牛頓定律要被「打破」了？這次是 NASA 發了一篇引擎論文
「無需燃料即可遨遊太空」、「不遵守動量守恆」、「推翻牛頓第三定律」…… 從誕生之日起，EmDrive 這個噱頭十足的航天推進器就飽受爭議，許多科學家直斥其為「偽科學」。
11月17日，EmDrive 終於登堂入室，以論文形式出現在正規的同行評議期刊上，引發了新一輪的關注。但要說它推翻了物理學的經典定律，恐怕還為時尚早。
NASA 實驗室中的 EmDrive 原型機。圖片來源：AIAA
來源National Geographic
撰文 Nadia Drake, Michael Greshko
編譯 徐寒易 張士超
NASA 的約翰遜太空中心（Johnson Space Center）有個充滿奇思妙想的團隊。前不久，該團隊取得了一項里程碑式的突破——通過實驗證明的「電磁推進系統」（ EmDrive）論文正式發表，而此前許多專家對此都不看好。該推進器能在不使用任何燃料的情況下，為太空中的航天器提供動力。
該團隊在論文中表示，電磁推進系統通過在閉合的空腔內來回彈射微波，將電能轉化為推進力。理論上，這種輕量級的引擎能夠在70天內將航天器送到火星。
但是，一直以來對於這種引擎的主要爭議在於它違反了經典物理定律——牛頓第三定律和動量守恆。因此，即使如該團隊所言 EmDrive 能夠工作，科學家們也不明白它的工作原理。此前，關於該引擎的報道受到了大量質疑，許多物理學家甚至直接斥其為偽科學。
不過，這篇宣稱 EmDrive 行得通的新的論文通過了獨立的同行評議。那麼，太空旅行的革命要到來了嗎？抑或這「不可能」的航天推進器引起只是誤入了另一個歧途？
什麼是 EmDrive？
EmDrive 的概念最先由英國科學家 Roger Shawyer 在20年前提出。NASA 高級推進物理研究實驗室（又名 Eagleworks 實驗室）將其付諸實踐，並進行了測試。
簡單地說，Eagleworks 實驗室開發的 EmDrive 的原理是，電磁能（微波光子）在一個圓錐狀的密閉空腔內反覆彈射，從而產生推進力。當微波光子撞擊空腔內壁的時候，它們就會推動裝置向前移動，而該裝置不會往外噴射任何物質。這和以往的推進器有很大的差別。一些 NASA 航天器中使用離子推進器，通過使推進燃料（一般是氙氣）離子化產生動力，不過它們會向外噴射帶電原子束。
如果 EmDrive 能夠承受住考驗，將意味著未來的航天器不再需要成噸的推進燃料。輕裝上陣是實現高速度、低成本、長距離太空旅行的關鍵。
EmDrive 怎麼就違反物理定律了？
在1687年，牛頓發表了三大運動定律，它們後來成為了經典力學的基石。在接下來的幾個世紀，牛頓三大運動定律被無數次驗證。
EmDrive 和牛頓第三定律有不可調和的矛盾。牛頓第三定律指出，當兩個物體互相作用時，彼此施加於對方的力大小相等、方向相反。牛頓第三定律能夠解釋為什麼當人划槳的時候船能夠前進——因為槳和水相互作用，水對槳產生了相反的作用力。牛頓第三定律也能解釋引擎產生推進力的原因——引擎向後排出滾燙的氣體，從而得到向前的推進力。
奇怪的是，EmDrive 並不向外排出任何物質，這在牛頓第三定律以及另一條經典力學定律——動量守恆的框架下是說不通的。如果 EmDrive 不通過向後排出物質獲得前進的動力，那麼它的動力是從哪兒來的？這有點類似於航天器里的船員通過按壓牆壁讓航天器飛行，或者一個更古老的笑話——抓著頭髮把自己提起來。
有人測試過 EmDrive 嗎？
2014年，Eagleworks 實驗室公布了 EmDrive 引擎早期成功測試的結果，引起了軒然大波。後來，他們又在更為嚴格的條件下測試了 EmDrive，其中就包括最新發表的幾個實驗。
另有一些研究人員也研發並測試了 EmDrive 的不同版本。比如，歐洲和中國的一些研究者就進行過相關研究工作（西北工業大學楊涓老師曾發表類似研究，見參考資料），甚至有一些 EmDrive 的愛好者群體在忙著自行研發和測試這種不可能的物理引擎。不過，還沒有任何人能夠證據確鑿地表示他們的引擎能像理論描述的那樣運行。
這次有何不同？
Eagleworks 實驗室的這篇論文發表在同行評議期刊《推進與動力雜誌》（Journal of Propulsion and Power）上。通過同行評議並不能保證該論文的結果或觀測是有效的，不過可以說明它的實驗設置、結果以及對結果的詮釋得到了部分獨立科學家的認可。
這篇論文描述了對 EmDrive 進行的測試，測試在接近真空（類似於太空）的環境下進行。他們把引擎放到一個叫做扭擺的裝置上，啟動引擎，然後通過它運行的距離來推算推進力的大小。他們估計，EmDrive 消耗每千瓦功率能夠產生1.2毫牛的推進力。
和傳統的引擎相比，這點推進力根本不算什麼。但是這是在沒有任何燃料的情況下取得的，所以並不能說它無足輕重。在同樣不靠燃料推進的技術中，太陽帆以及其他依靠光子推進的技術產生的推進力只有它的幾分之一，在每千瓦3.33和6.67微牛頓之間。
對於 EmDrive 另一項批評是它在啟動後會升溫，有些人認為它是利用這一點加熱周圍的空氣從而獲得推進力的。不過在真空環境中進行的測試可以打消這方面的疑慮。當然，EmDrive 面臨的問題遠不止這一些。
物理學家諷刺 EmDrive 荒謬性的漫畫。圖片來源：arstechnica.com
EmDrive 如何產生推力？
首先，我們並不清楚 EmDrive 是否真的能夠產生推進力，關於這點我們需要進一步的確認。不過有人提出了許多解釋它的運行邏輯的假設。
