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再谈能否利用虫洞或曲相推进实现超光速宇宙航行改

已有 373 次阅读 2022-5-23 09:46 |个人分类:超光速|系统分类:论文交流

再谈能否利用虫洞或曲相推进实现超光速宇宙航行

                       黄志洵

(中国传媒大学信息工程学院  北京100024

编者按:原公式8 有错误,现在更正一下如下,其他全文未变:

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 原文可点击下载:2-人类能否利用虫洞或曲相推进实现超光速宇宙航行.docx

如果链接过期可寄信向黄志洵教授索取 邮箱为:huangzhixun75@163.com

摘要:久前,科学刊物European Physics Journal C》报道了美国物理学家H.White领导的超光速宇宙航行研究方法是使用1994M.Alcubierre提出的曲相推进warp drive理论。据说已经由数值模拟建立了纳米级尺寸的曲速泡(warp bubble。在中国,经由《科技日报》报道并采访理论物理学家后,引起了广泛的兴趣。本文作者对超光速问题曾研究多年,是一篇参加讨论科学文。

在超光速宇宙航行的可实现性这一问题上,许多物理学家绕开狭义相对论(SR)造成的困难,反复向广义相对论(GR)求助。本文认为不应当、也不需要这样做。因为SR对超光速运动的禁令是错误的,对其可以置之不理。……本文还认为,对同一个超光速宇宙航行的问题,理论物理学家与航空、航天专家(以及工程技术专家)的思考会不相同;对这一点,把本文的前半部分与后半部分对比,就可以清楚地看出:一种人注重学分析;后一种人认为数学分析是必须,但应更重视研究物理实在(physical reality)

虫洞或曲相推进都要求极度的时空弯曲和极大的负能量,不具有可实现性。因此本文提出当前仍应把注意力放在基础研究上。例如可以借鉴航空工程中突破声障(sonic barrier)实现超声速飞行的经验;也可以改造现有的高能粒子加速器以寻找超光速粒子等等。……关于负能量和特殊物质,我们认为最早由P. Driac提出的负能量概念,只是一种分析的手段或工具,实际上不一定存在。尽管如此,本文也提供了几种可能产生负能量的方法,以供探讨。最后,本文论述了电磁推进(EM drive)的发展,指出航天界可以作实在的研发,比Warp drive的脱离实际的空谈要好得多。

关键词:超光速;狭义相对论;广义相对论;光障;负能量;曲相推进;电磁推进

 

 

1  引言

飞出地球系统叫做航天(space flight)飞出太阳系才叫(astronautics)宇宙实在是太大了——半人马座的比邻星距地球4.3ly,天狼星距地球8.8ly(ly是光年,1ly=9.5×1012km)真空中光速C=299792458m/s=~3×105km/s,按光速前进到那里也要好几年!Einstein[1]1905年论文论动体的电动力学提出了狭义相对论(SR),这个理论断言不可能有超光速运。但是,Einstein[2]1915年论文提出了广义相对论(GR),一些物理学家认为,根据GR的时空弯曲理论,或许可以有超光速运而又不违反SR1988年,M.MorrisK.Thorne[3]PRL杂志上发表论文,题为虫洞、时间机器和弱能量条件;论文说,虫洞(worm holes)可以解决星际旅行的困难,只要为时空(spacetime)构建非常大的曲率。可以设法建立星际旅行所需的虫洞并保持之;而且由虫洞甚至可创建时间机器(time machine)并对因果律造成冲击。2000L.Ford[4]在论文中说,如虫洞能存在,它将成为通往遥远地方的球状入口;它虽不违反现有物理定律,但它要求有大量的负能量。由于负能量的力是斥力,它可防止虫洞坍缩。而且,与空间弯曲起会聚透镜作用不同,负能量对光线起发散透镜作用,这对向虫洞的进入和从虫洞的输出是必须的。

