NASA的「無燃料發動機」讓曲速引擎成真？你咋不上天呢！
上周，《推進與動力雜誌》發表了一項關於EM-Drive推進器的論文，這項經過同行評議的研究迅速引起了科學家與媒體的熱議。物理學克里斯·李（Chris Lee）卻在閱讀論文後，在技術資訊網站Ars Technica上發表了這樣一篇文章，給它潑了冷水——這「你咋不上天呢推進器」產生的推力，還比不上論文產生的雜訊多。
作者：Chris Lee
翻譯：瑪雅藍
編輯：Ent，Calo
過去幾年，一種新的推進系統時不時就在網路上小範圍火一陣，我會把它叫做「你咋不上天呢推進器」。這一讓EM-drive死而復生的推進器具備了一項新技術的所有最厲害的特徵：
它大體上違反了已被牢牢確立的物理學原理；
人們對它工作原理的解釋語焉不詳；
連在表面上提示它切實可行的數據都少得很，而且還沒得到充分的闡釋。
上周，由於EM-Drive背後的研究團隊發表了一篇論文，介紹針對其運行的測試結果，這玩意兒又火了。
圖片里銅質的圓台狀物體就是論文中測試的推進器原型。
在討論那篇論文之前，我先後退一步來敘述一下背景。我不是無端否定他們的結果，我甚至不否認這項研究有可能打開物理學中新世界的大門，我只是說，要想讓我認真考慮這種可能性，首先要讓我相信這些數據無法被現有的物理學定律解釋。而目前為止，我還無法被說服。實際上，我對論文中的細節缺失感到相當沮喪。
先聊原理
「你咋不上天呢推進器」背後的原理實在是太欠缺解釋，因此這裡我只能作一些猜測。它看起來似乎跟等離子推進器有點關係，你需要提供一個電磁場，並給帶電粒子加速。給帶電粒子加速產生的反作用力將為推進器加速。真是個了不起的想法，我覺得每個人家裡都至少應該備兩台。
然而，這個「你咋不上天呢推進器」還往前走了兩步：首先，推進器上沒有能噴出帶電粒子的出口；其次，推進器里本來就沒有帶電粒子。宇宙在以一種喬普拉（Chopra）的方式協助它，並且免費提供燃料。(譯者註：迪帕克·喬普拉（Deepak Chopra）是美國著名靈性導師和暢銷書作家，倡導替代醫學。)
迪帕克·喬普拉本人，「可以，這很靈性。」 圖片來源：Huffington Post
這話是什麼意思？這台推進器背後的想法來自於真空中的量子漲落。真空並非空無一物，那裡實際上充滿了虛粒子，它們在合適的條件下可以變成實粒子。確實存在很多可被觀測的現象，背後的成因可解釋為虛粒子瞬間變成了實粒子，幹了點啥，然後又消失在宇宙的虛空中。
真空中虛粒子活動的一種示意。圖片來源：Derek Leinweber
這有點像借用鄰居的割草機。你可以開口問，但他們可能會拒絕。你也可以等到鄰居出門了，悄悄把它推過來修剪草坪，然後把水箱加滿還回去。但就算割草機的位置沒有明顯的變化，它也會在冷卻時發出輕微雜訊，鄰居也會聞到剛剪過的草的味道，進而發現割草機被人用過了……好吧，這個比喻不太好，但虛粒子確實能讓現實世界感覺到它們的存在。
這台「你咋不上天呢推進器」使用某種機制，讓虛粒子變成實粒子，並在它們消失前給它們加速。然而就在被加速的短短一段時間裡，它們就能通過反作用力來產生推進力。
在某種程度上，這幾乎還能講得通一丟丟，但接下來你就要看細節了：一個大號的空心銅圓錐，一頭裝上一小坨塑料，裡面的微波輻射還不夠加熱一塊麵包，這東西怎麼就能延長虛粒子的壽命了？
還有更多細節嗎？
這些粒子之所以只是暫時存在，是因為它們成對出現，然後幾乎立刻就會相互湮滅。所以虛宇宙可以產生一些能量，但馬上又把它收回去了。