Eagleworks 實驗室認為，微波光子推動了「量子真空虛擬等離子體」（quantum vacuum virtual plasma）——一片在量子層面不斷湧現又消失的翻滾的粒子海。加州理工學院的物理學家 Sean Carroll 表示，問題是沒有證據能證明「量子真空虛擬等離子體」存在。他認為，量子真空是存在的，但是它並不會產生能夠被推動的等離子體。
在論文中，Eagleworks 實驗室的團隊引用了所謂的「導航波理論」（pilot-wave theory）來描述量子真空產生推進力的過程。不過他們也承認，該理論「並不是物理學的主流觀點」。
英國普利茅斯大學的物理學家 Mike McCulloch 認為，EmDrive 證明了一種新的慣性理論，這裡面牽涉到盎魯輻射（Unruh radiation，一名加速運動的觀察者可以觀測到慣性參考系中觀察者無法看到的黑體輻射）。據他描述，因為 EmDrive 的圓錐的頂和底的盎魯輻射波長不同，所以當空腔中的光子來回彈射的時候，它們的慣性會改變，在動量守恆的情況下這會產生推進力。
羅切斯特理工學院物理學家 Brian Koberlein 表示，雖然 McCulloch 認為盎魯輻射是存在的，但這種現象還沒有得到實驗證實。該理論同時還提出，EmDrive 空腔內部的光速會發生變化，這違反了愛因斯坦的狹義相對論。
不過，當物體加速時產生的部分能量可能被儲存在這個物體中。簡單地說，這裡涉及引力的相互作用以及瞬時慣性質量波動。Jim Woodward 認為，這可以解釋為什麼 EmDrive 在不違反動量守恆的前提下進行移動。Woodward 在1990年提出的馬赫效應（Mach effect）與此相關。
EmDrive 會不會是胡說八道？
EmDrive 當然有可能是胡說八道。歷史上不乏這樣的例子，比如「速度超過光速的中微子」最後被證明是糟糕的實驗產生的錯誤結果。
在這篇論文中，作者討論了9種可能的實驗誤差來源，包括氣流波動、電磁輻射泄露以及磁的相互作用等。這些誤差還無法完全排除，需要更多的實驗才能進一步證明。
譯者註：
截至目前（2016年11月28日），NASA 及約翰遜太空中心均未對此論文發表任何評論。NASA 官方曾於2015年評論稱：媒體熱炒的 EmDrive 是一項「小工作」，無任何實際成果。鑒於 NASA 官方從未給 EmDrive 背書，法國物理學家 Steven J Thomson 認為，給這項研究貼上「NASA 發現」的標籤並不合適。
據英國媒體 IBTimes 報道，Eagleworks 實驗室已被 NASA 關閉，由於研究成果不受重視，該項目的核心人物之一 Paul March 在論文發表之前已決意離開。
論文基本信息
【題目】Measurement of Impulsive Thrust from a Closed Radio-Frequency Cavity in Vacuum
【作者】Harold White, Paul March, James Lawrence, Jerry Vera, Andre Sylvester, David Brady, and Paul Bailey
【期刊】Journal of Propulsion and Power
【日期】17 November 2016
【DOI】10.2514/1.B36120
【摘要】A vacuum test campaign evaluating the impulsive thrust performance of a tapered radio-frequency test article excited in the transverse magnitude 212 mode at 1937 MHz has been completed. The test campaign consisted of a forward thrust phase and reverse thrust phase at less than 8 × 10?6?torr vacuum with power scans at 40, 60, and 80 W. The test campaign included a null thrust test effort to identify any mundane sources of impulsive thrust; however, none were identified. Thrust data from forward, reverse, and null suggested that the system was consistently performing with a thrust-to-power ratio of 1.2 ± 0.1 mN/kW.
其他參考資料：
http://news.nationalgeographic.com/2016/11/nasa-impossible-emdrive-physics-peer-review-space-science/
https://brokensymmetryblog.wordpress.com/2016/11/20/the-impossible-space-engine-is-back/
http://arstechnica.com/science/2016/11/nasas-em-drive-still-a-wtf-thruster/
http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XBGD201006002.htm
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