走近真相：NASA無工質引擎挑戰物理學定律

一架EmDrive原型機安裝在NASA實驗室的試驗箱中。

供圖：AIAA

撰文：Nadia Drake，Michael Greshko

經過多年的研究，一支特立獨行的研究團隊在NASA約翰遜航天中心完成了一項里程碑式的壯舉。本周，該團隊正式發布的實驗證據表明：一種電磁推進系統無需使用任何燃料，便有可能成為助推航天器的無工質引擎。很多專家則認為此舉非常不可思議。

據該團隊介紹，名為EmDrive的電磁驅動器僅憑封閉容器里不斷反彈的微波就可以將電能轉換為推力。理論上來說，像這樣一架輕型發動機可以幫助航天器在70天內抵達火星。這也是Elon Musk寄希望於本世紀60年代將100萬人送往火星的理由之一。

長久以來，EmDrive的實驗結果有違經典物理學的定律，所以該團隊也僅僅是把它公之於眾，包括他們在內的科學家們尚未確定其中的工作原理。早前的相關報道引來了無數的懷疑論調，甚至有很多物理學家把EmDrive差評為偽科學。

如今，最新的研究結果經過了第三方科學家的審查，表明EmDrive產生推力的可能性大了許多。這會不會是太空旅行的大革命起點呢？抑或是又一出「無效太空飛船引擎」的鬧劇呢？

什麼是EmDrive？

這一想法最早是由英國科學家Roger Shawyer在20年前提出的，並由 NASA先進推進物理研究實驗室的工程師，也就是Eagleworks團隊對EmDrive進行了深入研發與測試。

簡而言之，Eagleworks團隊設計的EmDrive是通過封閉錐型腔體內的電磁跳躍來產生推力，例如本例中的微波光子。當這些光子撞擊腔體內壁時，竟然莫名地推動了裝置，卻沒有釋放出任何物質。相比之下，NASA航天器目前所採用的離子驅動是將推進燃料離子化以產生推力，並釋放帶電原子束，例如常用的疝氣燃料。

如果EmDrive能在未來的研究中經得起考驗，那就意味著未來的航天器有可能不再需要攜帶數噸的燃料遨遊宇宙。輕量化是追求航行速度和經濟性的重要考量指標，遠距離的太空旅行更是如此。

這架驅動器怎麼就打破物理定律了呢？

1687年，艾薩克?牛頓爵士發明了運動三大定律，也由此奠定了經典力學的基礎。三百多年來，這些定律如定海神針般經歷了無數次檢驗，仍舊屹立不倒。

如今，EmDrive和牛頓第三定律杠上了，後者的描述為，「作用力和反作用力大小相等、方向相反、作用在同一條直線上。」例如划槳，木漿在水中向後移動，其反作用力使舟前行。同樣，噴氣發動機通過向後釋放高溫氣體使飛機得以前進。

怪異的是，EmDrive並未釋放出任何物質，這就讓牛頓第三定律和動量守恆定律尷尬了。如果EmDrive沒有向後排出物質就向前移動，那麼何以用反作用力來解釋推力呢？！這有點像大家秒懂的道理：車裡的人是不可能通過撞擊方向盤來使車前進；航天飛船的成員也不可能推著內壁就輕鬆飛抵目的地。

曾經有人測試過這樣的驅動器嗎？

2014年，Eagleworks團隊曾發布過初步的測試結果，暗示電磁驅動器確實存在，這一消息瞬間燃爆了科學界。隨後，該團隊不斷以越來越嚴苛的實驗條件，來測試EmDrive，當然也包括近日報道的這些測試。

其它團隊也在研發測試不同的EmDrive原型機，包括美國、歐洲、中國在內的多個科學團隊都有所進展，甚至還有EmDrive的DIY愛好者在自行研製。但至今還沒有人能給出決定性的結論。物理學家對於這種不可思議的機器可是一貫的慎之又慎。

那麼這篇論文又有何不同呢？

如今，該NASA團隊對EmDrive的最新研究結果經過了同行評審，得以在學術期刊上發表。雖然同行評審並不能保證該研究結論或觀察結果就是有效的，但至少有幾個第三方的科學家查驗過了實驗裝置、結果和推導過程，並認為它們是合乎情理的。

在論文中，研究團隊描述了他們是如何在一個近乎真空或者說近似於太空的環境中測試EmDrive。科學家把EmDrive安裝在一個名為扭擺的裝置上，啟動後通過測量它移動的距離來推算它所產生的推力。結果顯示，每千瓦能量產生了1.2毫牛的推力。

與傳統引擎相比，EmDrive的效能並不出眾，但對於無燃料引擎來說，這絕對是劃時代的壯舉。借力太陽光子推動的光帆等相關技術就遜色多了，它們的效能僅有3.33到6.67微牛每千瓦。

在此之前，對於EmDrive的諸多懷疑論調中有一種認為，EmDrive在激活期間會有所加熱，是周圍受熱的空氣產生了推力。本次試驗的真空環境在一定程度上給這種質疑以回擊，當然，需要破解的疑團還有很多很多。

好吧，那奧秘到底在哪呢？

首先必須說明的是，EmDrive是否真的產生了推力仍待商榷，需要更深入更久遠的考驗。但人們已經迫不及待地剖析個中緣由。

Eagleworks團隊在測試EmDrive期間也認為，是微波光子推動量子真空虛擬等離子體（quantum vacuum virtual plasma），或者說是瞬時出現又湮滅的數量龐大的量子級粒子。加利福尼亞理工學院的物理學家Sean Carroll認為，問題在於並無證據表明量子真空虛擬等離子體的存在。雖然，量子真空是存在的，但它們並不生成可用於推擠的等離子體。

Eagleworks團隊在論文中借用了導航波理論（pilot-wave theory）來描述量子真空產生推力的過程，並友情提示該理論並非當前物理學界的主流觀點。

普利茅斯大學的物理學家Mike McCulloch認為，EmDrive可以用盎魯效應來解釋，該效應是指加速運動物體所經歷的熱效應。在他看來，不管在廣義還是狹義上，EmDrive錐型體造就了不同波長的盎魯效應，所以腔體內光子的慣性將隨著光子前後跳躍而有所變化，也就必須通過推力的產生來保持動量守恆。

但羅徹斯特理工學院的物理學家Brian Koberlein 認為，McCulloch的理論是建立在盎魯效應存在的基礎上，這尚未得到實驗證實；同時還要求EmDrive腔體內的光子速度發生改變，但這又與愛因斯坦狹義相對論衝突。

曾於1990年提出馬赫效應理論的物理學家Jim Woodward認為還有一種可能：物體在加速運動過程中受到的力，有一部分不會產生動能，而是以勢能的形式存儲在物體內，例如引力相互作用和瞬態慣性質量的波動。同時這也解釋了為什麼太空飛船在太空中航行時並未違背動量守恆定律。

會不會又是一出烏龍呢？

當然不能排除這樣的可能。人類可不乏挑戰物理定律卻鎩羽而歸的歷史，例如超光速中微子，經證實很多例子都是因為試驗上的瑕疵造成的。

在這篇論文中，作者對可能產生實驗誤差的9個來源進行了識別與討論，包括畸形氣流、電磁輻射泄露和磁相互作用等。但並非所有的誤差都消除了，所以大量的驗證試驗仍待繼續，下一次說不定會在太空中進行試驗呢。

（譯者：清泉石上流）

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