相对论学者提出一种建基于GR而又不违反SR的超光速宇航方案——曲相推进(warp drive)1994M.Alcubierre[5]根据GR理论设想了一种实现超光速宇航的方法:由扭曲的时空建立一种时空泡(或称曲速泡”),飞船就在它的内部。如果同时使泡前方的时空收缩而后方的时空胀大,就可造成与目的地的距离缩短、与出发地的距离加大。这就相当于飞船在前进,而实际上它相对于邻近世界静止未动,当然也就不必顾虑SR理论的光速上限,亦即在使飞船以超光速前进时却不违反物理学的主流理论。但计算表明这要求负能量包围飞船。鉴于能量守恒定律不能违反,巨大的负能量要等量的巨大正能量相伴相生。没人知道怎样获得这些巨大能量,方案即使没有错误也是无法实现的科幻小说。因此除了在拍科幻电影时使用这一概念,在科学界一直无人重视。

虫洞和曲相推进是GR理论的产物,建基于时空一体化和弯曲时空的理念。虽然人人都知道SR断言不可能有超光速运动,但GR在实际上却否定了这一说法,表明相对论内部有不自洽性。但这些研究都断言需要有能量为负的奇异物质

笔者本来是不接受时空一体化和弯曲时空的[6,7];现在暂把个人观点放在一边讨论问题。我们注意到虽然许多物理学家拥护相对论,但却坚定地认为一定要争取在未来实现超光速宇宙航行,以便使人类能飞出太阳系(甚至银河系)进行探索,这与笔者的观点一致。美国的研究向(例如K.Thorne对虫洞的坚持和H.White对曲相推进的坚持),使这个问题再次出现在广大公众面前。因此,笔者决定参加讨论,贡献自己的一些观点。

举例说,2012年秋季美国航天局(NASA)的科学家H.White在有关学术会议上说,可以通过改进曲速泡的形状来减低对能量的不实际的要求。他的意见以及NASA为此召开的会议都令人鼓舞。2022年初,《European Phys. Jour. C》杂志发表消息称,White率领团队做出了纳米级曲速泡[8];人们的兴趣也大大增强了。

 

2  虫洞与时空弯曲

2014年,美国科幻影片《星际穿越》(Interstellar)在各国热映。故事设想在未来地球人类濒临灭绝,NASA设法使人们先离开地球飞往土星,然后再通过虫洞前往另一个银河系。由于费时极少而距离极大(5×106ly),由土星轨道到达仙女座星系中心的旅行是以超光速完成的,该影片在加州理工学院(CIT)物理学家Kip Thorne(虫洞理论提出者之一)参与下完成。由于有虫洞这样的特殊时空隧道,把一端设在土星轨道,另一端设在仙女星系的中心,而一位男主角可以在片刻之间完成即便是光也要耗时超过500万年才能走完往返的星系穿越。这是影片中引人入胜的部分。

GR诞生之初的1916年,L.Flamm[9]指出,如适当选择拓扑,Einstein引力场方程的Schwarzschild解描写了空的球形虫洞。这是最早的发现,当时距引力场方程发表才几个月。1935EinsteinN.Rosen提出,虫洞实际上是发生了翘曲的变形空间,它可以把宇宙时空中两个不同的点连接起来。其结果便是一种可直可弯的隧道状结构。因此,虫洞是一条穿越时空的隧道,穿过它便能实现遥远地点之间几乎即时到达的旅行。20世纪50年代有J.Wheeler等、80年代有K.Thorne等继续研究。

又有人想象出一种超空间”(superspace),可把我们宇宙的弯曲空间和别的宇宙的弯曲空间画成嵌在高维超空间里的2D画面。超空间不过是想象出来的工具,但对说明虫洞有用。Thorne[10]想象虫洞是穿过超空间的,它可有2个洞口,例如1个在地球而另1个在织女星;两洞口通过超空间的隧道相联,或许长度只有1km。这样,从地球附近的口进去,可从26ly远的织女星附近的口出来。有一个著名的示意图——在把我们的宇宙想象为2D曲面而又强烈弯曲,沿曲面(它经过超空间)的距离是26ly,但连结两洞口的距离是1km,那个图似乎来自Wheeler论文,Wheeler的年轻助教M.Kruskal从引力场方程求解中发现了球状虫洞的演化过程——开始时没有虫洞,在地球和织女星附近各有一个奇点;然后二者可能在超空间中生长、相遇,再湮灭,而湮灭时生成虫洞。后来它会收缩、消失。虫洞从产生到消失的时间非常短。

