10周把人送上火星的EmDrive引擎,民科、神启还是世纪大发现?

2016-09-02 10:32:26     作者:亚萌      来源:雷锋网

无论是普通人还是科学家,似乎能一眼望见 EmDrive 背后的荒谬,然而实验结果却令人震惊。

无论是普通人还是科学家,似乎能一眼望见 EmDrive 背后的荒谬,然而实验结果却让人再次睁大双眼。

据《每日邮报》报道,美国航天局(NASA)经过几年的“闭关”研究,终于要发表关于 EmDrive 的论文了。据悉论文已经通过了同行审议阶段,一家主流学术期刊接受了论文发表的申请,不日我们将亲见 NASA 数年神秘研究的成果。

EmDrive 在科学界是个异数,是个“违反经典物理学”的存在,很容易被认为是引人嗤之一笑的民科。

然而,十多年了,EmDrive 并没有滑落到尘埃里,反而引起越来越多的关注。因为,权威如 NASA 这样机构,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

而这与 EmDrive 的发明人 Roger Shawyer 面临的境况何其相似。

| EmDrive:没有燃料的引擎

EmDrive 的全称是 Electromagnetic Drive (电磁驱动),其核心部件是一个特殊形状的微波共振腔体,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。

EmDrive原型机,图自: The Wired

如果它能够变为现实,将会对整个航天业产生无与伦比的影响。因为现阶段的航天器需要携带大量的沉重燃料才能飞上外层空间,燃料没了,航天器也不能再运行。

以 NASA 为火星之旅准备的 SLS 火箭为例,它需要将顶层的"猎户座"太空舱送到外太空,但是如下图所示,整个火箭的体积和质量最多的部分,是红色和蓝色的液态燃料罐。

EmDrive不需要任何此类的燃料,它产生推力的核心部件就是一个真空的腔体,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 10 周,到半人马座,只要 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。

EmDrive违反了经典物理学定律?

牛顿第三定律是这样的:

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。“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。" (EmDrive produces thrust  in one direction, and if it's allowed to, it will accelerate in the opposite direction. Momentum is conserved by this process.)

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。

接受采访的 Roger Shawyer

虽然 Roger Shawyer 于 2001 年在英国成立了 Satellite Propulsion Research 公司,致力于 EmDrive 的研究,但雷锋网(搜索“雷锋网”公众号关注)并没有找到该公司网站,只找到了一个很简陋的提供 EmDrive 相关信息的网页。

| NASA 石破天惊的实验结果

Shawyer 在 2003 年进行了实验,并称实验结果显示产生了微小的 16 毫牛的推进力,相当于2 颗花生的重量。然而,他并没有发表经过同行审议的学术论文(或者说,没机会发表)。

2006 年,一个名叫 Guido Fetta 的美国工程师仿照 EmDrive 制作出来一台原型机,名为“Cannae Drive”,他同样没有发表论文。

2006 年 9 月 8 日,英国老牌科学杂志 New Scientist 选择以 EmDrive 为封面,发表的相关文章认为这个装置似乎是可信的。随后,科幻作家 Greg Egan 发表公开信,表示这篇文章“一味追求轰动效应,作者缺乏基本的科学知识。”Greg Egan 的文章被美国数学物理学家 John C. Baez 转发在自己的博客上。New Scientist 迅速发表澄清声明,并附上专家们对 EmDrive 持否定意见的公开信。

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。

到这时,或许我们还可以笑称 EmDrive 为民科,直到中国的一组科学家开始将 EmDrive 拉进正规的学术圈。

从 2010 年开始,中国西北大学的杨涓教授就开始发表关于 EmDrive 的论文。在 2013 年,她带领一组队伍,制作出了 EmDrive 原型机,并发表论文(中文)公布测试结果:2.5 千瓦的电量产生了 720 毫牛(约 72 克)的推进力。有人将杨涓的论文翻译成了英文,在媒体和学术圈流传开来。

