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NASA的“无燃料发动机”让曲速引擎成真?你咋不上天呢!-手机腾讯网

发布时间:2016-11-30 22:03浏览次数:100Tags:[db:tags]

上周,《推进与动力杂志》发表了一项关于EM-Drive推进器的论文,这项经过同行评议的研究迅速引起了科学家与媒体的热议。物理学克里斯·李(Chris Lee)却在阅读论文后,在技术资讯网站Ars Technica上发表了这样一篇文章,给它泼了冷水——这“你咋不上天呢推进器”产生的推力,还比不上论文产生的噪声多。

作者:Chris Lee

翻译:玛雅蓝

编辑:Ent,Calo

过去几年,一种新的推进系统时不时就在网络上小范围火一阵,我会把它叫做“你咋不上天呢推进器”。这一让EM-drive死而复生的推进器具备了一项新技术的所有最厉害的特征:

它大体上违反了已被牢牢确立的物理学原理;

人们对它工作原理的解释语焉不详;

连在表面上提示它切实可行的数据都少得很,而且还没得到充分的阐释。

上周,由于EM-Drive背后的研究团队发表了一篇论文,介绍针对其运行的测试结果,这玩意儿又火了。

图片里铜质的圆台状物体就是论文中测试的推进器原型。

在讨论那篇论文之前,我先后退一步来叙述一下背景。我不是无端否定他们的结果,我甚至不否认这项研究有可能打开物理学中新世界的大门,我只是说,要想让我认真考虑这种可能性,首先要让我相信这些数据无法被现有的物理学定律解释。而目前为止,我还无法被说服。实际上,我对论文中的细节缺失感到相当沮丧。

先聊原理

“你咋不上天呢推进器”背后的原理实在是太欠缺解释,因此这里我只能作一些猜测。它看起来似乎跟等离子推进器有点关系,你需要提供一个电磁场,并给带电粒子加速。给带电粒子加速产生的反作用力将为推进器加速。真是个了不起的想法,我觉得每个人家里都至少应该备两台。

然而,这个“你咋不上天呢推进器”还往前走了两步:首先,推进器上没有能喷出带电粒子的出口;其次,推进器里本来就没有带电粒子。宇宙在以一种乔普拉(Chopra)的方式协助它,并且免费提供燃料。 (译者注:迪帕克·乔普拉(Deepak Chopra)是美国著名灵性导师和畅销书作家,倡导替代医学。)


迪帕克·乔普拉本人,“可以,这很灵性。” 图片来源:Huffington Post

这话是什么意思?这台推进器背后的想法来自于真空中的量子涨落。真空并非空无一物,那里实际上充满了虚粒子,它们在合适的条件下可以变成实粒子。确实存在很多可被观测的现象,背后的成因可解释为虚粒子瞬间变成了实粒子,干了点啥,然后又消失在宇宙的虚空中。

真空中虚粒子活动的一种示意。图片来源:Derek Leinweber

这有点像借用邻居的割草机。你可以开口问,但他们可能会拒绝。你也可以等到邻居出门了,悄悄把它推过来修剪草坪,然后把水箱加满还回去。但就算割草机的位置没有明显的变化,它也会在冷却时发出轻微噪声,邻居也会闻到刚剪过的草的味道,进而发现割草机被人用过了……好吧,这个比喻不太好,但虚粒子确实能让现实世界感觉到它们的存在。

这台“你咋不上天呢推进器”使用某种机制,让虚粒子变成实粒子,并在它们消失前给它们加速。然而就在被加速的短短一段时间里,它们就能通过反作用力来产生推进力。

在某种程度上,这几乎还能讲得通一丢丢,但接下来你就要看细节了:一个大号的空心铜圆锥,一头装上一小坨塑料,里面的微波辐射还不够加热一块面包,这东西怎么就能延长虚粒子的寿命了?

还有更多细节吗?

