无视牛顿第三定律,EmDrive的逆袭

发布日期: 2016-11-20

EmDrive是一种被认为违反经典物理学的推进系统,但其实验结果显示其可行性。NASA的研究论文揭示了这一“不可能”的推进系统的实际可行性,尽管其工作原理至今未被完全理解。EmDrive的核心是一个微波共振腔体,利用太阳能提供电力来维持微波运动,从而产生推力。尽管面临质疑,多个国家的科学家已通过实验证实其推力产生。NASA的实验结果显示在真空条件下,EmDrive可以产生1.2毫牛/千瓦的推力,尽管其背后的原理仍是一个谜。

在泄露文件后,经历了几个月的怀疑和猜测,NASA经过几年“闭关”研究的EmDrive的论文终于获得同行审议发表在AIAA上。这篇论文揭示了“不可能”的推进系统其实是可行的!EmDrive在科学界通常被人嗤之以鼻,因为它是个“违反经典物理学”的存在。然而,十多年了,EmDrive并没有被埋没,反而引起越来越多的关注。

因为,NASA都无法否认它产生的实验结果,而更令人费解的是,至今都没有人知道它的工作原理,就连它的发明人Roger Shawyer也无法解释清楚。这让人不禁想起科幻小说家阿西莫夫《永恒的终结》里的场景:未来的人类通过时间旅行,将一个名为维科·马兰松的人送来21世纪,制作出了超越当时科技水平的机器。书里有这么一段描述马兰松:“他的同僚们常常感到很懊恼,因为他可以造出这么神奇的机器,却解释不出原理。

”这与EmDrive的发明人Roger Shawyer面临的境况何其相似。同样的,在电影《知无涯者》中,数学天才拉马努金的脑中经常浮现出了许多正确的公式,却无法提供推导过程。EmDrive的全称是Electromagnetic Drive,即电磁驱动,其核心部件是一个特殊形状的微波共振腔体(类似微波炉),里面不断跳跃的微波给航天器提供推力,而太阳能可以提供电力来维持微波的运动。

Roger Shawyer称其为“没有排气装置的火箭引擎”。这意味着,它是一个没有燃料的火箭引擎。相比于传统燃料罐,轻地不可思议。只需要太阳能,它就可以在外层空间慢慢地累积速度,最后达到极快速度飞至外星球。据估算,如果将EmDrive作为宇宙飞船的发动机,那么前往月球只要4小时,到火星只要70天,到离我们最近的恒星半人马座只需要100年(现阶段技术需要数万年)。

但是,EmDrive饱受质疑,因为它似乎违反了牛顿第三定律。上过初中物理的都知道,牛顿第三定律表述了:当两个物体相互作用时,彼此施加于对方的力,其大小相等、方向相反,作用在同一条直线上。“力”势必会成双结对地出现:其中一道力称为“作用力”;而另一道力则称为“反作用力”。

火箭要升空,就要产生推进力,那么产生推进力的方法是火箭内部液态燃料燃烧,喷出的气体对火箭产生向上的反作用力的推力,这个推力让火箭升空。但是EmDrive的设计思路是在一个封闭空间内进行,外界没有任何的作用力,可是它却凭空产生了前进的推进力。Roger Shawyer在接受采访时也被问到这个“永恒的”问题,他明确表示EmDrive并没有违反牛顿力学定律,但是用于解释的理由却很模糊。

他说:“EmDrive建立在牛顿第三运动定律之上。EmDrive在一个方向上产生推进力,如果情况允许的话,它也会在相反方向加速。整个过程的动量是守恒的。”他表示,EmDrive建立在麦克斯韦、牛顿和爱因斯坦等人的理论之上,并没有其他的独特理论。人们普遍认为EmDrive就跟永动机一样,缺乏科学原理的支撑,不可能实现。

从2010年开始,该设备已经被包括美国、中国在内好几个国家的科学家们建造、测试过,每次实验结果都显示有一定量的推力产生。NASA在2014年夏天和2015年初测出微量推力,到2015年7月,德国德累斯顿理工大学教授展示了更精密的实验结果,证明其确实能产生推力。这些试验结果堪称石破天惊,本来大家是等着“辟谣”的,没想到竟是这样的结果,大大超乎人们的意料。

这一下,EmDrive火了,各大主流媒体争相报道,几周到达火星这样的标题霸占了当天的科技新闻头条。实验结果显示EMDrive可以产生1.2毫牛/千瓦的推力。(© NASA/JPL-Caltech)而这次,NASA的实验结果显示在真空的条件下,EmDrive可以产生1.2毫牛/千瓦的推力。作为比较,一个超强的霍尔推进器可以产生60毫牛/千瓦的推进力。但是它需要推进燃料,这个额外的负载可以抵消高推力。

另一方面,光帆只能产生6.67微牛/千瓦的推力。尽管到现在为止,没人能给出其背后原理的合理解释。首先,Shawyer自己并没有给出令人信服的原理解释。而NASA的论文里也并没有解释为什么这个设备会在违反物理定律的同时却能够运作。这不是论文关注的重点,但他们也给出了一个猜测。他们认为这跟导航波理论(pilot wave theory)有关系。导航波理论是比较有争议的量子力学的诠释。

基本上,目前广泛被接受的量子力学的哥本哈根诠释认为粒子在被观测之前没有一个确定的位置。而导航波理论认为粒子在任何时刻都有精确的位置,但是为了让这成立,又会有一些奇怪的结果。而近几年导航波理论越来越流行,NASA的团队认为它可以帮助解释为什么EMDrive可以产生推力。当然,这只是其中一个猜想,要想正确理解其背后的理论,还需要更多的努力。

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