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精簡版（如果不是時間太趕建議看完全文哦）： 最近，NASA下屬的一個研究團隊發(fā)表了一篇有關(guān)于無工質(zhì)推進(jìn)器（EmDrive）的實驗報告，隨即在全球炸起了軒然大波。大家震驚的原因在于：這種被視為“偽科學(xué)”的技術(shù)設(shè)想竟然在實驗中產(chǎn)生了1.2毫牛每千瓦的微弱推力，從而似乎可以證明這種設(shè)想是可行的！?。∵@個裝置利用微波在空腔中反射產(chǎn)生向前的推力，但被認(rèn)為違背了物理學(xué)中最基礎(chǔ)的動量守恒定律。如今，一些科學(xué)家提出了諸如量子真空場效應(yīng)等的理論解釋，但主流的聲音認(rèn)為該結(jié)果是由于實驗不夠精確產(chǎn)生的（熱效應(yīng)），還有待后續(xù)更加精確的實驗驗證。
近期，NASA下屬的一個叫“鷹工廠”的實驗團隊在一個同行評議（peer review）的學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表了一篇有關(guān)于他們實驗的論文。他們的實驗聚焦于驗證一個看似不可能的推進(jìn)器設(shè)想：無工質(zhì)推進(jìn)器（也稱電磁推進(jìn)器）是否能夠產(chǎn)生推力。結(jié)果十分出人意料：該推進(jìn)器在扭擺（一種用于測量微小作用的裝置）上產(chǎn)生了強度為1.2毫牛/千瓦的推力！即使這個推力與現(xiàn)有最先進(jìn)的霍爾離子推進(jìn)器所產(chǎn)生的推力相比微不足道（后者的推力高達(dá)60毫牛每千瓦），然而由于它所宣稱的不需要燃料的特性，使得這一結(jié)果相當(dāng)引人注意。 （這是NASA的實驗裝置圖，中間銅色的圓臺形裝置就是電磁推進(jìn)器） 2. 原理基礎(chǔ)： 這種推進(jìn)器設(shè)想最早由一位英國工程師Roger Shawyer提出。他設(shè)想這種推進(jìn)器通過向一個密閉的金屬空腔中發(fā)射微波頻段的電磁波以取得動力。具體而言，推進(jìn)器的空腔被設(shè)計成一頭小一頭大的圓臺形（想象一個圓錐被切掉上面的部分），電磁波通過一個通道進(jìn)入這個空腔。由于電磁波本質(zhì)是由光子構(gòu)成的，而據(jù)我們所知，光子具有動量（可以把動量理解為光子飛行時具有的“速度”），所以當(dāng)光子撞擊在空腔兩端時，它會被反射，同時它的動量發(fā)生了改變，根據(jù)經(jīng)典力學(xué)我們知道：光子對腔壁產(chǎn)生了力。打一個形象的比方，想象打網(wǎng)球時，高速飛來的網(wǎng)球與球拍碰撞后被高速反彈回去，這時握球拍的人就會感覺球施加給拍子的沖力。 （上圖為原理圖，圖中的折線就是設(shè)想的光子） Roger認(rèn)為在空腔中的光子密度不論在哪都是一樣的。所以一定區(qū)域里面光子的數(shù)量就與該區(qū)域的面積成正比。顯然，在面積稍微小的一端光子的數(shù)量平均上要小于面積稍大的一端。同時，由于光子的動量是量子化的（也就是說，只能一個一個光子加起來算，總的動量變化與光子的數(shù)量有關(guān)），所以Roger認(rèn)為電磁波施加在空腔兩端的力不一樣。而這兩端的壓力差可以推動設(shè)備前進(jìn)。 所以總結(jié)而言，這種推進(jìn)器本質(zhì)上是把電磁波的能量電磁能，直接轉(zhuǎn)化為裝置本身的動能而不經(jīng)過其他形式的能量轉(zhuǎn)換。Roger宣稱這種設(shè)想能大大提升推進(jìn)器的推進(jìn)效率，并且認(rèn)為推進(jìn)器背后的原理基礎(chǔ)完全遵循現(xiàn)有的物理學(xué)原理，并無新物理的參與。 （下面是具體推進(jìn)過程的一個簡易數(shù)學(xué)推導(dǎo)，大家可以選擇性閱讀： 根據(jù)相對論力學(xué)，我們知道單個光子的動量表達(dá)式為： p=E/c 其中E是單個光子的能量，c是光速。而根據(jù)光子的量子化原理，我們也知道單個光子的能量表達(dá)式為： E=hf=hc/λ 其中h是一個常數(shù)，f是光的頻率，λ是光的波長。