Двигатель опровергающий законы физики. NASA тихо испытывает двигатель, нарушающий законы физики. А в это время
МОСКВА, 12 сен - РИА Новости . Все последние заявления китайских ученых об успешном создании и испытании микроволнового ракетного двигателя EmDrive, скорее всего, основаны на ошибочных данных, но при этом само устройство в любом случае не нарушает законов физики, считает физик Брайс Кассенти (Brice Cassenti) из университета Коннектикута (США).
"Работа EmDrive нарушает третий закон Ньютона, говорящий о том, что сила не может возникать сама по себе без взаимодействия физических тел. И действие, и противодействие являются прямым результатом работы закона сохранения импульса. Если этот закон будет нарушаться, то тогда вся современная физика, построенная на его базе, будет неправильной. Поэтому многие из нас считают, что все утверждения о работе EmDrive являются продуктом ошибочных замеров",— заявил Кассенти, комментируя заявления китайских ученых о создании "рабочей" версии EmDrive.
"Утекший" отчет НАСА подтверждает работу двигателя EmDrive Статья о проверке работы потенциально революционного микроволнового двигателя EmDrive, подготовленная специалистами НАСА, утекла в сеть и в ней ученые утверждают, что данное устройство действительно вырабатывает "постоянную" тягу.В 2001 году американский инженер-авиаконструктор Роджер Шоер заявил о создании двигателя, который, как тогда заявили и как сегодня продолжают считать его оппоненты, нарушает все известные законы физики.
Это устройство, работающее на базе микроволнового излучения, представляет собой особую коническую камеру-резонатор, к которой подключен мощный магнетрон - источник микроволнового излучения. При определенной геометрии этого конуса, данное устройство будет загадочным образом двигаться в сторону узкой его части с крайне малой, но силой, если внутри конуса будут "гулять" микроволны.
Подобное поведение EmDrive, как сразу заявили тогда физики, является невозможным с точки зрения законов физики - подобная манера движения, при которой не тратятся ни топливо, ни вырабатывается направленный пучок излучения, противоречит закону сохранению импульса. Эту проблему можно просто представить себе таким образом - если человек сядет в коробку и начнет толкать ее противоположные стенки, то он не будет двигаться вперед, а будет шататься на месте.
Тем не менее, Шоер не отказался от своей идеи, и ее через несколько лет проверил ряд физиков-профессионалов, в том числе и одна из лабораторий НАСА. Эти тесты, как писал один из изначальных скептиков, привели к неожиданным для ученых результатам - оказалось, что изобретение Шоера действительно работает. В декабре прошлого года об успешном завершении подобных испытаний заявили ученые из Китая, создавшие копию EmDrive и готовящиеся запустить ее в космос для окончательной проверки работоспособности.
Как подчеркивает Кассенти, чьи слова передает пресс-служба университета Коннектикута, и опыты китайских ученых, и результаты замеров физиков из лаборатории Иглворкс в Центре космических полетов НАСА имени Джонсона, не являются подделкой или элементарным враньем. Они действительно увидели реальные изменения в положении EmDrive, однако эти сдвиги могли произойти не из-за появления "невозможной" силы тяги, вырабатываемой двигателем Шоера, а из-за различных побочных эффектов, не учтенных при замерах.
К примеру, продолжает ученый, некоторые части EmDrive могли расшириться под действием электрических токов, возникающих внутри устройства, и это расширение могло быть воспринято приборами и экспериментаторами как свидетельство того, что двигатель действительно вырабатывает тягу. С другой стороны, он признает, что физики НАСА и, возможно, их китайские коллеги пытались ликвидировать все побочные эффекты и учитывали их существование.
Ученый выяснил, как работает микроволновый ракетный двигатель EmDrive Физики, вероятно, нашли правдоподобное объяснение тому, как микроволновый двигатель EmDrive, созданный инженером Роджером Шоером, вырабатывает силу тяги, несмотря на то, что для его работы не требуется ни топливо, ни направленные пучки излучения.В целом, как он отмечает, все опыты с EmDrive указывают на существование неких любопытных физических эффектов, которые вряд ли выходят за пределы Стандартной модели физики, но которые было бы интересно изучить и объяснить. По этой причине, по мнению Кассенти, и Китай, и НАСА проводят опыты с EmDrive, а результаты этих экспериментов публикуются в рецензируемых журналах.