在特殊條件下，你可以從虛宇宙中竊取一些能量。例如，黑洞的事件視界上就可能會產生一對粒子，分別位於視界的兩端。一個粒子帶著能量逃脫了（這叫霍金輻射），另一個又掉進了黑洞中。令人悲傷的是，考慮到這個裝置所用的銅的密度，這實驗跟黑洞沒什麼關係。
你也可以通過抑制真空漲落來產生力。兩塊導電平板，相隔一段距離，就限制了盤中間能夠發生哪些漲落。在這塊區域之外沒有這樣的限制，內側和外側的漲落之間的不平衡產生了一個凈力，使得兩個平板互相靠近。同樣，現有的物理學理論也能很好地解釋這個現象。
但這些NASA研究員的實驗結果卻不好解釋。不，這個「你咋不上天呢推進器」的運行似乎有一個前提原則，就是這些暫時出現的粒子很容易分離（得避免它們成對湮滅），因為在那一小坨塑料的邊界上，真空漲落的密度改變了，所以……唔，某些「物理學過程」就發生了？
不好意思，關於這台設備的物理學基礎，我大概只能說這麼多了。論文中有一處提到，研究人員有一個模型，能夠預測在一系列給定條件下它能產生多大的推力，但卻沒有進一步提及這個模型。網路搜索結果指向一個油管頻道（我沒仔細研究）和一份NASA的報告。NASA的報告中提出了一些概念，暗示可能存在一個模型，但僅此而已（當然也沒有提出任何預測），也沒有提供更詳細的信息。
實驗當然能說明一切，對吧？
好，讓我們來看看實驗。（本段可能涉及大量你看不懂的概念，不影響繼續閱讀。）
「你咋不上天呢推進器」中有一個密閉的微波空腔，形狀像被削了一截的圓錐。論文並沒有說明為什麼要做成這樣的圓錐形。較窄的一頭置有一小塊塑料。朝空腔中發射微波，推進力就產生了。
由於產生的推進力很小，整個裝置被連接在一個扭擺上面，在輸入微波的時候扭擺會輕微扭轉。研究對旋轉量進行了測量，並根據測量結果算出推進力的大小。這跟他們之前用的實驗裝置是一樣的，只是這次在安裝和連接方式上作了一些細微的調整，以減少雜散信號。
被用於測量推進器推力的扭擺的簡化示意。
且不管這套久經使用的設備，來看看論文里有多少數據點？18個。好吧，如果實驗很費時間的話，我就不計較這個了，一些同步加速器實驗只有孤零零的一個數據點呢。但這實驗顯然不受時間限制。
微波發射大約會持續40秒，跑數據的整個過程目測大概要200秒。對於同一套參數設置，就算每兩次測量間隔五分鐘，他們一小時應該能記錄12個數據點。實際上，儘管研究人員手頭有一大堆變數，可進行不同的實驗來研究，他們只研究了其中一個。在先前的論文里，他們研究了兩個變數，但還是那句話，這樣有限的研究和有限的數據實在令人心塞。
還有誤差分析：論文作者們判斷測量上存在許多不確定因素，以至於每個推力測量結果都有大約10%的不確定性。聽起來還行對吧？只可惜他們忽略了最主要的不確定因素。
在一次實驗中，微波的功率是60瓦，他們測得的推力是128微牛頓；然而當微波功率達到80瓦的時候，三次測得的推力卻都小於120微牛頓。實際上，微波功率在60瓦和80瓦的時候，測得的所有數據幾乎完全重合。只有當微波功率降到40瓦的時候，測得的推力才始終較小，他們才能宣稱推力隨著微波功率的減小而減小了。
「你咋不上天呢推進器」不同微波功率下測得的推力結果。紅色圓圈：原始數據；紫色圓圈：平均數據；虛線：擬合出的函數。
換句話說，你顯然無法指望這玩意兒產生大於120微牛頓的推力。至於為什麼？這篇論文完全沒有考慮這個問題。
更重要的一點是，實驗裝置的單項不確定度並不能解釋他們所測得的推進力的變化。這意味著很有可能還存在一個沒受控制的實驗參數，坑了他們的測量結果。
