科学家尝试将EmDrive与“飞掠反常”理论之间建立起联系

编者按：科学家开始尝试在似乎不可能的“微波相对论引擎”（EmDrive）与令人感到困惑的“飞掠反常”理论之间建立起联系，因为后者或许可以解释前者如何产生推力。这样一来，无需燃料的宇宙飞船推进器也会成为可能。

大约10年前，一位名叫罗杰·索耶尔（Roger Shawyer）的默默无闻的工程师提出了一个非常特别的想法。他认为，使微波在一个缺顶圆锥体中来回反弹，就会产生指向锥体窄端的推力。这个理论很有革命性，它使得宇宙飞船可以获得飞向行星和更远处的推力。索耶尔把它称为“EmDrive”（微波相对论引擎）。

不过，索耶尔的理论引起了巨大的争议。这个系统将一种形式的能量转化成动能，很多其他的系统也能做到这一点，因此从这点来说，它没什么特别的地方。真正的问题来自动量：当这个系统开始运动的时候，它的总动量增加。但是这些动量来自哪里呢？索耶尔并没有给出令人信服的解释，而批评者则认为这显然违反了动量守恒定律。

作为回应，索耶尔给出的实验结果证明了这台设备可以像他声称的那样工作。但是他的批评者们并没有被说服。他们认为EmDrive就相当于站在一个盒子里通过推盒子的一边来产生推力一样。换句话说，EmDrive完完全全就是骗人的把戏。

然而自从那时起，却发生了很多有意思的事情。来自世界各地的不同团队开始提出各自版本的EmDrive，并且不断将研究工作向前推进。出人意料的是，他们已经可以重复索耶尔的实验结果。因此，EmDrive看起来真的可以产生推力。

2012年，一个中国团队宣布他们测量了自己研制的EmDrive产生的推力。2014年，一位美国科学家建造了一台EmDrive并且说服美国国家航空航天局（NASA）对它进行测试。2015年，NASA在真空中完成了测试（在真空中做实验可以将空气的运动作为力的来源的可能性排除在外）。NASA的实验也证实了EmDrive产生了推力。这样一来，先后共有6个独立的实验支持索耶尔的理论。这就留下了一个非常棘手的问题：如何解释动量守恒定律看起来被破坏了呢？

得益于英国普利茅斯大学的麦克·麦卡洛克（Mike McCulloch）的工作，现在我们可以得到一个答案。麦卡洛克的理论以一种新的惯性理论为基础，这种理论可以对物体在非常小的加速度下的运动方式作出惊人的预测。

惯性是有质量的物体对运动或者加速过程中的变化的阻抗作用。在现代物理学中，惯性被当作是有质量的物体的基本性质。质量确实可以被认为是惯性的量度，但是几个世纪以来，惯性究竟为何存在却一直困扰着科学家。

麦卡洛克认为惯性来源于盎鲁辐射（Unruh radiation），这是一种广义相对论预言的效应，由威廉·盎鲁（WilliamGeorge Unruh）在1976年提出。这是一个关于加速物体会感受到黑体辐射的理论。换句话说，当你加速的时候，会感觉宇宙在变暖。而根据麦卡洛克的说法，惯性就是盎鲁辐射施加在加速物体上的压力。

通常我们用在地球上观察到的加速度是很难验证这个理论的。但是，当加速度更小而盎鲁辐射的波长变大的时候，我们就会有新的发现。在非常小的加速度下，波长变得足够大而不再适用于可观测的宇宙。这个时候，惯性只能取某些值，并且从一个值跳到下一个。换句话说，在加速度很小的时候，惯性必须是量子化的。

麦卡洛克表示，在著名的“飞掠反常”理论（fly-by anomaly）中，可以找到支持这种说法的可观测的证据。“飞掠反常”指的是一些宇宙飞船掠过地球飞向其他行星时，观察到的动量会发生奇怪的跳跃，而这正是麦卡洛克的理论所预言的。

在地球上上更加仔细地验证这个理论非常困难，因为其中的加速度实在是太小了。但是有一种方法可以使这变得容易一些，那就是缩小盎鲁辐射所允许的波长的大小。麦卡洛克认为这也许就是EmDrive正在做的。

