【突破世紀的理論】牛頓定律將被打破,NASA 發表論文「不用燃料的火箭引擎」將帶人類走出太陽系

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【為什麼我們挑選這篇文章】牛頓動量守恆定律中,作用與反作用力的規則將被打破,因為 NASA 最新論文提到的「EmDrive」推動引擎,將「不用燃料」就能產生推力。

另外從他的理論來看,這引擎能在幾個月內就把人類送到太陽系外,看來人類的太空探索夢,真的越來越近!(責任編輯:張瑋倫)

2016 年 11 月 17 日,NASA 正在研究過程中備受矚目、爭議頗多的 EmDrive 論文終於在 AIAA(美國航空航天學會)的學刊 發表 了,因為打破了牛頓定律而曾被認為是「不可能」的 EmDrive 推進系統,似乎也因此而增強了幾分信服力。

「不可能」的 EmDrive

EmDrive 最早於 2001 年由英國航空工程師羅傑·肖爾(Roger Shawyer)設計,概括起來講就是一種無工質(propellantless)的推進系統,也就是引擎不需要使用燃料製造反應,不需要工作介質就可以產生淨推力。

也就是說,不僅沒有高溫燃氣流的燒蝕、沖刷和傳熱問題,而且推進系統的重量更輕。而 EmDrive 最大的優點之一是能夠產生非常高的運動速度, 從理論上來講,可以在幾個月的時間裡將人類運送到太陽系外的宇宙空間

聽上去非常美好,不是嗎?但是 EmDrive 有一個被業界反覆質疑的關鍵: 違反了物理學裡最基本的牛頓動量守恆定律 ,簡單來說即一個系統不受外力或所受外力之和為零,這個系統的總動量保持不變。

中國全日制九年義務教育高中課本裡對牛頓定律有很初級的介紹,雖然早在筆者上中學的年代,就有許多同學公然對物理老師提出關於動量守恆定律的反例,但是我們始終被告知「除非受到一個或多個外力的作用,否則物體會保持靜止狀態」。

「想考大學嗎?就這麼答。」當牛頓運動定律幾乎成了所有接受基本科學訓練的人都很少質疑的「公理」之後,EmDrive 的出現——自然而然地——就成了一個真正顛覆的概念。

EmDrive 是怎麼工作的?

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在 EmDrive 的設計中,封閉的截錐狀(truncate cone) 推力器(thruster)腔體一端由微波(microwave)通過波導(magnetron)被輻射進入,之後作用在腔體表面上,並沿推力器軸線(見上圖)產生淨推力。和目前太空梭所使用的燃料助推器相比,EmDrive 的工作原理截然不同。

在關於 EmDrive 的測試試驗的論文中,除了剛剛在 AIAA 學刊上發表的這篇由 NASA 團隊 Eagleworks 主導的論文之外,2008 年來自中國西北工業大學的 楊涓教授 和她的團隊也曾經驗證了 EmDrive 的理論,並且在 2010 年設計了 一個自己的版本 ,2012 年和 2014 年西北工業大學航天學院又多次重複了試驗。

2001 年肖爾(Reischauer)曾經獲得英國政府四萬五千英鎊的資助,成功驗證了 EmDrive 的理論,但是當時他的研究成果並沒有通過同行評審(peer review)的驗證,而且試驗結果只產生了 0.016 牛頓的推力,這個數字太低甚至都無法排除儀器誤差的因素。

2014 年,NASA 的科學家們曾經設計了另一個 EmDrive 版本的試驗,但是數據仍舊沒有通過同行評審,但是在圍繞那一次試驗的爭論中,NASA 內部其他持反對意見的研究團隊在發表的論文中明確表示,試驗結果雖然無法證實 EmDrive 有效,但是同樣也沒有證據對 EmDrive 予以反駁,希望能夠有更多進一步的試驗。

2015 年末,NASA 團隊 Eagleworks 完成的一次試驗看起來確認了 EmDrive 的有效性,這次試驗不僅糾正了之前幾次發生的錯誤,而且成功實現了推力。不過當時並沒有提交研究成果用於同行評審。

人類航天旅行迎來新紀元

如果 EmDrive 經過科學論證最終被認為有效,對於整個人類的社會的影響是非常非常巨大的。從理論上講,載人太空梭從地球出發,可以在幾小時內飛抵月球,可以在兩到三個月內飛抵火星,可以在兩年內飛抵冥王星——而且還不用在太空梭上裝燃料,又輕便,又易於生產。

至於這項技術對 NASA、SpaceX 和許多希望發展航天旅遊業的公司來說,商業潛力簡直不可估量。當然,對於 EmDrive 的反對聲音仍舊持續不斷,在 AIAA 學刊發布的這篇經過同行評審的論文,也需要更多科學工作者的親自試驗來加以驗證。

對於筆者來說,EmDrive 只不過是科技領域非常值得長期關注且近期新聞頗多的一個選題,如果說非要有什麼影響,大概就是為高中時在課堂上向物理老師提出質疑的同學感到幾分不平而已——畢竟,我們當時只不過想拿個畢業證、考個好大學,牛頓老師怎麼說的,也不能不聽。

(本文經合作夥伴虎嗅網授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈你高中時學的牛頓定律要被打破了,現在 NASA 的論文都發表了 〉。)

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