翻牛頓第三定律”…… 從誕生之日起,EmDrive這個噱頭十足的航天推進器就飽受爭議,許多科學家直斥其為“偽科學”。

11月17日,EmDrive終于登堂入室,以論文形式出現在正規的同行評議期刊上,引發了新一輪的關注。但要說它推翻了物理學的經典定律,恐怕還為時尚早。

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NASA實驗室中的EmDrive 原型機。圖片來源:AIAA

NASA 的約翰遜太空中心(Johnson Space Center)有個充滿奇思妙想的團隊。前不久,該團隊取得了一項里程碑式的突破——通過實驗證明的“電磁推進系統”( EmDrive)論文正式發表,而此前許多專家對此都不看好。該推進器能在不使用任何燃料的情況下,為太空中的航天器提供動力。

該團隊在論文中表示,電磁推進系統通過在閉合的空腔內來回彈射微波,將電能轉化為推進力。理論上,這種輕量級的引擎能夠在70天內將航天器送到火星。

但是,一直以來對于這種引擎的主要爭議在于它違反了經典物理定律——牛頓第三定律和動量守恒。因此,即使如該團隊所言EmDrive 能夠工作,科學家們也不明白它的工作原理。此前,關于該引擎的報道受到了大量質疑,許多物理學家甚至直接斥其為偽科學。

不過,這篇宣稱EmDrive 行得通的新的論文通過了獨立的同行評議。那么,太空旅行的革命要到來了嗎?抑或這“不可能”的航天推進器引起只是誤入了另一個歧途?

什么是 EmDrive?

EmDrive 的概念最先由英國科學家 Roger Shawyer 在20年前提出。NASA 高級推進物理研究實驗室(又名 Eagleworks 實驗室)將其付諸實踐,并進行了測試。

簡單地說,Eagleworks 實驗室開發的 EmDrive 的原理是,電磁能(微波光子)在一個圓錐狀的密閉空腔內反復彈射,從而產生推進力。當微波光子撞擊空腔內壁的時候,它們就會推動裝置向前移動,而該裝置不會往外噴射任何物質。這和以往的推進器有很大的差別。一些 NASA 航天器中使用離子推進器,通過使推進燃料(一般是氙氣)離子化產生動力,不過它們會向外噴射帶電原子束。

如果 EmDrive 能夠承受住考驗,將意味著未來的航天器不再需要成噸的推進燃料。輕裝上陣是實現高速度、低成本、長距離太空旅行的關鍵。

EmDrive 怎么就違反物理定律了?

在1687年,牛頓發表了三大運動定律,它們后來成為了經典力學的基石。在接下來的幾個世紀,牛頓三大運動定律被無數次驗證。

EmDrive 和牛頓第三定律有不可調和的矛盾。牛頓第三定律指出,當兩個物體互相作用時,彼此施加于對方的力大小相等、方向相反。牛頓第三定律能夠解釋為什么當人劃槳的時候船能夠前進——因為槳和水相互作用,水對槳產生了相反的作用力。牛頓第三定律也能解釋引擎產生推進力的原因——引擎向后排出滾燙的氣體,從而得到向前的推進力。

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EmDrive 受力示意圖。電磁波在真空圓筒內彈射,對上下壁產生大小不同的作用力。圖片來源:

奇怪的是,EmDrive 并不向外排出任何物質,這在牛頓第三定律以及另一條經典力學定律——動量守恒的框架下是說不通的。如果 EmDrive 不通過向后排出物質獲得前進的動力,那么它的動力是從哪兒來的?這有點類似于航天器里的船員通過按壓墻壁讓航天器飛行,或者一個更古老的笑話——抓著頭發把自己提起來。

有人測試過 EmDrive 嗎?

2014年,Eagleworks 實驗室公布了 EmDrive 引擎早期成功測試的結果,引起了軒然大波。后來,他們又在更為嚴格的條件下測試了 EmDrive,其中就包括最新發表的幾個實驗。

另有一些研究人員也研發并測試了 EmDrive 的不同版本。比如,歐洲和中國的一些研究者就進行過相關研究工作(西北工業大學楊涓老師曾發表類似研究,見參考資料),甚至有一些 EmDrive 的愛好者群體在忙著自行研發和測試這種不可能的物理引擎。不過,還沒有任何人能夠證據確鑿地表示他們的引擎能像理論描述的那樣運行。

這次有何不同?

Eagleworks 實驗室的這篇論文發表在同行評議期刊《推進與動力雜志》(Journal of Propulsion and Power)上。通過同行評議并不能保證該論文的結果或觀測是有效的,不過可以說明它的實驗設置、結果以及對結果的詮釋得到了部分獨立科學家的認可。

這篇論文描述了對 EmDrive 進行的測試,測試在接近真空(類似于太空)的環境下進行。他們把引擎放到一個叫做扭擺的裝置上,啟動引擎,然后通過它運行的距離來推算推進力的大小。他們估計,EmDrive 消耗每千瓦功率能夠產生1.2毫牛的推進力。

和傳統的引擎相比,這點推進力根本不算什么。但是這是在沒有任何燃料的情況下取得的,所以并不能說它無足輕重。在同樣不靠燃料推進的技術中,太陽帆以及其他依靠光子推進的技術產生的推進力只有它的幾百分之一,在每千瓦3.33和6.67微牛頓之間。

對于 EmDrive 另一項批評是它在啟動后會升溫,有些人認為它是利用這一點加熱周圍的空氣從而獲得推進力的。不過在真空環境中進行的測試可以打消這方面的疑慮。當然,EmDrive 面臨的問題遠不止這一些。

首先,我們并不清楚 EmDrive 是否真的能夠產生推進力,關于這點我們需要進一步的確認。不過有人提出了許多解釋它的運行邏輯的假設。

Eagleworks 實驗室認為,微波光子推動了“量子真空虛擬等離子體”(quantum vacuum virtual plasma)——一片在量子層面不斷涌現又消失的翻滾的粒子海。加州理工學院的物理學家 Sean Carroll 表示,問題是沒有證據能證明“量子真空虛擬等離子體”存在。他認為,量子真空是存在的,但是它并不會產生能夠被推動的等離子體。

在論文中,Eagleworks 實驗室的團隊引用了所謂的“導航波理論”(pilot-wave theory)來描述量子真空產生推進力的過程。不過他們也承認,該理論“并不是物理學的主流觀點”。

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