这些粒子之所以只是暂时存在,是因为它们成对出现,然后几乎立刻就会相互湮灭。所以虚宇宙可以产生一些能量,但马上又把它收回去了。

在特殊条件下,你可以从虚宇宙中窃取一些能量。例如,黑洞的事件视界上就可能会产生一对粒子,分别位于视界的两端。一个粒子带着能量逃脱了(这叫霍金辐射),另一个又掉进了黑洞中。令人悲伤的是,考虑到这个装置所用的铜的密度,这实验跟黑洞没什么关系。

你也可以通过抑制真空涨落来产生力。两块导电平板,相隔一段距离,就限制了盘中间能够发生哪些涨落。在这块区域之外没有这样的限制,内侧和外侧的涨落之间的不平衡产生了一个净力,使得两个平板互相靠近。同样,现有的物理学理论也能很好地解释这个现象。

但这些NASA研究员的实验结果却不好解释。不,这个“你咋不上天呢推进器”的运行似乎有一个前提原则,就是这些暂时出现的粒子很容易分离(得避免它们成对湮灭),因为在那一小坨塑料的边界上,真空涨落的密度改变了,所以……唔,某些“物理学过程”就发生了?

不好意思,关于这台设备的物理学基础,我大概只能说这么多了。论文中有一处提到,研究人员有一个模型,能够预测在一系列给定条件下它能产生多大的推力,但却没有进一步提及这个模型。网络搜索结果指向一个油管频道(我没仔细研究)和一份NASA的报告。NASA的报告中提出了一些概念,暗示可能存在一个模型,但仅此而已(当然也没有提出任何预测),也没有提供更详细的信息。

实验当然能说明一切,对吧?

好,让我们来看看实验。(本段可能涉及大量你看不懂的概念,不影响继续阅读。)

“你咋不上天呢推进器”中有一个密闭的微波空腔,形状像被削了一截的圆锥。论文并没有说明为什么要做成这样的圆锥形。较窄的一头置有一小块塑料。朝空腔中发射微波,推进力就产生了。

由于产生的推进力很小,整个装置被连接在一个扭摆上面,在输入微波的时候扭摆会轻微扭转。研究对旋转量进行了测量,并根据测量结果算出推进力的大小。这跟他们之前用的实验装置是一样的,只是这次在安装和连接方式上作了一些细微的调整,以减少杂散信号。

被用于测量推进器推力的扭摆的简化示意。

且不管这套久经使用的设备,来看看论文里有多少数据点?18个。好吧,如果实验很费时间的话,我就不计较这个了,一些同步加速器实验只有孤零零的一个数据点呢。但这实验显然不受时间限制。

微波发射大约会持续40秒,跑数据的整个过程目测大概要200秒。对于同一套参数设置,就算每两次测量间隔五分钟,他们一小时应该能记录12个数据点。实际上,尽管研究人员手头有一大堆变量,可进行不同的实验来研究,他们只研究了其中一个。在先前的论文里,他们研究了两个变量,但还是那句话,这样有限的研究和有限的数据实在令人心塞。

还有误差分析:论文作者们判断测量上存在许多不确定因素,以至于每个推力测量结果都有大约10%的不确定性。听起来还行对吧?只可惜他们忽略了最主要的不确定因素。

在一次实验中,微波的功率是60瓦,他们测得的推力是128微牛顿;然而当微波功率达到80瓦的时候,三次测得的推力却都小于120微牛顿。实际上,微波功率在60瓦和80瓦的时候,测得的所有数据几乎完全重合。只有当微波功率降到40瓦的时候,测得的推力才始终较小,他们才能宣称推力随着微波功率的减小而减小了。

“你咋不上天呢推进器”不同微波功率下测得的推力结果。红色圆圈:原始数据;紫色圆圈:平均数据;虚线:拟合出的函数。

换句话说,你显然无法指望这玩意儿产生大于120微牛顿的推力。至于为什么?这篇论文完全没有考虑这个问题。

更重要的一点是,实验装置的单项不确定度并不能解释他们所测得的推进力的变化。这意味着很有可能还存在一个没受控制的实验参数,坑了他们的测量结果。

但是,你也别指望能找到这个参数,因为从实验描述中看不到任何的操作细节。举个例子,作者在论文中描述了为什么要精确调节微波频率,使其与某一空腔共振频率一致,解释了其重要性。但是,无论是相邻模式的结果,还是对两种模式下实验结果的对比,这些重要的细节都没在论文中呈现出来。我后来在另一篇论文里找到了这方面内容,里面将实验设备屏幕截图和关于空腔共振的计算进行了对比(然而它们对不上)。所以总的来说,我甚至不能肯定他们激发微波腔的方式是不是和自己设想的一样。