2013 年 8 月,NASA 有一个专注于推进器装置的研究团队,叫做“ Eagleworks”,他们在德克萨斯州的林顿·约翰逊太空中心(Lyndon B. Johnson Space Center)对两台 Cannae Drive 进行了为期 8 天的实验,并于 2014 年 6 月 4 日,将实验结果以论文的形式在美国航空航天学会(AIAA)第 50 届联合推进大会上发表。实验数据显示,在 28 瓦的电力的刺激下,产生了 30-50 微牛(1毫牛=1000微牛)的推力。

图自:NASA

这一试验结果堪称石破天惊,本来大家是等着 NASA “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。

而 Shawyer 本人也开始有机会在 2014 年 10 月的多伦多航天会议上发表演讲并发表论文。

接着,NASA 在 2014 年夏天和 2015 年初,对 Shawyer 的 EmDrive 原型机进行实验,在 50 瓦的电力下测出了 50 微牛的推进力。2015 年 7 月,德国的德累斯顿理工大学 Martin Tajmar 教授在 AIAA 的推进和能源论坛展示了自己对 EmDrive 更加精密的实验结果,也证明了其确实能产生推进力。

到这个时候,有 NASA 和德累斯顿理工大学两大权威机构的实验数据,人们已经无法以民科来看待 EmDrive 了,尽管到现在为止,没人能给出其背后原理的合理解释。

同时,EmDrive“逆袭”的故事性和令人惊叹的潜在用途,激发了普通民众的兴趣,而且制作 EmDrive并不需要很复杂的装置,在 YouTube 上,有很多科学爱好者上传了自己制作的小型 EmDrive 的实验视频。

背后可能的原理:没人知道,只能猜测

首先,Shawyer 自己并没有给出令人信服的原理解释。而 NASA 的 2014 年论文里也明确表示,并不对这个机器的原理做任何阐述,只单纯提供实验数据。

坊间盛传 EmDrive 很可能是《星际迷航》等科幻作品里的“曲速引擎”(Warp Drive),其原理是超光速旅行,通过改变发动机前后的时空来产生推进力。这当然是科幻电影粉丝最乐见的假设,但已经被多个研究人员否定,其中包括Shawyer本人,他在接受采访时明确表示“绝对不是Warp Drive” 。

比较主流的可靠猜想是,EmDrive 实际上受到的推进力来自量子真空的虚粒子,虚粒子短暂地存在这个世界,不断产生又迅速消失,所以真空并不是真空。但是这仅仅是猜想。

至于这次所传的 NASA 即将要发布的论文,消息源来自 Nasa Spaceflight 论坛的 José Rodal 博士爆料,他在帖子里说到:

“我个人的理解是,Eagleworks 的新论文已经被学术期刊接受并即将发表。注意:我并没有从任何一位 NASA 的雇员那里听到这个消息。”

他还明确说出了论文题目,并暗示这家学术期刊很可能是 AIAA 旗下的。

而在今年 3 月,Eagleworks实验室的工程师 Paul March 也在该论坛上证实 EmDrive 正在接受同行审议,但表示这个过程十分缓慢。

尽管 José Rodal 博士已经明确表示他的消息并非来自 NASA 雇员,但是还是有大量的主流国外媒体报道了这一消息,人们乐于见到关于神秘的 EmDrive 的原理解释,因为它确实太过奇幻了。


消息源(科学上网,点击可获得):

  •  Daily Mail ;

  •  Roger Shawyer接受采访的视频 ; 

  • Roger Shawyer成立的Satellite Propulsion Research公司网页 ;

  • NASA 在 AIAA 第 50 届联合推进大会上发表的论文 ; 

  • Roger Shawyer 在 2014 年 10 月的多伦多航天会议上演讲时的PPT ;

  • 爆料人 José Rodal 博士表示 NASA 可能的论文题目是:Measurement of Impulsive Thrust from a Closed Radio Frequency Cavity in Vacuum.

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