Даже если EmDrive работает, как считает Кассенти, он вряд ли будет нарушать существующие законы физики — скорее всего, его работа будет объясняться какими-то эффектами, укладывающимися и в выкладки Ньютона, и в общую теорию относительности, о которых мы пока не знаем.
Окончательная проверка его работоспособности, как подчеркивает ученый, будет возможна лишь в космосе, где на работу двигателя не будут влиять другие силы. В таком случае инженеры смогут точно измерить реальную силу тяги и проверить, может ли EmDrive действительно открыть дорогу для путешествий в дальний космос.
На этой неделе мировое научное сообщество всколыхнула неожиданная новость. Китайские ученые официально опубликовали экспериментальные доказательства того, что электромагнитный двигатель EmDrive на самом деле работает. Уникальная установка способна, к примеру, двигать в вакууме космический корабль… не используя топливо. Так почему же многие ученые считали (а некоторые продолжают считать до сих пор), что это изобретение — чистой воды шарлатанство?
Как работает EmDrive
Орбитальная станция «Тяньгун-2», на которой пройдут испытания ЭМ двигателя
Впервые концепция электромагнитной двигательной установки была опубликована еще в далеком 2002 году британской исследовательской компанией Satellite Propulsion Research, основанной аэрокосмическим инженером Роджером Шойером . Тогда же общественности был представлен и первый действующий прототип устройства. Да-да, именно знаменитые «британские ученые» изобрели фантастический двигатель, вызвавший волну скепсиса со стороны научного сообщества.
Дело в том, что EmDrive бросает вызов всем существующим законам физики (об этом мы уже писали год назад). Его конструкция представляет собой магнетрон, генерирующий микроволны, а также резонатор высокой добротности — металлическое «ведро», ловушку для микроволн в форме герметичного конуса. Магнетрон (в повседневной жизни именно он обеспечивает работу микроволновых печей) связан с резонатором высокочастотной линией передачи, то есть обычным коаксиальным кабелем. Поступая в резонатор, ЭМ волна излучается в стороны обоих торцов с одинаковой фазовой скоростью, но с разной групповой скоростью — именно этим, по мнению создателя, и обусловлен эффект.
В чем состоит различие между этими двумя скоростями? Попадая в замкнутое пространство, электроны начинают распространяться в нем, отражаясь от внутренних стенок резонатора. Фазовая скорость — это скорость относительно отражающей поверхности, которая, по факту, определяет скорость перемещения электронов. Поскольку электроны попадают в камеру в из одного и того же источника, эта величина и в самом деле едина для всех. Групповая скорость , в свою очередь, представляет собой скорость электронов относительно торцевой стенки и возрастает по мере движения от узкой к широкой части конуса. Таким образом, по мнению Шойера, давление ЭМ волны на широкую стенку резонатора больше, чем на узкую, что и создает тягу.
Двигатель против ньютоновской физики
Так почему же ученые с этим не согласны? Основной претензией физиков является то, что принцип работы описываемой конструкции прямо противоречит третьему закону Ньютона , который гласит, что «действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе — взаимодействия двух тел друг на друга между собою равны и направлены в противоположные стороны». Говоря проще, в привычном нам пространстве на каждое действие приходится противодействие, равное по силе, но противоположное по направлению. Этот принцип объясняет причину работы всех современных двигателей, от реактивных (газ подается назад, что двигает машину вперед) до ионных (пучок заряженных атомов движется в одну сторону, а корабль в другую). У EmDrive выбросов же попросту… нет.
Некоторые любители собирали миниатюрную копию EmDrive прямо у себя дома
Кроме того, неучтенными остаются еще несколько не столь важных параметров. К примеру, автор концепции не учел то, что ЭМ волна оказывает давление не только на торцевые, но и на боковые стенки резонатора. После критики в свой адрес Шойер опубликовал нерецензированную работу с объяснениями своей точки зрения, но, по мнению экспертов, теория радиационного давления сложнее представленной им теории.
