中国已成功通过微波相对论引擎测试？

万磁王

Credit:Elvis Popovic
来自中国的研究者们称，他们已经成功地完成了一台靠电力发动的引擎的测试。这台引擎据说并不需要任何一种推进燃料，也没有任何排放物。该引擎名为“EmDrive”（英文维基百科/EmDrive 官网），它能够直接将微波能转换并推进到内部的一个密封室内。哦，并且它完全没有噪音（据说是一点声音都没有），效率极高。所有的这些看起来都好得不真实，不过研究者们却声称他们已经有了一台原型机，而原型机工作正常，并且，他们刚刚才发布了一篇论文详细叙述它的工作。
在说到 EmDrive 的具体工作原理之前，先来补充一些背景信息。引擎就是将能量转化为运动的机器。引擎的种类有很多，能量转化的方式也有很多。但是我们拿一个简单的例子来说明吧：一个火箭引擎里，有一根巨大的管道，里面塞满了一些有爆炸性的物质（推进燃料）。当火箭被发射时，这些燃料就开始燃烧和被消耗。燃烧时，能量很自然是会向四面八方扩展开的，但是由于燃料被困在了一个管状结构中，它的出口就只有一个。管状结构材质是均匀的，所以除了两端以外，推进燃料所产生的能量在结构内也是均匀的。这样，当推进燃料从后端逃离时，火箭也被推得更远了。
这个简单的过程中有一个基本的原则，那就是引擎工作时总有某种反应在进行着。那些燃烧后你不需要的物质（排放物）是推进引擎和整个机器的关键之一。我这么说的原因是因为这是物理学的基本法则：牛顿第三运动定律。具体而简单地讲，就是说力总是成对存在的。同样，另一个原因就是动量守恒定律。根据动量守恒定律，在一个密闭的系统内，动量总和是恒定的。

牛顿第三运动定律：当两个物体互相作用时，彼此施加于对方的力，其大小相等、方向相反。力必会成双结对地出现：其中一道力称为“作用力”；而另一道力则称为“反作用力”。
动量守恒定律：如果物体系受到的合外力为零，则系统内各物体动量的矢量和保持不变，系统质心维持原本的运动状态。

上面两个理论的意思就是：要想让火箭向前运动，就必须要有物质朝与火箭反方向运动；同样地，要想让火箭向前运动，火箭后部就不能是密封的。
这也就是为什么这些中国科学家们声称已经通过测试的引擎听起来很疯狂的原因：根据物理学的基本原理，这样的引擎在我们的宇宙中是不允许存在的。
这项技术的基本操作原理最早是由一个名叫 Roger Shawyer 的英国人在好几十年前所提出的。由于概念超前，前几年他的这些构思经常出现在媒体上。EmDrive 的实质其实只是一个微波共振空腔（microwave resonating cavity），而形状则是一个密封的缺顶圆锥体。你启动这个电动的微波产生器，随即它就开始在椎体内发射微波，微波在这个密闭空间内被反复地反弹，我们所运用的则是这个过程中在密封室内所产生的辐射压（radiation pressure）。
下面是 DVICE 的编鸡从 New Scientist 上所找到的一张示意图：

现在，如果我们仍然选择相信那些枯燥的物理学定律，那么我们会说这个东西根本没法移动，因为在密封室内弹来弹去的，由微波产生的能量最终会相互抵消，EmDrive 里根本就没有“消耗”。
然而，如果我们选择相信 Shawyer，那么 EmDrive 实际上可以产生一股比较小的推力让引擎朝圆锥地面积较大的那一面的方向前进。Shawyer 说之所以会产生这种现象是因为，由于共振腔是一个缺顶圆锥体，在每一个横截面的直径都是不同的，所以微波的速率也会根据周长不断变化。这个速率的变化实际上已经足够在椎体“低端”施加一股较强的力，而在“顶端”施加一股较弱的力，这个力的差就形成了推力。Shawyer 本人还认为，这个引擎并没有推翻或是违反了任何物理法则，你需要将参与其中的电磁波看作一个独立的参考系——这与爱因斯坦相对论中的一个特殊理论相吻合——也可以说这个系统并非闭合的。
有很多人对这个引擎的原理都带着质疑，也有很多有着物理学和数学背景的专业人士批评 Shawyer，说他是个疯子。不过我们却找到了一个2007年的测试视频，据说在视频中的测试支架上，一台 EmDrive 原型机完全靠自己内部的力产生了运动：

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EmDrive 引擎被放置在一个类似于盒子的装置中，这也是说它“疯狂”的原因之一：它里面既没有什么实在的东西产生反应，也不需要从外部吸收氧气或是空气，也就是说你把它严严实实地密封起来，它照样工作得开开心心的，照样能带着机器向前跑。把它放在你的袜子抽屉里，它会试图将你的整个柜子带到空中。吞一个被启动的 EmDrive 在肚子里，说不定你就飘起来了。将它封在一块水泥里，只要你能为它提供足够的电量，它甚至能让这块水泥飘浮在半空！
这里我要重申一次，要说明这个引擎不可能成功的理由仍然有很多，而科学界的舆论也倾向于认为 Shawyer 的引擎是因为其它一些原因而运动的，这个微波相对论的理论说不通。波音公司的幻影工厂（又叫“鬼怪工厂”）曾经派人去看过 Shawyer 设计制作的原型机之一，之后就再也没有任何动静了——当这种事发生时，它通常意味着这个东西名不副实，没有什么价值，甚至根本就不管用。试想，如果在当时就算这台原型机只稍微动了一点点，像波音这样的制造商会忽视这种低成本的疯狂技术？
不过就算我们不信，中国的研究者们对它严肃对待，显然他们在这个项目上已经努力了好几年。来自西安工业大学航天宇航推进技术工程专业的Yang Juan（？？暂时没找到资料）前几日发表了论文《无燃料微波推进器的净推力测量》，在论文中，Yang 教授（...）在论文中说道他们所制作的 EmDrive 原型机之一能够产生2,500瓦特的电。虽然这听起来是个小数字，但是我们无疑还是得到了一种效率最高的空间飞行引擎。
总之，希望它是真的，但我仍然保守地选择暂时站在物理学的一边。
附：《参考消息》的转载文章《微波引擎：尖端科技？痴人说梦？》