还有,其实很难判断放大器的打开方式对不对。根据他们给出的空腔的数据,(我目测)放大器的带宽大约是40千赫,那么如果他们把放大器从“关”开到“满功率运行”的时间小于25微秒,在初始阶段就会出现大量反射功率。但是,论文中没有给出上升时间,而微波功率随时间变化的曲线显示存在多个瞬态。无法判断这是故意设计的,还是说这就是微波腔的反射功率。

还有扭摆本身的问题。作者对其施加了阻尼,并且只在无地震活动的时候进行测量。他们检查了磁场和静电的影响,却没有说明扭摆的共振频率,而这个数据是正确解读实验图表所需的。

扭摆的运用指向了这种可能:实验本身可能,再一次地,放大了信号。由于扭摆存在一个共振频率,作者本可以把它用作一个过滤器。如果调整微波放大器的功率,那么推进力(以及任何一个热效应)也会随之被调整。但是,热效应随一个时间常数改变,而时间常数与振荡过程无关。因此,当调制频率和扭摆的共振频率达到一致时,扭摆的运动幅度会大幅增加。然而,热效应在整个循环过程中基本维持在统一水平,最后(几乎)消失。

我相信世界上每一个工程师和物理学家都知道这个道理,然而这里却没有涉及,这说明了实验结果有多么经不起推敲。

那么,推力是从哪儿来的?

但作者们还是报告称产生了净推力。它是从哪儿来的?一个简单的回答是“我不知道”。它可能只是随机出现的噪音,没啥好解释的。但这些作者发布的两篇论文都一致给出了积极的结果(还有另一个小组发了篇论文表示无法重复实验结果)。我推测,如果推力不是噪音,那就是来自某个没有被纳入考虑的热效应。也就是说,有什么东西以某种意想不到的方式产生了辐射,进而产生推力。我猜那可能是来自铜制的腔体(大部分人认为干扰可能来自放大器,或者巨大的散热器,但我喜欢冷门)。

不幸的是,作者的热效应分析是这么做的:拍摄红外图像,并报告不同部件的平均温度。但温度是最难精确测定的东西之一,而且考虑到他们测量的只是几微米的位移,测量的精确度还是很重要的。从热位移已经比他们测算的由推进力造成的位移还要大这一事实来看,这种重要性就更明确了。

测试后铜质推进器的红外图像。

最后,我们既不能说这个实验是无效的,也不能激动地宣布它成功了。一个令人悲伤的事实是,这篇论文比他们的上一篇论文好不了多少,而且其中的细节太少,无法让我们充分评估实验数据。再者,论文也没有给出足够的数据,无法让我们在模型缺失的情况下得出结论。尽管论文中提到了一个模型,但任何可能存在的模型都藏得过于隐蔽。

更过分的是,讨论部分也没法给人多少信心。那基本上就是一个流水账,列出了由于真空涨落所产生的种种奇异现象,还与玻姆的导航波理论结合起来(我无法理解这是为什么)。我觉得吧,不管玻姆可能犯了什么样的错,他都不该得到这样的对待。

我知道我听起来可能对这项研究过于不屑一顾了。我保证当我开始读这篇论文的时候,我决心要在存疑的同时保持积极乐观。然而非常抱歉,我所有积极的想法已经从这篇漏成筛子的论文中跑掉了,最后我只觉得怀疑又恼火,仿佛身体被掏空。

一个AI

总结:“哦天啊有生之年我竟然目睹热二定律被推翻啦”的想法,是你的错觉。

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