Ciekawy związek między anomalią przelotu a niemożliwym sterem strumieniowym EmDrive

Około 10 lat temu mało znany inżynier lotniczy Roger Shawyer wygłosił niezwykłe twierdzenie. Weź ścięty stożek, powiedział, odbijaj w nim mikrofale tam iz powrotem, a rezultatem będzie pchnięcie w kierunku wąskiego końca stożka. Voila… rewolucyjny silnik, zdolny do wysyłania statków kosmicznych na planety i dalej. Shawyer nazwał to EmDrive.

Ogłoszenie Shawyera było bardzo kontrowersyjne. System zamienia jeden rodzaj energii na energię kinetyczną i istnieje wiele innych systemów, które robią coś podobnego. Pod tym względem jest nijaki.

Problemy koncepcyjne pojawiają się z rozmachem. Całkowity pęd systemu wzrasta, gdy zaczyna się poruszać. Ale skąd bierze się ten pęd? Shawyer nie miał przekonującego wyjaśnienia, a krytycy stwierdzili, że było to oczywiste naruszenie prawa zachowania pędu.

Shawyer odpowiedział eksperymentalnymi wynikami pokazującymi, że urządzenie działało tak, jak twierdził. Ale jego krytycy nie byli pod wrażeniem. Mówili, że EmDrive jest równoznaczny z generowaniem pchnięcia przez stanie wewnątrz pudełka i pchanie na boki. Innymi słowy, był to olej z węża.

Od tego czasu wydarzyło się coś ciekawego. Różne zespoły na całym świecie zaczęły tworzyć własne wersje EmDrive i testować je. I ku zaskoczeniu wszystkich, zaczęli odtwarzać wyniki Shawyera. Wygląda na to, że EmDrive naprawdę wytwarza ciąg.

W 2012 roku chiński zespół powiedział, że zmierzył siłę ciągu wytworzoną przez własną wersję EmDrive. W 2014 roku amerykański naukowiec zbudował EmDrive i przekonał NASA do przetestowania go z pozytywnymi wynikami.

A w zeszłym roku NASA przeprowadziła własne testy w próżni, aby wykluczyć ruch powietrza jako źródło siły. NASA również potwierdziła, że ​​EmDrive wytwarza ciąg. W sumie sześć niezależnych eksperymentów poparło oryginalne twierdzenia Shawyera.

To pozostawia ważną zagadkę – jak wytłumaczyć pozorne naruszenie zasady zachowania pędu.

Dziś otrzymujemy pewnego rodzaju odpowiedź dzięki pracy Mike'a McCullocha z Plymouth University w Wielkiej Brytanii. Wyjaśnienie McCullocha opiera się na nowej teorii bezwładności, która zawiera zaskakujące przewidywania dotyczące ruchu obiektów przy bardzo małych przyspieszeniach.

Najpierw trochę tła. Bezwładność to opór wszystkich masywnych obiektów na zmiany ruchu lub przyspieszenia. We współczesnej fizyce bezwładność traktowana jest jako podstawowa właściwość masywnych obiektów poddanych przyspieszeniu. Rzeczywiście, masę można traktować jako miarę bezwładności. Ale dlaczego bezwładność w ogóle istnieje, od wieków intrygowała naukowców.

Pomysł McCullocha polega na tym, że bezwładność wynika z efektu przewidywanego przez ogólną teorię względności zwanego promieniowaniem Unruha. Jest to pogląd, że przyspieszający obiekt doświadcza promieniowania ciała doskonale czarnego. Innymi słowy, wszechświat nagrzewa się, gdy przyspieszasz.

Według McCullocha bezwładność to po prostu ciśnienie, jakie promieniowanie Unruha wywiera na przyspieszające ciało.

Trudno to przetestować przy przyspieszeniach, które zwykle obserwujemy na Ziemi. Ale rzeczy stają się interesujące, gdy przyspieszenia są mniejsze, a długość fali promieniowania Unruha rośnie.