Технологии на грани фантастики
В 2013 году двигателем заинтересовалось NASA. Неудивительно: если EmDrive и в самом деле работает так, как заявлено, то это станет настоящей революцией в сфере космических перелетов. Устройство испытывали в лаборатории Eagleworks в космическом центре имени Джонсона. Работы проводились под руководством Гарольда Уайта, и в их ходе был получен аномальный результат — тяга величиной около 0,0001 Н. Уайт считает, что такой резонатор может работать посредством создания виртуального плазменного тороида, который реализует тягу с помощью магнитной гидродинамики при квантовых колебаниях вакуума. Условия для испытаний были выбраны щадящие, в 50 раз меньше по мощности, чем опыты самого Шойера. Они проходили на крутильном маятнике для малых сил, который способен обнаруживать силы в десятки микроньютонов, в герметичной вакуумной камере из нержавеющей стали при комнатной температуре воздуха и нормальном атмосферном давлении.
Сегодня телеканал CCTV-2 сообщил, что китайские инженеры не только успешно испытали новый двигатель в космической лаборатории «Тяньгун-2» в декабре прошлого года, но и представили материалы , демонстрирующие схему и работу EmDrive. В ближайшее время установка отправится в космос и будет испытана в реальных условиях. Ли Фенг, главный конструктор, объяснил, что перед запуском на космический аппаратов технологии придется пройти модернизацию. К примеру, для того, чтобы удержать аппарат на орбите, требуется мощность тяги от 100 мH до 1H, а текущая конструкция не позволяет выжать из двигателя такую мощность. Кроме того, размещение двигателя в той или иной части теоретического спутника также повлияет на его нагрев и силу тяги.
В NASA уверены, что при расчетной тяге в 1,2 мН установка сможет добраться до края Солнечной системы всего за несколько месяцев. Если испытания пройдут успешно, колонизация Марса перестанет быть мечтой и станет реальностью, которая уже в ближайшее время позволит человечеству освоить ближайшие к Земле планеты и крупные астероиды.
В сеть утекли вызвавшие ажиотаж черновики статьи НАСА, в которой подтверждается работоспособность спорного двигателя EmDrive, якобы не нуждающегося в топливе. Согласно выводам специалистов из лаборатории Eagleworks, двигатель развивает тягу в 1,2 миллиньютона на киловатт. И работает он, вероятно, на энергии вакуума. Стоит ли этому верить?
Энтузиаст удивительного двигателя Фил Уилсон (Phil Wilson) опубликовал под ником The Traveller об этом пост на форуме сайта НАСА Spaceflight, однако модераторы его удалили, объяснив, что статья должна быть опубликована Американским институтом аэронавтики и астронавтики официально в декабре 2016 года. Однако сайт Next Big Future обеспечил свободный доступ к документам и содержащимся в них схемах, окончательно сделав статью достоянием общественности.
Специалисты НАСА сообщают об успешном повторении эксперимента, проведенного британским инженером Роджером Шойером в 2006 году. Ему удалось создать вращающийся двигатель, который не производит никаких выбросов, и показать, что устройство подчиняется законам механики Ньютона. По словам разработчика, устройство конвертирует электричество в микроволны, их энергия накапливается в резонаторе, и в результате возникает небольшая тяга. С тех пор ученые бьются над загадкой EmDrive: работает ли он, и если да, то почему? Ведь согласно закону сохранения импульса, тяга возникает за счет реактивной струи. Иными словами, чтобы объект двинулся вперед, надо, чтобы от него что-то отскочило в обратном направлении.
Когда журнал New Scientist впервые опубликовал статью об EmDrive, в редакцию посыпались гневные письма. «Импульс, согласно одному из четырех базовых принципов, сохраняется, и он не может быть вновь создан или уничтожен. Двигатель нарушает это правило. В традиционных ракетах тяга достигается в соответствии с правилом, поскольку импульсы корабля и выхлопной струи, двигающиеся в противоположных направлениях, компенсируют друг друга», - указал изданию один из читателей.
