10 週就能把人送上火星的 EmDrive 引擎,是偽科學還是世紀大發現?

作者 | 發布日期 2016 年 09 月 04 日 0:00 | 分類 天文 , 航太科技 follow us in feedly
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無論是普通人還是科學家,似乎能一眼望見 EmDrive 背後的荒謬,然而實驗結果卻讓人再次睜大雙眼。



據《每日郵報》報導,美國國家航空暨太空總署(NASA)經過幾年的「閉關」研究,終於要發表關於 EmDrive 的論文了。據悉論文已經通過同行審議階段,一家主流學術期刊接受了論文發表的申請,不久我們將親見 NASA 數年神祕研究的成果。

EmDrive 在科學界是個異數,是個「違反經典物理學」的存在,很容易被認為是引人嗤之一笑的民間科學。

然而,十多年了,EmDrive 並沒有滑落到塵埃裡,反而引起越來越多的關注。因為,權威如 NASA 這樣的機構,都無法否認它產生的實驗結果,而更令人費解的是,至今都沒有人知道它的工作原理,就連它的發明人 Roger Shawyer 也無法解釋清楚。

這讓人不禁想起科幻小說家艾西莫夫《永恆的終結》裡的場景:未來的人類透過時間旅行,將一個名為維科‧馬蘭松的人送來 21 世紀,製作出了超越當時科技水平的機器。書裡有這麼一段描述馬蘭松:

「他的同僚們常常感到很懊惱,因為他可以造出這麼神奇的機器,卻解釋不出原理。」

而這與 EmDrive 的發明人Roger Shawyer 面臨的境況何其相似。

 

EmDrive:沒有燃料的引擎

EmDrive 的全稱是 Electromagnetic Drive(電磁驅動),其核心零件是一個特殊形狀的微波共振腔體,裡面不斷跳躍的微波給太空船提供推力,而太陽能可以提供電力來維持微波的運動。

Roger Shawyer 稱其為「沒有排氣裝置的火箭引擎」。這意味著,它是一個沒有燃料的火箭引擎。

如果它能夠變為現實,將會對整個航空科技業產生無與倫比的影響。因為現階段的太空船需要攜帶大量的沉重燃料才能飛上外太空,燃料沒了,太空船也不能再運行。

以 NASA 為火星之旅準備的 SLS 火箭為例,它需要將頂層的「獵戶座」太空艙送到外太空,但是如下圖所示,整個火箭的體積和質量最多的部分是紅色和藍色的液態燃料罐。

雷鋒網配圖

EmDrive 不需要任何此類的燃料,它產生推力的核心部件就是一個真空的腔體,相比於傳統燃料罐,輕的不可思議。

只需要太陽能,它就可以在外太空慢慢地累積速度,最後達到極快速度飛至外星球。據估算,如果將 EmDrive 做為載人飛船的發動機,那麼前往月球只要 4 小時、到火星只要 10 周、到半人馬座只要 100 年(現階段技術需要數萬年)。

但是, EmDrive 飽受質疑,因為它似乎違反了牛頓第三定律。

 

EmDrive 違反了經典物理學定律?

牛頓第三定律是這樣的:

當兩個物體相互作用時,彼此施加於對方的力,其大小相等、方向相反。「力」勢必會成雙結對地出現:其中一道力稱為「作用力」,另一道力則稱為「反作用力」。

雷鋒網配圖

火箭要升空,就要產生推進力,那麼產生推進力的方法是火箭內部液態燃料燃燒,噴出的氣體對火箭產生向上的反作用力的推力,這個推力讓火箭升空。

但是 EmDrive 的外界沒有任何的作用力,可是它卻憑空產生了前進的推進力。

Roger Shawyer 在接受採訪時也被問到這個「永恆的」問題,他明確表示 EmDrive 並沒有違反牛頓力學定律,但是用於解釋的理由卻很模糊。他說:

「EmDrive 建立在牛頓第三運動定律之上。EmDrive 在一個方向上產生推進力,如果情況允許的話,它也會在相反方向加速。整個過程的動量是守恆的。」(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 建立在馬克士威、牛頓和愛因斯坦等人的理論之上,並沒有其他的獨特理論。

雷鋒網配圖

▲ 接受採訪的 Roger Shawyer。

雖然 Roger Shawyer 於 2001 年在英國成立了 Satellite Propulsion Research 公司,致力於 EmDrive 的研究,但並沒有找到該公司網站,只找到了一個很簡陋的提供 EmDrive 相關資訊的網頁。

 

NASA 石破天驚的實驗結果

Shawyer 在 2003 年進行了實驗,並稱實驗結果顯示產生了微小的 16 毫牛的推進力,相當於 2 顆花生的重量。然而,他並沒有發表經過同行審議的學術論文(或者說,沒機會發表)。

