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精简版（如果不是时间太赶建议看完全文哦）： 最近，NASA下属的一个研究团队发表了一篇有关于无工质推进器（EmDrive）的实验报告，随即在全球炸起了轩然大波。大家震惊的原因在于：这种被视为“伪科学”的技术设想竟然在实验中产生了1.2毫牛每千瓦的微弱推力，从而似乎可以证明这种设想是可行的！！！这个装置利用微波在空腔中反射产生向前的推力，但被认为违背了物理学中最基础的动量守恒定律。如今，一些科学家提出了诸如量子真空场效应等的理论解释，但主流的声音认为该结果是由于实验不够精确产生的（热效应），还有待后续更加精确的实验验证。
近期，NASA下属的一个叫“鹰工厂”的实验团队在一个同行评议（peer review）的学术期刊上发表了一篇有关于他们实验的论文。他们的实验聚焦于验证一个看似不可能的推进器设想：无工质推进器（也称电磁推进器）是否能够产生推力。结果十分出人意料：该推进器在扭摆（一种用于测量微小作用的装置）上产生了强度为1.2毫牛/千瓦的推力！即使这个推力与现有最先进的霍尔离子推进器所产生的推力相比微不足道（后者的推力高达60毫牛每千瓦），然而由于它所宣称的不需要燃料的特性，使得这一结果相当引人注意。 （这是NASA的实验装置图，中间铜色的圆台形装置就是电磁推进器） 2. 原理基础： 这种推进器设想最早由一位英国工程师Roger Shawyer提出。他设想这种推进器通过向一个密闭的金属空腔中发射微波频段的电磁波以取得动力。具体而言，推进器的空腔被设计成一头小一头大的圆台形（想象一个圆锥被切掉上面的部分），电磁波通过一个通道进入这个空腔。由于电磁波本质是由光子构成的，而据我们所知，光子具有动量（可以把动量理解为光子飞行时具有的“速度”），所以当光子撞击在空腔两端时，它会被反射，同时它的动量发生了改变，根据经典力学我们知道：光子对腔壁产生了力。打一个形象的比方，想象打网球时，高速飞来的网球与球拍碰撞后被高速反弹回去，这时握球拍的人就会感觉球施加给拍子的冲力。 （上图为原理图，图中的折线就是设想的光子） Roger认为在空腔中的光子密度不论在哪都是一样的。所以一定区域里面光子的数量就与该区域的面积成正比。显然，在面积稍微小的一端光子的数量平均上要小于面积稍大的一端。同时，由于光子的动量是量子化的（也就是说，只能一个一个光子加起来算，总的动量变化与光子的数量有关），所以Roger认为电磁波施加在空腔两端的力不一样。而这两端的压力差可以推动设备前进。 所以总结而言，这种推进器本质上是把电磁波的能量电磁能，直接转化为装置本身的动能而不经过其他形式的能量转换。Roger宣称这种设想能大大提升推进器的推进效率，并且认为推进器背后的原理基础完全遵循现有的物理学原理，并无新物理的参与。 （下面是具体推进过程的一个简易数学推导，大家可以选择性阅读： 根据相对论力学，我们知道单个光子的动量表达式为： p=E/c 其中E是单个光子的能量，c是光速。而根据光子的量子化原理，我们也知道单个光子的能量表达式为： E=hf=hc/λ 其中h是一个常数，f是光的频率，λ是光的波长。综合以上两个表达式，我们得到光子的动量表达式为： p=h/λ 在一定体积内，总体的动量可以视为其中所有光子的动量之和： p=nAlh/λ=nAvth/λ 其中n是光子的密度，A是腔壁的面积，l是一定的长度，v是光子平均意义上的速度，t是一定时间；Al=Avt其实就是一定体积V。所以我们可以粗略的得到一个关于电磁波对腔壁施加的力的表达式： F=p/t=nAvh/λ 显然我们可以看出，由于n，h，λ和v对于空腔两端是一样的，故空腔两端所受的力与其面积A成正比。由于这个装置两端面积不一样大，所以Roger认为两端受力不均，能够产生推力。） 3. 争议焦点： 看完了上面的推导，大家应该都觉得Roger的设想十分有道理吧？的确，这其中的推导并没有用到任何超出我们已知范围的物理知识。然而，一些科学家却对这个设想嗤之以鼻，原因在于：这个装置的推进原理违背了物理学中最最基本的一个定律——动量守恒定律！ 简单来说，动量守恒定律描述的是一个物体是否能够在给定条件下运动。它指出，如果一个系统（就是一个物体，比如推进器）在初始时是静止的，如果没有外力作用在它上面，不论内部各部分之间产生多大的内力，系统整体都会保持静止。那这与我们讨论的推进器有何联系呢？科学家认为，由于向空腔发射微波的装置与空腔本身是连在一起的（要动一起动），他们被视作一个系统。而如果像Roger描述的原理那样推动设备，那也只是系统内部的内力，无法推进整个系统。就像一个人没法提着自己的头发把自己提起来向上飞一样，或者一个人没法坐在车里推方向盘让车前进一样。 （上图为设备的简易示意图，F1和F2被认为是系统的内力） 4. 解决方案： 正因为上面所说的争议，使得在很长一段时间内这种推进器被许多科学家戏称为“伪科学”。然而实验结果却显示这种推进器确实能产生推力，使得整个学界一片沸腾。一些科学家提出了这个现象背后可能的理论解释，但都尚未完全得到证明或认可。NASA团队的论文中提到了一种关于量子真空场的理论解释： 量子真空场效应：这种理论认为，微波本身的光子并不是施加推力的东西，而是用于激发空间中存在的虚粒子，这种虚粒子本来并不存在，但是在极短的时间里会成对凭空生成和消失。微波通过特殊的方式驱使这些虚粒子飞向腔壁两端，并在他们消失之前撞击腔壁，施加推力。由于虚粒子的动量可以视作是空间本身赋予的，所以这种解释不会违背动量守恒定律。然而更多学者认为这种理论尚未得到证实，不能作为一个合理的解释。 更多的学者认为，这次的实验结果可能是气体的热效应所导致的误差。由于实验装置不是在完全真空的条件下进行，一些学者认为可能是发射微波时加热了其中的空气，使得空气湍流撞击腔壁导致了误差。 5. 前景展望： 这种电磁推进器若是能够实现，无疑会对人类太空探索带巨大助力。一方面由于它不需要燃料，可以通过吸收太阳光实现能量的转化，所以可以大大降低飞船的重量，提升飞船的载重量（要知道，现有的火箭90%左右的重量都用来装燃料） 。另一方面，由于微波在空腔中的损耗极小，所以推进器可以工作很长时间不更换，提供给飞船持续的动力。 从上图中我们可以看到，相比于现有的离子推进器，电磁推进器的重量接近十分之一，寿命接近10倍，可见这种技术的巨大发展潜力。当然，在畅想电磁推进器的种种可能之前，我们还需要更多更精确的实验和理论来解释和验证这个极具争议性的设想。不管怎样，前途是光明的，道路是坎坷的！ |
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