Thorne[10]根据引力场方程作计算导致如下发现:需要用某种奇异物质提供引力作用把洞壁撑开;贯穿虫洞的奇异物质应有负能量密度;但这是指从穿过虫洞的光束看来如此,对虫洞参考系而言能量密度仍为正值。前已述及,Wheeler认为根据他的量子泡沫假设(即在任何时候虚粒子都十分怪异地不停出现并消失的理论),虫洞有可能是自生自灭的。不幸的是,Wheeler的理论认为这些忽隐忽现的虫洞十分微小,仅达到Planck长度量级,即长度大约为10-33cm。换句话说,虫洞小得几乎是不可能测量的。为了使它们变大,必须要有奇异物质;因为奇异物质的负特性或许会把虫洞的周边向外推,使之变得足够大和足够稳定,以容纳人或宇宙飞船通过。

虫洞如要能穿行,起码要容许信号以光的形式通过。入口处光是会聚的,出口处是发散的。为了在虫洞中间某处使会聚光变成发散光,必须用负能量完成这种转换。而且,由于负能量的引力其实是斥力,就可以防止虫洞坍缩。……故一切均取决于产生负能量的可能性。1978年美国物理学家L.Ford提出了称为量子不等性”(quantum inequality)的理论,说容许的负能量的多少反比于其时间和空间尺度,亦即越大的负能量存在的持续时间越短;反之,如负能量弱,则可持续较长时期。此外,负能量越大,对应的正能量就与之越靠近。在Casimir效应中[11,12],为了获得较大负能量,两板块就要靠得非常近。1996Ford[13]证明虫洞半径小于10-30cm;如要得到宏观尺寸的虫洞,负能量就要集中在非常薄(例如10-19cm)的区域。……总之尽管量子理论允许负能量存在但严格限制了负能量的大小和持续时间,使得现阶段的虫洞成为一件没有实际意义的构想。

FordRoman解释了与负能量相关的自然规律。有一些机制(例如使黑洞与热力学相容)显示,负能量必须要有。但又指明不可能不受限制地产生负能量,因为这会与热力学第二定律发生矛盾。比方说,想象有一台奇异物质发生器向外稳定地供给负能量流;然而由于能量守恒定律,它必然有作为副产品的正能量流。如果人们把这二者引向不同方向,对正能量区域而言,成为一种用不尽的能源,从而可以制成永动机;但根据热力学第二定律这是不可能的。

FordRoman的论文平直时空中对负能密度的限制说,与经典物理不同,在量子场理论中在一个时空点上能量密度可以不受限制地成为负值。这就违背已知的经典能量条件,例如弱能量条件。特定例子如Casimir效应和光的压缩态(squeezed states),它们都有实际观测的支持。黑洞蒸发的理论预期也包括负能密度。但在另一方面,量子场论的定律若对负能

量不加限制,就可能产生违反热力学第二定律的显著宏观效应,如虫洞、曲相推进、时间机器等。

FordRoman导出了惯性系观察者所看到的负能量界限,这是针对4Minkowski时空(平直时空)的自由无质量标量场的。对负能的幅度和持续时间的限制;采用与不确定性原理相似的形式,量子不等性写作

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或场分布的能量-动量张量生成了具有曲相驱动度规的场方程的解,其中负物质密度可能不是获得曲相速度的严格先决条件

但是,笔者认为可以不求助负能量密度,这个论点仍须经过时间的检验,因为上述情况仅为流体力学的分析结果。

 5  时空一体化在概念上的混乱

我们已经在前面对虫洞和曲相推进的基本理论作详细的讨论。这是违反笔者本意的,因为从根本上讲,我们并不赞成相对论[6,7],尤其不同意它的两个立论基础——时空一体化和时空弯曲。众所周知,无论SRGR均以时空一体化作为出发点,这个概念来自Minkowski;所有相对论著作都大谈space-time(spacetime),但这个spacetime究竟是什么意思?其实人们并不真的了解。教科书中的描述给人的感觉是,Minkowski的处理方式虽在数学表达上有某些好处,但恰恰违反了物理真实性(physical reality)。把空间矢量与时间矢量相加,在实际上不可能,也没有意义。从根本上讲不应把时间和空间混为一谈。我们认为,空间是连续的、无限的、三维的、各向同性的;时间是物质运动的持续和顺序的标志,是连续的、单向的、均匀流逝无始无终的。空间、时间都不依赖于人们的意识而存在。而且,空间是空间,时间是时间;它们都是描述物质世界的基本量。所谓spacetime在计量学及国际单位制SI中是不存在的,也不具有可测量的特性。人为地以不同量纲的物理量来构造一个新的参量(所谓4D时空),从而把时间和空间这两个完全不同的物理学概念混为一谈,是缺乏合理性的作法。