2006 年,一個名叫 Guido Fetta 的美國工程師仿照 EmDrive 製作出來一台原型機,名為「Cannae Drive」,他同樣沒有發表論文。

2006 年 9 月 8 日,英國老牌科學雜誌 New Scientist 選擇以 EmDrive 為封面,發表的相關文章認為這個裝置似乎是可信的。隨後,科幻作家 Greg Egan 發表公開信,表示這篇文章「一味追求轟動效應,作者缺乏基本的科學知識」。Greg Egan 的文章被美國數學物理學家 John C. Baez 轉發在自己的部落格上。New Scientist 迅速發表澄清聲明,並附上專家們對 EmDrive 持否定意見的公開信。

人們普遍認為 EmDrive 就跟永動機一樣,缺乏科學原理的支撐,不可能實現。

到這時,或許我們還可以笑稱 EmDrive 為民間科學,直到中國的一組科學家開始將 EmDrive 拉進正規的學術圈。

從 2010 年開始,中國西北大學的楊涓教授就開始發表關於 EmDrive 的論文。在 2013 年,她帶領一組隊伍,製作出了 EmDrive 原型機,並發表論文(中文)公布測試結果:2.5 千瓦的電量產生了 720毫牛(約 72 克)的推進力。有人將楊涓的論文翻譯成了英文,在媒體和學術圈流傳開來。

2013 年 8 月,NASA 有一個專注於推進器裝置的研究團隊,叫做「Eagleworks」,他們在德州的林頓·詹森太空中心(Lyndon B. Johnson Space Center)對兩 台Cannae Drive 進行了為期 8 天的實驗,並於 2014 年 6 月 4 日將實驗結果以論文的形式在美國航天航空學會(AIAA)第 50 屆聯合推進大會上發表。實驗數據顯示,在 28 瓦的電力的刺激下,產生了 30 至 50 微牛(1 毫牛 = 1,000 微牛)的推力。

雷鋒網配圖

(Source:NASA)

這一試驗結果堪稱石破天驚,本來大家是等著 NASA「闢謠」的,沒想到竟是這樣的結果,大大超乎人們的意料。這一下,EmDrive 紅了,各大主流媒體爭相報導,幾周到達火星這樣的標題霸佔了當天的科技新聞頭條。

而 Shawyer 本人也開始有機會在 2014 年 10 月的多倫多航太會議上發表演講並發表論文

接著,NASA 在 2014 年夏天和 2015 年初,對 Shawyer 的 EmDrive 原型機進行實驗,在 50 瓦的電力下測出了 50 微牛的推進力。2015 年 7 月,德國的德勒斯登工業大學 Martin Tajmar 教授在 AIAA 的推進和能源論壇展示了自己對 EmDrive 更加精密的實驗結果,也證明其確實能產生推進力。

到這個時候,有 NASA 和德勒斯登工業大學兩大權威機構的實驗數據,人們已經無法以民間科學來看待 EmDrive 了,儘管到現在為止,沒人能給出其背後原理的合理解釋。

同時,EmDrive「逆襲」的故事性和令人驚嘆的潛在用途,激發了普通民眾的興趣,而且製作 EmDrive 並不需要很複雜的裝置,在 YouTube 上,有很多科學愛好者上傳了自己製作的小型 EmDrive 的實驗影片。

 

背後可能的原理:沒人知道,只能猜測

首先,Shawyer 自己並沒有給出令人信服的原理解釋。而 NASA 的 2014 年論文裡也明確表示,並不對這個機器的原理做任何闡述,只單純提供實驗數據。

坊間盛傳 EmDrive 很可能是《星際爭霸戰》等科幻作品裡的「曲速引擎」(Warp Drive),其原理是超光速旅行,透過改變引擎前後的時空來產生推進力。這當然是科幻電影粉絲最樂見的假設,但已經被多個研究人員否定,其中包括 Shawyer 本人,他在接受採訪時明確表示「絕對不是 Warp Drive」 。

雷鋒網配圖

比較主流的可靠猜想是,EmDrive 實際上受到的推進力來自量子真空的虛粒子,虛粒子短暫地存在這個世界,不斷產生又迅速消失,所以真空並不是真空。但這僅僅是猜想。

至於這次所傳的 NASA 即將要發表的論文,消息源來自 Nasa Spaceflight 論壇的 José Rodal 博士爆料,他說到:

「我個人的理解是,Eagleworks 的新論文已經被學術期刊接受並即將發表。注意:我並沒有從任何一位 NASA 的僱員那裡聽到這個消息。」

他還明確說出了論文題目《Measurement of Impulsive Thrust from a Closed Radio Frequency Cavity in Vacuum.》,並暗示這家學術期刊很可能是 AIAA 旗下的。

而在今年 3 月,Eagleworks 實驗室的工程師 Paul March 也在該論壇上證實 EmDrive 正在接受同行審議,但表示這個過程十分緩慢。

儘管 José Rodal 博士已經明確表示他的消息並非來自 NASA 僱員,但是還是有大量的主流國外媒體報導了這一消息,人們樂於見到關於神秘的 EmDrive 的原理解釋,因為它確實太過奇幻了。

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖來源:EmDrive) 

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