Однако те, кто пытается разобраться в принципах работы двигателя, считают, что в нем закон сохранения импульса сохраняется, просто объяснить, как это получается, довольно сложно. Так, Майкл Маккалош из Плимутского университета (Великобритания) допускает существование фотонов, обладающих массой, а также изменение скорости света внутри устройства. Другая гипотеза говорит о гашении микроволн, в результате чего рождаются пары фотонов, переносящих импульс. Подобное может происходить только в конусовидных полостях. Однако эти предположения выходят за рамки современных представлений о физике и вряд ли смогут убедить других специалистов.
Эксперименты с EmDrive, проведенные в июне 2015 года Мартином Таймаром из Германии, не подтвердили и не опровергли работоспособность силовой установки. Однако в статье НАСА утверждается, что инженеры добились положительного результата.
В исследовании использовался крутильный маятник - алюминиевая конструкция, установленная на скользком столе в вакуумной камере. Такое устройство способно измерять даже очень слабую тягу. На одном плече маятника был EmDrive, и он в результате серии тестов при 40, 60 и 80 ватт показал силу в 1,2 миллиньютона на киловатт в вакууме. Проверки не выявили никаких неучтенных источников движения, однако специалисты признали необходимость дополнительных исследований, чтобы исключить искажения со стороны такого фактора, как тепловое расширение.
Испытания двигателя в лаборатории НАСА
Чтобы объяснить полученные результаты, авторы статьи обратились к почти забытой теории волны-пилота. Эта теория пытается объяснить с точки зрения классической физики такие понятия, как коллапс волновой функции и парадокс кота Шредингера. Иными словами, вся неопределенность возникает из-за того, что наблюдателю неизвестны положение и импульсы частиц. Классического объяснения удостоились и постоянная Планка, и эффект Казимира, а также основное состояние водорода и многое другое.
Современная физика приняла на вооружение копенгагенскую интерпретацию квантовой механики, утверждающую, что неопределенность не зависит от наблюдателя. Однако физики Коудер и Форт еще в 2006-м показали, что капли воды могут вести себя подобно квантовым объектам. Так, капля, непрерывно отскакивающая от тонкого слоя жидкости при определенной частоте и двигающаяся в случайном направлении, создает узор из концентрических волн, сопровождающий каплю по всему ее пути. С помощью подобной системы удалось воспроизвести эксперимент с двумя щелями, туннелирование и другие квантовые феномены.
Эксперимент Роджера Шойера в 2006 году
Возможно, квантовые флуктуации (виртуальные частицы) являются волнами, которые «следуют» за реальными частицами. Из этого, например, следует, что семь энергетических уровней атома водорода могут рассматриваться в качестве волн в квантовом вакууме. Ученые в статье приходят к выводу, что квантовый вакуум - среда, поддерживающая акустические осцилляции, а составляющие любой такой среды способны обмениваться импульсом. Значит, над вакуумом можно совершать работу и извлекать ее из него, что и делает двигатель.
Нужно заметить, что сама Eagleworks (также известная как Advanced Propulsion Physics Laboratory), где проводили исследования, - это маленькая научная группа, изучающая различные сомнительные теории, чтобы найти способы разработать новые двигатели для космических аппаратов. Вполне возможно, что статья, прошедшая рецензентов, будет серьезно отличаться от той версии, что доступна сейчас, и выводы сформулируют аккуратнее. В любом случае нужно ждать дальнейшие исследования и эксперименты других научных групп, поскольку статья НАСА сама по себе еще не дает никаких ответов.
Электромагнитный двигатель (ЭМ двигатель) впервые разработан в 2001 году аэрокосмическим инженером Роджером Шовайером, эту технологию можно рассматривать как силовую установку, которая не использует топливо, чтобы вызвать движение. Удаление потребности в топливе делает корабль значительно легче, и поэтому его проще перемещать (и дешевле сделать, теоретически). Кроме того, гипотетический привод способен достигать чрезвычайно высоких скоростей - мы говорим о потенциальном передвижении людей к внешнему миру Солнечной системы в течение нескольких месяцев.
Проблема в том, что вся концепция реактивного привода не согласуется с сохранением импульса Ньютона, который утверждает, что в замкнутой системе линейный и угловой момент остаются постоянными независимо от любых изменений, происходящих в указанной системе. Проще говоря: если внешняя сила не прикладывается, объект не будет двигаться.