因此,在写作本文时笔者是违反自己的本意,尽量站在相对论者(包括ThorneAlcubierre)的立场,去考虑飞船作超光速宇宙航行的可能性。可是,我们看到的却是基本概念的混乱;现以文献[8]为例作说明。当然我们不是在这里指责[8]的撰写者及采访对象,而是说相对论确有这种概念上的漏洞和混乱。[8]引用日本物理学家加来道雄的话说,超光速移动有两种途径:延伸空间(例如曲速引擎)和卷曲空间(例如虫洞)”——这里他是说空间而非时空[8]又说,曲速泡附近的时空扭曲得非常厉害;但在后面却说:曲速引擎的超光速可以归结为空间膨胀。那么,到底是时空在扭曲,还是空间在扭曲?!相对论本身(以及崇信它的人们)确实常把时空空间混为一谈。这是不能允许的,因为既然整个相对论都建基于时空一体化的基础之上,怎能用空间取代时空”?!但是,从warp drive的物理意义来看,确实可以用飞船前面的空间在压缩,同时飞船后面的空间在扩张,来说明实际上发生了什么事。既如此,有space这个概念就够了,可以用不着spacetime了;但这还是相对论吗?!

本来是研究warp drive的文章,却不得不停下来讨论时空一体化,这是令人遗憾的。空间的标志物是长度,单位是米;时间的单位是秒。但时空(spacetime)却无法作为一个独立物理量存在和挺立,也不能赋与它专有的单位。在天文学及宇宙学中,按GR的说法物质使时空弯曲,实际上常常是指物质使空间弯曲时间弯曲的说法一直都是莫明其妙的——“时间如何能弯曲”? 弯曲是一种属于几何学的位形描述,对于不可见的时间而言,说时间弯曲与否没有意义,是不通的说法。这一概念不具有物理实在性。……这些老问题如今却影响我们对warp drive的讨论,使得求助GR以实现超光速旅行成为空洞而不切实际的想法。

 6  怎样获得负能量

负能量概念最早是在20世纪20年代由P. Dirac提出的,按照他的理念发现了正电子(positron),这也是最早发现的反物质。但Dirac只是使用这种概念来分析问题,他并未说自然界可能有负能量物质可以人工制造负能量,而正电子也是携带正能量的。超光速研究使这个负能量问题突出起来,故有讨论的必要。

GR理论的核心是时空弯曲。通常物质赋于时空以正曲率,如同一个球面。虫洞理论引出时间机器,该理论说为了作时间旅行(回到过去),时空需有负曲率,如同一个马鞍形。但这种形象化比喻或许不好理解;warp drive似乎也要求负曲率时空……。关键之点在于,量子定律(它以不确定性原理为基础)允许在一些地方的能量密度为负,只要它可以由其他地方的正能量密度作补偿,使总能量密度保持正值[22]

值得称道的是,早在1968G. Feinberg[22]在其超光速粒子的可能性的论文中就论述了负能量这一命题。他说:超光速粒子有别的问题,其产生是由于下述事实:对于相空间的动量矢量,可由Lorentz变换改变能量的符号。在波方程的正、负能量解之间比相时间动量包含有更直接的联系。这个联系想来含有超光速粒子,必须包括负能态的存在。然而,我们将看到为超光速粒子的负能解十分相似于为普通粒子所用者,即在量子场理论中这些解是与产生算符代替湮灭算符相联系着。实际上,Feinberg是指出超光速问题与负能量概念有关的第一人。但也要看到他的思想是矛盾的——如果说超光速粒子携带的是负能量,则导致负质量;但Feinberg快子(tachyon)理论的核心却是虚质量image.png,这两者并不能兼容。