但是，你也別指望能找到這個參數，因為從實驗描述中看不到任何的操作細節。舉個例子，作者在論文中描述了為什麼要精確調節微波頻率，使其與某一空腔共振頻率一致，解釋了其重要性。但是，無論是相鄰模式的結果，還是對兩種模式下實驗結果的對比，這些重要的細節都沒在論文中呈現出來。我後來在另一篇論文里找到了這方面內容，裡面將實驗設備屏幕截圖和關於空腔共振的計算進行了對比（然而它們對不上）。所以總的來說，我甚至不能肯定他們激發微波腔的方式是不是和自己設想的一樣。
還有，其實很難判斷放大器的打開方式對不對。根據他們給出的空腔的數據，（我目測）放大器的帶寬大約是40千赫，那麼如果他們把放大器從「關」開到「滿功率運行」的時間小於25微秒，在初始階段就會出現大量反射功率。但是，論文中沒有給出上升時間，而微波功率隨時間變化的曲線顯示存在多個瞬態。無法判斷這是故意設計的，還是說這就是微波腔的反射功率。
還有扭擺本身的問題。作者對其施加了阻尼，並且只在無地震活動的時候進行測量。他們檢查了磁場和靜電的影響，卻沒有說明扭擺的共振頻率，而這個數據是正確解讀實驗圖表所需的。
扭擺的運用指向了這種可能：實驗本身可能，再一次地，放大了信號。由於扭擺存在一個共振頻率，作者本可以把它用作一個過濾器。如果調整微波放大器的功率，那麼推進力（以及任何一個熱效應）也會隨之被調整。但是，熱效應隨一個時間常數改變，而時間常數與振蕩過程無關。因此，當調製頻率和扭擺的共振頻率達到一致時，扭擺的運動幅度會大幅增加。然而，熱效應在整個循環過程中基本維持在統一水平，最後（幾乎）消失。
我相信世界上每一個工程師和物理學家都知道這個道理，然而這裡卻沒有涉及，這說明了實驗結果有多麼經不起推敲。
那麼，推力是從哪兒來的？
但作者們還是報告稱產生了凈推力。它是從哪兒來的？一個簡單的回答是「我不知道」。它可能只是隨機出現的噪音，沒啥好解釋的。但這些作者發布的兩篇論文都一致給出了積極的結果（還有另一個小組發了篇論文表示無法重複實驗結果）。我推測，如果推力不是噪音，那就是來自某個沒有被納入考慮的熱效應。也就是說，有什麼東西以某種意想不到的方式產生了輻射，進而產生推力。我猜那可能是來自銅製的腔體（大部分人認為干擾可能來自放大器，或者巨大的散熱器，但我喜歡冷門）。
不幸的是，作者的熱效應分析是這麼做的：拍攝紅外圖像，並報告不同部件的平均溫度。但溫度是最難精確測定的東西之一，而且考慮到他們測量的只是幾微米的位移，測量的精確度還是很重要的。從熱位移已經比他們測算的由推進力造成的位移還要大這一事實來看，這種重要性就更明確了。
測試後銅質推進器的紅外圖像。
最後，我們既不能說這個實驗是無效的，也不能激動地宣布它成功了。一個令人悲傷的事實是，這篇論文比他們的上一篇論文好不了多少，而且其中的細節太少，無法讓我們充分評估實驗數據。再者，論文也沒有給出足夠的數據，無法讓我們在模型缺失的情況下得出結論。儘管論文中提到了一個模型，但任何可能存在的模型都藏得過於隱蔽。
更過分的是，討論部分也沒法給人多少信心。那基本上就是一個流水賬，列出了由於真空漲落所產生的種種奇異現象，還與玻姆的導航波理論結合起來（我無法理解這是為什麼）。我覺得吧，不管玻姆可能犯了什麼樣的錯，他都不該得到這樣的對待。
我知道我聽起來可能對這項研究過於不屑一顧了。我保證當我開始讀這篇論文的時候，我決心要在存疑的同時保持積極樂觀。然而非常抱歉，我所有積極的想法已經從這篇漏成篩子的論文中跑掉了，最後我只覺得懷疑又惱火，彷彿身體被掏空。
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