ЭМ двигателю не хватает реакции, определенной в третьем законе Ньютона: «Для каждого действия существует равная и противоположная реакция». Но это противоречит нашему нынешнему фундаментальному пониманию физики: действие (движение корабля), происходящие без реакции (воспламенение топлива и вытеснение массы), должны быть невозможным. Для того чтобы это произошло, это означало бы пока еще не определенное явление, любо наше понимание физики совершенно неверно.
Как работает ЭМ двигатель
Отложив в сторону потенциально физически невыполнимые возможности технологии, давайте раскроем простыми словами, как работает предлагаемый дисковый электромагнитный двигатель. ЭМ двигатель - это то, что называется радиочастотным резонатором, и является одной из нескольких гипотетических машин, которые используют эту модель. Эти конструкции работают благодаря наличию магнетронных импульсных микроволн в замкнутом усеченном конусе, затем надавливают на короткий конец конуса и продвигают корабль вперед. Это контрастирует с формой использования космических аппаратов с двигателем, которые сжигают большое количество топлива, вытесняя огромное количество энергии и массы, чтобы ракета двигалась.
В то время как испытания проводились на экспериментальных версиях привода - с низким энергопотреблением, приводящим в действие несколько микро насосов тяги (примерно столько же, сколько вес копейки). Возможно, некоторые положительные результаты тяги могут быть вызваны помехой или неучтенной ошибкой с испытательным оборудованием.
Несмотря на большой скептицизм относительно ЭМ двигателя, важно отметить, что было несколько человек, которые протестировали диск и сообщили о достижении тяги.
В 2001 году Шовайер получил грант в размере 45 000 фунтов стерлингов от британского правительства для тестирования ЭМ двигателя. По сообщениям, его испытание достигло 0,016 Ньютона силы и потребовало 850 Вт мощности, но ни один экспертный обзор тестов не подтвердил это. Однако стоит отметить, что это число было достаточно низким, что было потенциально ошибкой эксперимента.
В 2008 году Ян Хуан и команда китайских исследователей в Северо-Западном политехническом университете предположительно подтвердили теорию, касающуюся радиочастотных резонансных двигателей, и впоследствии построили свою собственную версию в 2010 году, тестируя диск несколько раз с 2012 по 2014 год. Результаты тестов были предположительно положительными, достигая до 750 мН тяги и требуя 2500 Вт мощности.
В 2014 году исследователи НАСА протестировали собственную версию ЭМ двигателя, в том числе в жестком вакууме. Еще раз, группа сообщила о толчке, и еще раз данные не были опубликованы через рецензируемые источники. Другие группы НАСА скептически относятся к утверждениям исследователей, но эти выводы не подтверждают и не опровергают диск, а требуют дополнительных испытаний.
В 2015 году та же самая группа НАСА проверила версию инженера-химика Гвидо Фетты и сообщила о положительной чистой тяге. Аналогичным образом, исследовательская группа в Дрезденском технологическом университете также проверила драйв, снова сообщив о толчке, как предсказанным, так и неожиданным.
Еще один тест исследовательской группы НАСА, в конце 2015 года, по-видимому, подтвердил справедливость ЭМ двигателя. Тест скорректировал ошибки, которые произошли в предыдущих тестах, и, что удивительно, привод достиг тяги. Тем не менее, группа еще не представила свои выводы для экспертной оценки. Возможно, что другие непредвиденные ошибки в эксперименте могут вызвать тягу (наиболее вероятным из которых является то, что вакуум был скомпрометирован, вызывая нагрев и расширение воздуха внутри испытательной среды и перемещения привода). Независимо от того, публикуются ли выводы или нет, необходимо провести больше тестов. Именно это намерен сделать исследовательский центр Гленна в Кливленде, Огайо, Лаборатория реактивного движения НАСА и Лаборатория прикладной физики Университета Джона Хопкинса. Для верующих в ЭМ двигатель, похоже, есть какая-то надежда.