后来,多国科学家指出,任一种超光速宇航方案都要用负能量——俄罗斯天文学家S.Krasnikov(提出一种单向超光速通行的时空管道,但与虫洞不同),以及美国的K.Olum,英国的B.Bassett等人,都是这个意见。

现在,我们讨论获取负能量的几种可能方法,但它们并非肯定能成功,提出来只是为了活跃思想:

A. 利用压缩真空态

量子真空概念与经典真空概念不同;因为有起伏和涨落,表示存在一种虚激发过程,虚粒子们(virtual particles)不断自发地冒出又消失。有涨落的真空对应的平均能量密度为零,但科学家们想出的方法有可能使其小于零。例子之一是压缩真空态,使空间某处为正能量而在另一处为负能量,但在整个空间二者保持平衡。据说,使激光束穿越非线性光学材料就能有这种效果[参看R.Slusher1988年的文章挤压光”];由于光子们增强或抑制真空涨落,从而造成交替的正、负能量。

B. 利用强引力产生负能粒子

英国物理学家S.Hawking[23]认为真空有虚粒子对存在包括这种情形——一个是粒子而另一个是反粒子;它们先一同创生,然后分开,再会合到一起并且湮灭。由于能量不能无中

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扰动近似理论,声速点也是无限大;拿亚声速方程计算超声速,也有虚数产生。但力学家无...人认为...应做时空描述。……理想流体可压缩流动的算法本含有尺缩变换,但空气力学家称为压缩变换,本质上相同。

对于改造现有加速器以进行寻找特殊电子(meta-electron)一事,笔者认为应当吸取设计超声速飞机时采用 Laval 管的经验。恰好笔者是研究微波技术中波导理论的专家,专著《An Introduction to the Theory of Waveguide Below Cutoff》[50],曾获优秀科技图书的国家奖。截止波导内的特殊功能(场强自起点按指数率下降),以及书中曾谈到 Conic Waveguide Below Cutoff(圆锥状截止波导),用到加速器改造上可能是合适的;故特写下这段文字以供参考。 

 Ⅳ.  应当考虑航天专家的独特见解 

理论物理学家是受人尊敬的,但他们也有弱点。例如以数学代替物理,甚至某个公式过不去就会认为整个工程都不可进行。中国已是航天大国,它培养了许多航天专家,其中也有人关心未来能否以超光速作宇宙航行的问题。他们的意见很有启发性,这里举两个例子。 

第一个例子是宋健院士,他是工程控制论专家、航天技术专家,过去曾任中国航天工业部的副部长兼总工程师;2004 年他在一个学术会议上说[51]:“现在的火箭发动机主要是化学燃料发动机,速度只有v < 10-5 c 。未来的氘聚变发动机,速度或许能高达(0.05~0.1)c 。如果飞船速度接近光速,甚至超过光速,那么往返最近的恒星只需数年。……Einstein 在 1905 年论文中设想了一个光障(light barrier),说超光速不可能;

但这只是猜测....,不是科学定律,因为无实验根据。从技术角度看光障,用光学或雷达往返信号时间之半去测距,这是看不到速度 v ≥ c 的目标的,也就无法判断那里的情况。因此,不了解超光速状况不能成为它不存在的理由。……另外,从数十年的航天技术实践检查 SR 的计算结果,发现即使是 v « c 的情况,自主导航的工程实践也与 SR 动力学发生某些冲突。例如,发动机推力依赖于其惯性速度的现象就从未发现过。” 宋健又说: “宇航的光障问题使人想起 20 世纪航空工程中出现的声障问题。超声速飞机出现前都以为飞机接近声速时形成的激波是无法穿过的。但后来由理论分析和风洞实验表明,机头处气体密度只上升不到 6 倍。航空界立即开始设计建造新飞机,于 1947 年实现超声速飞行。……