Przy bardzo małych przyspieszeniach długości fal stają się tak duże, że nie mogą już zmieścić się w obserwowalnym wszechświecie. Kiedy tak się dzieje, bezwładność może przyjmować tylko pewne wartości na całej długości fali, a więc przeskakuje z jednej wartości do drugiej. Innymi słowy, bezwładność musi być skwantowana przy małych przyspieszeniach.

McCulloch twierdzi, że istnieją na to dowody obserwacyjne w postaci słynnej muchy przez anomalie. Są to dziwne skoki pędu obserwowane w niektórych statkach kosmicznych, gdy przelatują obok Ziemi w kierunku innych planet. To jest dokładnie to, co przewiduje jego teoria .

Dokładniejsze przetestowanie tego efektu na Ziemi jest trudne, ponieważ związane z tym przyspieszenia są tak małe. Ale jednym ze sposobów, aby to ułatwić, byłoby zmniejszenie rozmiaru dozwolonych długości fal promieniowania Unruha. To właśnie może robić EmDrive, mówi McCulloch.

Chodzi o to, że jeśli fotony mają masę bezwładną, muszą doświadczyć bezwładności podczas odbijania. Ale promieniowanie Unruha w tym przypadku jest niewielkie. Tak mały, że może wchodzić w interakcje z najbliższym otoczeniem. W przypadku EmDrive jest to stożek ścięty.

Stożek pozwala na promieniowanie Unruha o określonej wielkości na dużym końcu, ale tylko o mniejszej długości fali na drugim końcu. Tak więc bezwładność fotonów wewnątrz wnęki musi się zmieniać, gdy odbijają się w przód iw tył. Aby zachować pęd, musi to generować pchnięcie.

McCulloch sprawdza tę teorię, używając jej do przewidywania sił, które musi wytworzyć. Dokładne obliczenia są skomplikowane ze względu na trójwymiarową naturę problemu, ale jego przybliżone wyniki odpowiadają rządowi wielkości ciągu we wszystkich dotychczas przeprowadzonych eksperymentach.

Co najważniejsze, teoria McCullocha zawiera dwie sprawdzalne prognozy. Po pierwsze, umieszczenie dielektryka wewnątrz wnęki powinno zwiększyć skuteczność pędnika.

Po drugie, zmiana wymiarów wnęki może odwrócić kierunek ciągu. Stałoby się tak, gdyby promieniowanie Unruha lepiej pasowało do rozmiaru wąskiego końca niż dużego. Podobny efekt można osiągnąć poprzez zmianę częstotliwości fotonów wewnątrz wnęki.

McCulloch mówi, że istnieją dowody na to, że właśnie tak się dzieje. To odwrócenie ciągu można było zaobserwować w ostatnich eksperymentach NASA, mówi.

To ciekawy pomysł. EmDrive Shawyera może zrewolucjonizować loty kosmiczne, ponieważ nie wymaga paliwa, największego czynnika ograniczającego w dzisiejszych systemach napędowych. Ale z powodu braku przekonującego wyjaśnienia, jak to działa, naukowcy i inżynierowie są, co zrozumiałe, ostrożni.

Teoria McCullocha mogłaby to zmienić, chociaż nie jest to idea mainstreamowa. Zawiera dwa trudne założenia. Po pierwsze, fotony mają masę bezwładną. Po drugie, prędkość światła musi się zmieniać we wnęce. Wielu teoretyków nie będzie to łatwe do zniesienia.

Ale w miarę pojawiania się kolejnych eksperymentalnych potwierdzeń EmDrive Shawyera, teoretycy są zmuszeni do znalezienia się w trudnej sytuacji. Jeśli nie wyjaśnienie McCullocha, to co?

Nr ref.: arxiv.org/abs/1604.03449 : Testowanie skwantowanej bezwładności na EmDrive

ukryć