 如果人类真的想要探索太阳系的外层空间或是飞抵其他星系，我们将需要为自己的宇宙飞船打造出更好的引擎。 事实上，这个引擎必须非常优秀，以至于它要能在不消耗推进剂的情况下产生推力。 没错：如果我们想要在4小时内飞到月球或是在2个月内飞到火星，我们将需要拥有一种不需要火箭燃料的火箭引擎。 这正是射频共振腔推进器，又名“EmDrive”（相对性推进器）背后的想法。从理论上说，它是一种没有反作用的引擎，可以把电能转化为微波，并使之在一个密闭锥形金属腔内来回反弹，从而产生推力。 EmDrive不止一次被人斥为“不可能实现”，因为它似乎违反了牛顿第三运动定律，即每一个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力。 不过，上周六有一篇从美国宇航局（NASA）泄露的论文被发布到了网上，如果它是可信的，那么这家机构的科学家不仅在努力实现EmDrive，而且他们真的让一台EmDrive产生了推力。 正如泄露论文详细描述的那样，在2015年秋季，美国宇航局的一支物理学家团队在位于约翰逊航天中心的雄鹰工作实验室（Eagleworks Laboratories）进行了一系列实验——该团队的领导者是人称“桑尼”（Sonny）的哈罗德·怀特（Harold White）以及保罗·马奇（Paul March），两人都是异常物质推进系统领域的领军人物——并成功让一台“锥形射频试验件”（即EmDrive原型机）产生了推力。 本质上，这篇泄露论文所描述的EmDrive由一个密闭的锥形铜质腔体组成，而微波就在它的内部来回反弹。 在测试这台EmDrive时，研究人员分别选择了40、60和80瓦的输入功率，结果发现它分别产生了高达58、128和119微牛顿的推力。怀特及其同事在考虑了误差之后仍然观测到了这种“异常现象”，有鉴于此，这向我们展示，实验结果表明EmDrive的确是有可能实现的。 基于这些结果，研究人员估计，如果他们提升输入功率，这种神奇装置将能产生每千瓦近1.2毫牛顿的推力。 作为对比，霍尔效应推进器（Hall thruster）——这是目前正在研发当中的最强大推进器之一，其推力源自喷射等离子体——能够产生每千瓦60毫牛顿的推力。  美国宇航局泄露论文所描述的EmDrive。（图片来源：美国宇航局/怀特研究团队） “这里涉及到的问题是，研究人员在实验中观测到的现象是真是假，”来自加州州立大学富勒顿分校（California State-Fullerton）的物理学家吉姆·伍德沃德（Jim Woodward）告诉Motherboard，“我知道保罗·马奇工作正派，老实说，我也觉得其中或许真有些门道。但是，他们观测到的结果实际上并不能用他们提出来的理论进行解释。所以，问题在于：是什么造成了这种现象？” 根据牛顿的理论，如果你想推动火箭在太空飞行，那你必须在它前进的相反方向上喷射出一些物质。然而，EmDrive似乎是在没有任何作用力的情况下产生了反作用力——那么，是什么产生了它？ 对于这种貌似打破了物理学基石的现象，科学家提出了多种理论试图加以解释。怀特一直是量子真空假说的支持者。 这种理论认为，EmDrive产生推力的方式是作用于虚粒子，而这些虚粒子是由量子真空的波动产生的（根据该理论，EmDrive所产生的电磁场引发了这些真空波动）。本质上，微波会“推离”这些位于EmDrive空腔内部的虚粒子，从而产生怀特及其同事在EmDrive实验中观测到的推力。 另一种流行的假说是，EmDrive产生的推力源于辐射压力。EmDrive的发明者罗杰·肖耶尔（Roger Shawyer）就是这种假说的支持者。在这一派看来，当微波辐射进入铜质空腔，辐射会作用于EmDrive的腔壁，从而产生推力。 然而，据伍德沃德称，这两种理论都不太可能是正确的，因为有一个简单的理由：它们违反了物理学定律。 伍德沃德通过举例的方式做了说明。他表示，单纯用辐射压力假说来解释美国宇航局研究人员在实验中观测到的现象，那就好比说我们可以坐在汽车驾驶座通过用力推挡风玻璃来让汽车加速。 “在腔体内部配置微波是否能够产生推力？”伍德沃德问道，“这问题有一个简单的答案：不，它不能。