如果光子有惯性质量，那当它们反射的时候一定会感受到惯性。但是，在这种情况下盎鲁辐射是很小的。事实上，盎鲁辐射会与即时环境相互作用。在EmDrive的例子中，这个环境就是缺顶圆锥体。

圆锥体允许盎鲁辐射在较大的一端是某个值，而在另一端具有较小的波长。因此，腔内光子的惯性在来回反弹的过程中必须改变。同时为了保持动量守恒，一定要产生一个推力。

麦卡洛克检验这个理论的方法是去预测推力的大小。因为这个问题存在于三维空间中，因此精确的计算是非常复杂的，但是在迄今为止所有的实验中，近似的结果与推力的数量级都是相吻合的。

尤其重要的是，麦卡洛克的理论做出了两项可测试的预言。第一个是在腔内放入一个绝缘体可以增强推进器的效率。第二项是改变腔的维度可以反转推力的方向，当盎鲁辐射更好地符合较小一端而非较大一端的尺寸时会发生这种现象。改变腔内光子的频率也可以获得相似的效应。

麦卡洛克表示有证据表明这种效应确实会发生。“在NASA近期的实验中也许就会观察到这种推力反转”，他说到。

这是一个令人感兴趣的观点。索耶尔的EmDrive有使宇宙飞船发生革命性变化的潜力，因为它不需要推进剂，而这恰好是目前推进系统中最大的限制因素。但是因为缺乏任何关于它的工作原理的有说服力的解释，所以科学家和工程师们的谨慎也是可以理解的。

麦卡洛克的理论有助于改变这种情况，虽然这并不是一个主流的观点。它做出了两个很有挑战性的假设：一是光子具有惯性质量，二是腔内的光速必须变化。对于很多理论物理学家们来说，接受这些并不容易。

但是，当更多对于索耶尔的EmDrive的实验验证出现的时候，理论物理学家们却变得有些尴尬。如果麦卡洛克的解释不正确的话，我们又该怎么解释呢？编者按：科学家开始尝试在似乎不可能的“微波相对论引擎”（EmDrive）与令人感到困惑的“飞掠反常”理论之间建立起联系，因为后者或许可以解释前者如何产生推力。这样一来，无需燃料的宇宙飞船推进器也会成为可能。

大约10年前，一位名叫罗杰·索耶尔（Roger Shawyer）的默默无闻的工程师提出了一个非常特别的想法。他认为，使微波在一个缺顶圆锥体中来回反弹，就会产生指向锥体窄端的推力。这个理论很有革命性，它使得宇宙飞船可以获得飞向行星和更远处的推力。索耶尔把它称为“EmDrive”（微波相对论引擎）。

不过，索耶尔的理论引起了巨大的争议。这个系统将一种形式的能量转化成动能，很多其他的系统也能做到这一点，因此从这点来说，它没什么特别的地方。真正的问题来自动量：当这个系统开始运动的时候，它的总动量增加。但是这些动量来自哪里呢？索耶尔并没有给出令人信服的解释，而批评者则认为这显然违反了动量守恒定律。

作为回应，索耶尔给出的实验结果证明了这台设备可以像他声称的那样工作。但是他的批评者们并没有被说服。他们认为EmDrive就相当于站在一个盒子里通过推盒子的一边来产生推力一样。换句话说，EmDrive完完全全就是骗人的把戏。

然而自从那时起，却发生了很多有意思的事情。来自世界各地的不同团队开始提出各自版本的EmDrive，并且不断将研究工作向前推进。出人意料的是，他们已经可以重复索耶尔的实验结果。因此，EmDrive看起来真的可以产生推力。

2012年，一个中国团队宣布他们测量了自己研制的EmDrive产生的推力。2014年，一位美国科学家建造了一台EmDrive并且说服美国国家航空航天局（NASA）对它进行测试。2015年，NASA在真空中完成了测试（在真空中做实验可以将空气的运动作为力的来源的可能性排除在外）。NASA的实验也证实了EmDrive产生了推力。这样一来，先后共有6个独立的实验支持索耶尔的理论。这就留下了一个非常棘手的问题：如何解释动量守恒定律看起来被破坏了呢？