光障问题是否会含有类似前景呢?” 另一个例子是林金院士,他是中国运载火箭技术研究院研究员,是卫星导航与惯性导航

专家,在同一个学术会议上,林金[51]就自主惯性导航提供一个新理论模型,用来分析处理惯性导航的时间定义、测量机制和超光速运动。他认为,一个运动质点自己可以测量自己相对一个给定惯性系的位置、速度和加速度,作为质点自带的运动钟固有时间的函数。原理上不需要与外界交换信息,不存在任何信号传递的速度问题。自主惯性导航是基于引力场的性质,即使这个世界没有电磁场、没有光,纯惯性系统照样工作,照常自主定位、测速。既如此,3×108m/s 为何会成为速度的极限?!简言之,惯性导航的宇宙飞船的时间定义即飞船运动钟固有时间。只要未来能开发出新型动力源,飞船的速度不存在上限。……林金还认为,应恢复光子和其它微观粒子相同的普通地位,即有静止质量,其速度也不是极限速度。 宋健、林金二位航天专家都是笔者的朋友,而我自己也是一位航天迷。

Ⅲ.  应当在高能加速器上用改进了的技术寻找超光速粒子 

相对论者会说,加速器的技术实践早已表明,提高能量是使粒子(电子或质子)加速飞行的有效手段,甚至是唯一方法。而且加速粒子实际上只能达到非常接近 c 的值,例如0.99999 c ;既如此,Einstein 的 1905 年论述怎么可以反对?……对此笔者提出以下观点;首先,“用现在加速器没有得到过 v = c 或v > c 的粒子”,与“宇宙中没有超光速粒子”,不是一个概念。根据电磁场与电磁波原理设计的加速器,其中飞行的带电粒子速度只能无限接近c 而不能达到 c ,是很自然的,因为电磁波本征速度.......就是 c ;这说明不了问题。其次,我们不否认加大电磁能量能使电子加速,但这与证明 SR 质速方程和整个 SR 能量关系不是一回事。目前完全没有针对中性粒子(如中子、原子)的实验证明,因而提出速度上的普遍限制没有道理。再者,更大的问题在于 Einstein 仅把电子看成一个质量 m 、速度v 的一般动体(general moving body),推导中没有考虑电子是携带电荷的特殊动体............(special moving body),因而缺少一个计入了运动电荷影响的电动力学理论。中国学者进行分析,得到的结果与Einstein 显著不同[48]。 

必须指出,在争取用高能粒子加速器寻找超光速粒子这件事情上,我们争取到加速器专家的支持。例如 2017 年裴元吉教授[

49]在文章“超光速实验方案探讨”中说: “到目前为止,带电粒子动力学都是建立在光速为极限的条件下,即以狭义相对论动力

学为基础的。尽管目前所建造的加速器尚未发现与这一基础理论有矛盾之处,但是设定所有测试粒子运动参数的方法的理论基础也是以相对论为基础的,因此即便有矛盾也很难发现....。

为发现是否存在矛盾,我提出一种试验方法也许可发现一些疑点,如若果真发现,那可以深入开展研究其原因。 

实验装置中,电子枪是能产生能量为几个 Me V、束团长度为 ps(10-12s)级的电子枪(如光阴极微波电子枪、外置阴极独立调谐微波电子枪等);加速管 1、加速管 2 是常规加速结构(其相速度分别为接近 1 和等于 1),它们将电子束加速到电子束的相对能量 =100,即电子束的速度达到 0.99995c ( c 是光速);加速管 3 是采取特殊设计的加速管,使波的相速度大于光速;磁铁分析 1、2 和其后面的荧光靶是用于束流能量测量的装置,其能量分辨率好于 0.1%;束流垃圾箱是用于吸收电子束的装置。K1 是为常规加速管提供微波功率的器件,其脉冲功率约为 50MW,K2 是为超光速相速加速管提供微波功率的器件,其输出功率为25MW;IAΦ 是用于调节进入加速管 3 微波功率的相位和功率的元件”。 

以后,裴教授详细说明了“电子束在加速管 3 中的能量模拟”和“试验方法”,并附有多个计算图表。测量的目标是发现一些特殊现象,进而考虑是否能用“有的电子速度大于光速”来解释。 

2019 年 3 月,笔者收到杨新铁教授发来的《超光速电子加速器探讨》。这是一份由多位专家联名(裴元吉、杨新铁、黄志洵、陈长乐、李开泰、黄艾香、周渭)的研究计划书。在“项目的立项依据”中,提出的理由与裴元吉相似,即“用按 SR 设计的仪器不可能发现 SR 自身的矛盾”。这份报告书提出了探索性实验方案,其中把 3 个加速管的最后一个(3 号加速管)改为一种经特殊设计的超光速加速管......,使其中波的相速度大于光速。期望电子在这里向超光速方向加速(这个区的能量不是增加而是减少)。 

杨教授是空气动力学专家,他认为,在连续介质力学发展中也遇到过这些问题。按照小  20 式发人深省;老实说,这些话是理论物理学家讲不出来的!  