动量守恒定律决定了，任何封闭的纯粹电磁系统是无法产生推力的。量子理论和经典电磁学都是这样说的，它在物理学上是不可能实现的。” 正是这导致怀特转向了量子真空理论：如果微波在锥形铜质腔体内壁反弹无法产生推力，那么它们必然反弹在了腔内的某个东西上面——比如存在于量子真空的虚粒子/反粒子。不过，这种理论的问题是，虽然物理学家已经通过实验证明了量子真空的存在，但他们也大致达成一种共识：它无法被用作产生推力的介质。 在美国宇航局最近泄露的论文及其2014年关于EmDrive的第一篇论文中，怀特的量子真空理论都被援引为实验所观测到的推力的理论解释。尽管如此，学界的顶级物理学家一次又一次对量子真空理论进行了驳斥。 “跟量子真空相关的理论建构是无稽之谈，”伍德沃德说，“没有实验证据表明，像（怀特所持理论）那样冷僻的东西能够合理地解释量子真空。据我所知，量子场领域没有哪个理论物理学家把这种理论当回事。” 相反，伍德沃德认为，我们无需推翻物理学的基本定律，就可以对美国宇航局的EmDrive实验结果做出解释。 “马赫效应（Mach Effect）是唯一有可能解释这种现象的理论，”伍德沃德说，“如果他们观测到了一个真正的异常信号，而你试图用不是无稽之谈的物理学加以解释，那么这似乎就是唯一的方法。” 1990年，伍德沃德率先阐释了马赫效应的原理。因此，他理应有所了解。根据伍德沃德的马赫效应原理，当一个质量体被加速时，施加在质量体上的力有一些并不会转化为动能，而是成为存储在质量体中的势能。 当加速度变化时，质量体内部的能量也会发生变化，其表现就是质量体静止质量的变化。 加速质量体基本上就是受到两种力的挤压，一种是施加在加速度方向上的力，另一种就是宇宙其他物质通过引力场产生作用的力。这两种相对的力改变了加速质量体的内部能量，而且没有打破任何物理学定律：动量是守恒的，但其中一小部分被暂时“存储”到了加速质量体当中。 据伍德沃德称，这种质量波动效应可以用来解释研究人员在美国宇航局EmDrive实验中观测到的推力。 如果在EmDrive锥形腔体中反弹的微波正在对构成空腔的质量体施加力，那么我们或许能够通过伍德沃德描述的马赫效应来解释EmDrive所产生的推力。 在过去20年中，伍德沃德一直在努力建造实验装置，它们已经成功地展示了马赫效应，但他的理论在物理学界还远没有成为主流。 然而，随着更多的实验进行了成功的验证，他的理论正在获得越来越多的支持。 举例来说，在过去10年中，马奇就跟伍德沃德合作完成了一系列成功的马赫效应实验；在今年9月科罗拉多州埃斯蒂斯帕克举行的异常物质推进技术大会（Exotic Propulsion Conference）上，在伍德沃德之外还有三位物理学家声称，他们成功复制了前者的实验结果。 “在我看来，这是我知道和信任的唯一不涉及妄想和魔法领域的物理学理论，”伍德沃德如是说。 就目前而言，我们所知道的是，上周六泄漏的论文是真的——它已经被提交接受同行评议，并被美国航空航天学会（AIAA）旗下的《推进和动力杂志》（Journal of Propulsion and Power）收录，定于12月发表。目前尚不清楚的是，跟早先泄漏到网上的版本相比，接受同行评议的版本会有多大的改动。 在提交接受同行评议之后不久，伍德沃德就看到了一份副本。据他称，两个版本之间的主要区别在于，早先泄漏的版本中列出了更多理论，试图解释实验结果。 想来美国航空航天学会收录这篇论文的条件就是，怀特及其同事同意舍弃量子真空理论，仅仅发布研究结果，而不试图进行解释。 现在有待观察的是，其他人是否可以利用伍德沃德的马赫效应原理复制美国宇航局EmDrive实验的结果，从而为怀特及其同事观测到的现象提供一个令人信服的解释。 “在缺乏令人信服且不公然违反已知物理学定律的理论解释的情况下，我们暂时不应该在（美国宇航局实验结果）是否真实这个问题上做出任何判断，”伍德沃德说，“进行这样的研究并得出正确的结果，其难度很高，远远不是那些没有真正从事这方面研究的人所能理解的。这其中存在某些真材实料的可能性非常高。” 翻译：何无鱼 来源：Motherboard |
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