得益于英国普利茅斯大学的麦克·麦卡洛克（Mike McCulloch）的工作，现在我们可以得到一个答案。麦卡洛克的理论以一种新的惯性理论为基础，这种理论可以对物体在非常小的加速度下的运动方式作出惊人的预测。

惯性是有质量的物体对运动或者加速过程中的变化的阻抗作用。在现代物理学中，惯性被当作是有质量的物体的基本性质。质量确实可以被认为是惯性的量度，但是几个世纪以来，惯性究竟为何存在却一直困扰着科学家。

麦卡洛克认为惯性来源于盎鲁辐射（Unruh radiation），这是一种广义相对论预言的效应，由威廉·盎鲁（WilliamGeorge Unruh）在1976年提出。这是一个关于加速物体会感受到黑体辐射的理论。换句话说，当你加速的时候，会感觉宇宙在变暖。而根据麦卡洛克的说法，惯性就是盎鲁辐射施加在加速物体上的压力。

通常我们用在地球上观察到的加速度是很难验证这个理论的。但是，当加速度更小而盎鲁辐射的波长变大的时候，我们就会有新的发现。在非常小的加速度下，波长变得足够大而不再适用于可观测的宇宙。这个时候，惯性只能取某些值，并且从一个值跳到下一个。换句话说，在加速度很小的时候，惯性必须是量子化的。

麦卡洛克表示，在著名的“飞掠反常”理论（fly-by anomaly）中，可以找到支持这种说法的可观测的证据。“飞掠反常”指的是一些宇宙飞船掠过地球飞向其他行星时，观察到的动量会发生奇怪的跳跃，而这正是麦卡洛克的理论所预言的。

在地球上上更加仔细地验证这个理论非常困难，因为其中的加速度实在是太小了。但是有一种方法可以使这变得容易一些，那就是缩小盎鲁辐射所允许的波长的大小。麦卡洛克认为这也许就是EmDrive正在做的。

如果光子有惯性质量，那当它们反射的时候一定会感受到惯性。但是，在这种情况下盎鲁辐射是很小的。事实上，盎鲁辐射会与即时环境相互作用。在EmDrive的例子中，这个环境就是缺顶圆锥体。

圆锥体允许盎鲁辐射在较大的一端是某个值，而在另一端具有较小的波长。因此，腔内光子的惯性在来回反弹的过程中必须改变。同时为了保持动量守恒，一定要产生一个推力。

麦卡洛克检验这个理论的方法是去预测推力的大小。因为这个问题存在于三维空间中，因此精确的计算是非常复杂的，但是在迄今为止所有的实验中，近似的结果与推力的数量级都是相吻合的。

尤其重要的是，麦卡洛克的理论做出了两项可测试的预言。第一个是在腔内放入一个绝缘体可以增强推进器的效率。第二项是改变腔的维度可以反转推力的方向，当盎鲁辐射更好地符合较小一端而非较大一端的尺寸时会发生这种现象。改变腔内光子的频率也可以获得相似的效应。

麦卡洛克表示有证据表明这种效应确实会发生。“在NASA近期的实验中也许就会观察到这种推力反转”，他说到。

这是一个令人感兴趣的观点。索耶尔的EmDrive有使宇宙飞船发生革命性变化的潜力，因为它不需要推进剂，而这恰好是目前推进系统中最大的限制因素。但是因为缺乏任何关于它的工作原理的有说服力的解释，所以科学家和工程师们的谨慎也是可以理解的。

麦卡洛克的理论有助于改变这种情况，虽然这并不是一个主流的观点。它做出了两个很有挑战性的假设：一是光子具有惯性质量，二是腔内的光速必须变化。对于很多理论物理学家们来说，接受这些并不容易。

但是，当更多对于索耶尔的EmDrive的实验验证出现的时候，理论物理学家们却变得有些尴尬。如果麦卡洛克的解释不正确的话，我们又该怎么解释呢？