V.  应当重视信息能否以超光速传送的研究 信息、信号并不是实体物质,却也在 SR“禁止超光速运动”的名单上,这是令人奇怪的。2003 年 1 月美国航天局(NASA)1972 年发射的《先驱者-10》探测器飞出了太阳系,但与它联系的时间竟长达 11h,传达指令和通信不能及时完成。相对论不仅认为物体的运动速度不能超光速,信号传播也不能超光速。但在量子理论中却无此限制,2008 年 8 月《Nature》发表了瑞士科学家的实验结果[52],证明量子纠缠态的传播速度是超光速的,即Gv =104 c ~107 c ;这是很重要的进展,增加了我们的信心。有关超光速通信的论述详见文献[53]。 

 

电磁推进(EM drive)是更实用的方法

Warp drive与电磁推进(EM drive)作比较是有意思的,而且可以看出发展的趋势。EM drive这种系统是基于电磁能驱动[54-63],即在无需火箭燃料情况下把电磁能转化为推力。根据经典物理学,这应该是不可能的,因为反了动量守恒定律。该定律认为,如果一个系统受外力作用,那么这个系统的总动量保持不变;这就是为什么传统火箭需要燃料。国外媒体一直说,虽然美国、英国和中国的研究人员对电磁驱动进行了论证,但他们对结果存在争议,因为没人确切地掌握电磁驱动的原理。该项目的核心是个微波谐振腔,也可看成封闭的圆锥状波导(图1)。由于电磁场的非均匀分布,造成推力,使其有向反方向加速运动的趋势。它已走过了早期的默默无闻,如今引起各国科技界、航天界、情报界的高度重视。

 

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1  EM drive示意

(1微波源,2波导,3腔,4推力方向,5加速方向)

 

英国科学发展趋势网站于201482日报道说:不可思议的发动机将永久改变太空旅行,国内《参考消息》报译载时标题为微波发动机或改变太空旅行。文章说,英国高级工程师R.Shawyer可能很快就会引起很多关注。当他刚刚制造出现在称为EM drive的发动机时,还没人把它当回事。但在2012年,这种情况发生了改变,一群中国科学家也建造了这种发动机,而且成功了。这种EM drive结构简单,而且很轻。它的推力是由在密闭容器里回弹的微波产生的。发动机设计极其特别,如果根据传统的力学原理,它根本就无法工作。然而,这个发动机却能用太阳能来提供电力从而产生微波。此外,它还不需要任何形式的推进剂,因此它可以一直使用到硬件停止工作为止。中国科学家制造出了一个能产生720mN力的此类发动机,这足以成为一个卫星推进器。20138月,美国航空航天局(NASA)的一个小组制造出了一个动力稍小、但源于类似理念的发动机。

EM drive有过一个思想混乱的时期。首先,它的力来自何方?这又是一种什么力(例如,是Newton力,还是Casimir)?其次,说它能飞行,但又没有向后喷射物质,是否违反动量守恒原理?中国某大学的研究人员在2011年的论文中证明他们做了有益的工作[64],但在2013年,同一作者却安排了一个微波辐射出口,说是由之可把微波束出射到大气层或外层空间(radiated to the atmosphere or outer space)[65]。这就在理念上退回到化学燃料火箭一类,似乎只有如此才能不违反动量守恒。这是错误的。对化学燃料火箭而言,设火箭、燃料

何不向外喷射物质而可能有加速运动?很明显,只要有力就可以了,RF腔不用向外喷射。实际上,动量、能量守恒都是遵守的。……然而上述说明可能不太令人满意。image.png