В середине 2016 года физик Майкл МакКаллох, исследователь из Университета Плимута в Соединенном Королевстве, предложил новую теорию, которая может дать объяснение тяги, наблюдаемой в тестах. Теория МакКаллоха посвящена инерции и тому, что называется эффектом Унру - концепцией, предсказанной относительностью, заключающейся в том, что ускоряющийся наблюдатель видит фон излучения вокруг себя, даже если не ускоряющийся наблюдатель не видит ничего.
Новая теория Маккаллоха посвящена неподтвержденной концепции излучения Унру, которая обнаруживает, что частицы образовываются из вакуума пространства как прямой результат наблюдаемого нагрева Вселенной из-за ускорения. Эта теоретическая концепция в значительной степени соответствует нашему нынешнему пониманию Вселенной и предсказывает результаты инерции, которые мы наблюдаем в настоящее время, хотя и с одним заметным исключением: небольшие ускорения в масштабе примерно того, что наблюдалось при тестировании ЭМ двигателя.
Это ускорение происходит в результате частиц излучения Унру, длины волн которых возрастают по мере ускорения. Частицы Унру на разных длинах волн должны были бы располагаться на обоих концах конуса ЭМ-драйва, и когда они подпрыгивают внутри конуса, их инерция также изменится, что в конечном итоге приведет к тяге.
Теория Маккаллоха, по общему признанию, немного сложна для того, чтобы рассказать о непрофессионалам. Если вам интересно и хотите углубиться в дальнейшее чтение теории, вы можете прочитать всю статью Маккаллоха, где обсуждаете его теорию. Дело здесь в том, что, если подтвердится эффект и излучение Унру, он предлагает совершенно правдоподобное объяснение, казалось бы, ранее невозможных наблюдений за движением ЭМ двигателя. Это потребует дальнейших исследований и экспериментов, а также даст двигательной системе еще больший импульс для тестирования.
А если заработает?
Легко видеть, как в научном сообществе настороженно относятся к ЭМ двигателю. Но, с другой стороны, богатство исследований вызывает несколько вопросов: почему существует такой интерес к технологии, и почему так много людей хотят ее протестировать? В чем конкретно утверждается стремление сделать такую привлекательную идею? Несмотря на то, что все, начиная с атмосферных контрольных спутников, до более безопасных и более эффективных автомобилей, были задействованы как потенциальные приложения для привода, реальная привлекательность технологии и импульс ее создания в первую очередь - это последствия для космических путешествий.
Космический аппарат, оснащенный ЭМ приводом, мог бы попасть на Луну всего за несколько часов, на Марс через два-три месяца, а на Плутон в течение двух лет. Это чрезвычайно смелые заявления, но если ЭМ двигатель окажется законной технологией, они могут быть не такими уж странными. И без необходимости упаковывать несколько тонн топлива, космический корабль становится дешевле и намного легче. Тем не менее, для того, чтобы стать реальностью, наука должна складываться.
Шовайер непреклонен, что нет необходимости в лженауке или квантовых теориях, чтобы объяснить, как работает ЭМ привод. Вместо этого он считает, что текущие модели физики Ньютона предлагают объяснение, и он написал документы по этому вопросу, один из которых в настоящее время рассматривается экспертами. Хотя в прошлом Шовайера критиковали другие ученые за неправильную и непоследовательную науку, четкое научное объяснени может начать легитимировать ЭМ двигатель и стимулировать больше испытаний и исследований.
Несмотря на его настойчивость в том, что диск ведет себя в рамках законов физики, он не помешал ему сделать смелые утверждения относительно ЭМ привода. Шовайер заявил, что новый диск создал пузыри для варпа, которые позволяют приводу двигаться, утверждая, что именно так результаты теста были достигнуты. Такие утверждения заслуживают большого интереса, но не имеют четких вспомогательных данных и требуют тщательного тестирования и обсуждения, чтобы серьезно отнестись к утверждениям Шовайера. Будем надеяться, что будут проведены тесты привода, помогающие выяснить, как это работает.
Очевидно, работающий ЭМ двигатель может открыть захватывающие возможности, как для космического, так и для наземного путешествия - не говоря уже о том, чтобы поставить под сомнение наше понимание физики.