綜合以上兩個表達(dá)式，我們得到光子的動量表達(dá)式為： p=h/λ 在一定體積內(nèi)，總體的動量可以視為其中所有光子的動量之和： p=nAlh/λ=nAvth/λ 其中n是光子的密度，A是腔壁的面積，l是一定的長度，v是光子平均意義上的速度，t是一定時間；Al=Avt其實就是一定體積V。所以我們可以粗略的得到一個關(guān)于電磁波對腔壁施加的力的表達(dá)式： F=p/t=nAvh/λ 顯然我們可以看出，由于n，h，λ和v對于空腔兩端是一樣的，故空腔兩端所受的力與其面積A成正比。由于這個裝置兩端面積不一樣大，所以Roger認(rèn)為兩端受力不均，能夠產(chǎn)生推力。） 3. 爭議焦點： 看完了上面的推導(dǎo)，大家應(yīng)該都覺得Roger的設(shè)想十分有道理吧？的確，這其中的推導(dǎo)并沒有用到任何超出我們已知范圍的物理知識。然而，一些科學(xué)家卻對這個設(shè)想嗤之以鼻，原因在于：這個裝置的推進(jìn)原理違背了物理學(xué)中最最基本的一個定律——動量守恒定律！ 簡單來說，動量守恒定律描述的是一個物體是否能夠在給定條件下運動。它指出，如果一個系統(tǒng)（就是一個物體，比如推進(jìn)器）在初始時是靜止的，如果沒有外力作用在它上面，不論內(nèi)部各部分之間產(chǎn)生多大的內(nèi)力，系統(tǒng)整體都會保持靜止。那這與我們討論的推進(jìn)器有何聯(lián)系呢？科學(xué)家認(rèn)為，由于向空腔發(fā)射微波的裝置與空腔本身是連在一起的（要動一起動），他們被視作一個系統(tǒng)。而如果像Roger描述的原理那樣推動設(shè)備，那也只是系統(tǒng)內(nèi)部的內(nèi)力，無法推進(jìn)整個系統(tǒng)。就像一個人沒法提著自己的頭發(fā)把自己提起來向上飛一樣，或者一個人沒法坐在車?yán)锿品较虮P讓車前進(jìn)一樣。 （上圖為設(shè)備的簡易示意圖，F(xiàn)1和F2被認(rèn)為是系統(tǒng)的內(nèi)力） 4. 解決方案： 正因為上面所說的爭議，使得在很長一段時間內(nèi)這種推進(jìn)器被許多科學(xué)家戲稱為“偽科學(xué)”。然而實驗結(jié)果卻顯示這種推進(jìn)器確實能產(chǎn)生推力，使得整個學(xué)界一片沸騰。一些科學(xué)家提出了這個現(xiàn)象背后可能的理論解釋，但都尚未完全得到證明或認(rèn)可。NASA團隊的論文中提到了一種關(guān)于量子真空場的理論解釋： 量子真空場效應(yīng)：這種理論認(rèn)為，微波本身的光子并不是施加推力的東西，而是用于激發(fā)空間中存在的虛粒子，這種虛粒子本來并不存在，但是在極短的時間里會成對憑空生成和消失。微波通過特殊的方式驅(qū)使這些虛粒子飛向腔壁兩端，并在他們消失之前撞擊腔壁，施加推力。由于虛粒子的動量可以視作是空間本身賦予的，所以這種解釋不會違背動量守恒定律。然而更多學(xué)者認(rèn)為這種理論尚未得到證實，不能作為一個合理的解釋。 更多的學(xué)者認(rèn)為，這次的實驗結(jié)果可能是氣體的熱效應(yīng)所導(dǎo)致的誤差。由于實驗裝置不是在完全真空的條件下進(jìn)行，一些學(xué)者認(rèn)為可能是發(fā)射微波時加熱了其中的空氣，使得空氣湍流撞擊腔壁導(dǎo)致了誤差。 5. 前景展望： 這種電磁推進(jìn)器若是能夠?qū)崿F(xiàn)，無疑會對人類太空探索帶巨大助力。一方面由于它不需要燃料，可以通過吸收太陽光實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化，所以可以大大降低飛船的重量，提升飛船的載重量（要知道，現(xiàn)有的火箭90%左右的重量都用來裝燃料） 。另一方面，由于微波在空腔中的損耗極小，所以推進(jìn)器可以工作很長時間不更換，提供給飛船持續(xù)的動力。 從上圖中我們可以看到，相比于現(xiàn)有的離子推進(jìn)器，電磁推進(jìn)器的重量接近十分之一，壽命接近10倍，可見這種技術(shù)的巨大發(fā)展?jié)摿?。?dāng)然，在暢想電磁推進(jìn)器的種種可能之前，我們還需要更多更精確的實驗和理論來解釋和驗證這個極具爭議性的設(shè)想。不管怎樣，前途是光明的，道路是坎坷的！ |
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