不向外喷射物质而可能有加速运动?很明显,只要有力就可以了,RF腔不用向外喷射。实际上,动量、能量守恒都是遵守的。……然而上述说明可能不太令人满意。


20147月的50届联合推进技术大会上,NASA的科学家报告说:测试结果显示,射频谐振腔推进器(RF resonant cavity thruster)设计,作为电子推进器件是独特的,它产生了推力。这无法归因于任何经典电磁现象。D.Brady等指出,NASA的测试是在201388日进行的,用激励935GHz的谐振腔产生出(30~50)mN的推力,测试在低推力扭摆(low thrust torsion pendulum)上完成,它置于不锈钢真空室中,该设备由NASA设计建造。Brady等认为,这种推进方式的一种可能的解释是:这由量子真空虚等离子体(quantum vacuum virtual plasma)交互作用所造成,从而提供出这种由射频器件产生的反常推力(anomalous thrust production from RF test device)。在这种认识之下,在NASA实验活动目的是为了研究用经典的磁等离子体动力学去获得由量子真空虚等离子体转换而生的推进动量的可行性。而被研究的微波发动机(microwave engine, Shawyer称为EM drive)Brady等称为量子真空等离子推进器(quantum vacuum virtual plasma thruster)”。这些观点可供参考。EM drive是否与量子理论相关,是个大问题!

总之,EM drive技术现已获广泛认同。在推进力的反方向产生的加速和反作用力,遵守Newton力学。2015年黄志洵[66]说,已可产生10mN/kW1000mN/kW的推力。基本器件是一个圆锥状的封闭谐振腔,用TE01模式。由于腔内的非均匀场分布,电磁合力FΣ≠0,提供了腔体自主加速运动的推力。它不携带燃料,推进器使用的微波能由太阳能转换而来,故适于作太空飞行。20066Shawyer700W功率产生了88mN力;20075月用300W功率产生了96mN力。这说明早期即达到了(125~320)mN/kW水平。力虽然很小,但有力就有加速度,不断加速的过程有望最终获得非常高的速度。

必须指出,中国空间技术研究院从2010年起关注此领域的发展,2012年起开始取得成果,自主研发了多台原理样机。经10年努力,以陈粤研究员为首的团队研发出两种创新的推力器,一种是梯形谐振腔式(内局部填充电介质);另一种是半球型推力器。它们都获得了中国政府认可的专利权。中国的研究工作是领先的!

但我们不可盲目乐观。EM drive要能实用,推力要大大增加(例如达到几百N/W以上);加速度要有足够水平(例如0.5m/s2以上);才有可能使它成为一种星际探测器(interstellar probe)。无论如何,航天界对EM drive可以开展实在的研发;比起Warp drive的脱离实际的空谈,EM drive要好得多。

 

结束语

20世纪90年代,美国NASA提出了《Breakthrough Propulsion Physics Program,即推进技术的突破性物理项目,期望实现推进器设计原理的革命性改变。AlcubierreWarp drive概念性方案也受到NASA的关注。另外,美国国防部高级研究计划局(DARPA)也委托NASA开展研究,提出的目标是:争取实现propellant-less propulsion(无工质推进);要求以极高的速度飞行;改用全新的物理原理;等等。提出的方案即使暂时实现不了,能有新概念设计也欢迎。在有组织的鼓励下,出现了许多新思想,例如:

——利用微波谐振腔,在注入微波能后产生推力(EM drive)

——利用广义相对论效应(Warp drive)

——利用Mach效应(例如美国加州大学J.Woodward设计发明推力器)

——利用BB效应(Biefeld Brown effect)设计航天推进器,是利用高压电场。

——利用量子真空[67],或量子起伏[68]

如此等等,总之,各种物理原理都可以考虑其实用性,再决定是投入研发还是仅供参考。

虽然笔者写作了本文,但学术观点未变,仍然不认同GR时空一体化时空弯曲。例如,目前许多书籍(包括Hawking的著作)为说明虫洞理而绘制的一张图,所显示的只是极度弯曲的空间,而非极度弯曲的时空。后者之所以画不出来,是因为所谓spacetime根本没有具体的物形象。退一步讲,就算GR是正确的理论,虫洞和曲相推进也不可能实现。本文指出,EM drive才是各国航天界可以实际搞研发的项目!

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