黃志洵

(中國(guó)傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京 100024)

1 引言

英國(guó)工程師Robert Shawyer在本世紀(jì)初提出了一個(gè)奇特的創(chuàng)新思想——用微波諧振腔構(gòu)建一個(gè)無(wú)需攜帶燃料的太空推進(jìn)系統(tǒng)［1－4］。只要把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為微波能并送入腔體，即可產(chǎn)生力作用并且用于航天技術(shù)中成為衛(wèi)星推進(jìn)器，甚至可能用于宇宙航行。

盡管產(chǎn)生的力作用很小，這一技術(shù)卻可能用于在真空環(huán)境中工作的衛(wèi)星的精確控制和定位，甚至在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研發(fā)改進(jìn)后成為未來(lái)的太空飛船。2006年9月，英國(guó)科學(xué)刊物《New Scientist》報(bào)道說(shuō)，Shawyer造了一個(gè)重9kg的樣機(jī)，在饋入700W微波功率后產(chǎn)生了88mN的力。2007年5月《Eureka》報(bào)道說(shuō)，第2個(gè)樣機(jī)重100kg，饋入300W微波功率后產(chǎn)生了96.1mN的力。在中國(guó)，西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院最早開始研究，2011年、2013年分別發(fā)表了論文［5，6］，并稱在饋入2500W 微波功率后產(chǎn)生的力為720mN;但科技界對(duì)文獻(xiàn)［6］及這個(gè)產(chǎn)力數(shù)據(jù)表示了懷疑?！送猓陙?lái)美國(guó)航天局(NASA)也展開了積極的研究工作。

2 微波推進(jìn)電磁發(fā)動(dòng)機(jī)橫空出世

EmDrive(電磁發(fā)動(dòng)機(jī))是21世紀(jì)的一個(gè)新發(fā)明、新項(xiàng)目，核心是一個(gè)微波諧振腔，也可看成封閉的圓錐狀波導(dǎo)(圖1)。由于電磁場(chǎng)的非均勻分布，造成推力，使其有向反方向加速運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。它已走過(guò)了早期的默默無(wú)聞，如今引起各國(guó)科技界、航天界、情報(bào)界的高度重視。

圖1 Em Drive示意

英國(guó)科學(xué)發(fā)展趨勢(shì)網(wǎng)站于2014年8月2日?qǐng)?bào)道說(shuō):“不可思議的發(fā)動(dòng)機(jī)將永久改變太空旅行”，國(guó)內(nèi)《參考消息》報(bào)譯載時(shí)標(biāo)題為“微波發(fā)動(dòng)機(jī)或改變太空旅行”。文章說(shuō)，英國(guó)高級(jí)工程師R.Shawyer可能很快就會(huì)引起很多關(guān)注。當(dāng)他剛剛制造出現(xiàn)在稱為EmDrive的發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，還沒(méi)人把它當(dāng)回事。但在2012年，這種情況發(fā)生了改變，一群中國(guó)科學(xué)家也建造了這種發(fā)動(dòng)機(jī)，而且成功了。這種EmDrive結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且很輕。它的推力是由“在密閉容器里回彈的微波”產(chǎn)生的。發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)極其特別，如果根據(jù)傳統(tǒng)的力學(xué)原理，它根本就無(wú)法工作。然而，這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)卻能用太陽(yáng)能來(lái)提供電力從而產(chǎn)生微波。此外，它還不需要任何形式的推進(jìn)劑，因此它可以一直使用到硬件停止工作為止。中國(guó)科學(xué)家制造出了一個(gè)能產(chǎn)生720毫牛頓力的此類發(fā)動(dòng)機(jī)，這足以成為一個(gè)衛(wèi)星推進(jìn)器。2013年8月，美國(guó)航天局(NASA)的一個(gè)小組制造出了一個(gè)動(dòng)力稍小、但源于類似理念的發(fā)動(dòng)機(jī)。研究人員并于7月30日在Ohio州舉行的第50屆聯(lián)合推進(jìn)技術(shù)大會(huì)上報(bào)告了他們的成果，“試驗(yàn)結(jié)果顯示，作為一個(gè)獨(dú)特的電子推進(jìn)設(shè)備，射頻諧振腔推進(jìn)器產(chǎn)生力的方式不符合任何傳統(tǒng)的電磁現(xiàn)象，因此可能顯示出了與量子真空虛擬等離子體的一種相互作用?！?/p>

其次，英國(guó)《每日郵報(bào)》網(wǎng)站于2015年4月30日?qǐng)?bào)道說(shuō):“NASA測(cè)試曲速引擎”，國(guó)內(nèi)《參考消息》報(bào)譯載時(shí)標(biāo)題為“NASA成功測(cè)試曲速引擎，月球旅行僅需4小時(shí)。”文章說(shuō)，NASA已在悄悄測(cè)試一種革命性的太空旅行新方法，有朝一日能讓人類以超光速旅行。研究人員說(shuō)，這種新引擎可在短短4小時(shí)內(nèi)將乘客和設(shè)備送上月球?，F(xiàn)在前往半人馬座α星需要數(shù)萬(wàn)年，而新引擎可將時(shí)間縮短為100年。這種系統(tǒng)基于電磁驅(qū)動(dòng)，即在無(wú)需火箭燃料的情況下把電能轉(zhuǎn)化為推力。

根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)，這應(yīng)該是不可能的，因?yàn)樗`反了動(dòng)量守恒定律。該定律認(rèn)為，如果一個(gè)系統(tǒng)不受外力作用，那么這個(gè)系統(tǒng)的總動(dòng)量保持不變——這就是為什么傳統(tǒng)火箭需要推進(jìn)燃料。在過(guò)去，美國(guó)、英國(guó)和中國(guó)的研究人員對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了論證，但他們對(duì)結(jié)果存在爭(zhēng)議，因?yàn)闆](méi)人確切地掌握了電磁驅(qū)動(dòng)的原理。

據(jù)NASA航天網(wǎng)論壇用戶稱，目前NASA已建造了一個(gè)可在太空環(huán)境下運(yùn)行的電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它通過(guò)在封閉容器內(nèi)反射微波為太空飛船提供推力。電磁驅(qū)動(dòng)的意義重大。如果不需要搭載燃料，當(dāng)前的衛(wèi)星可以瘦身一半。此外，人類可以借助電磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)在太空走得更遠(yuǎn)?！癗ASA成功地在高真空中進(jìn)行了電磁驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)——這是歷史上第一次成功的試驗(yàn)?！?/p>

然而在幾天后，媒體報(bào)道的口氣有了變化。英國(guó)《獨(dú)立報(bào)》網(wǎng)站于2015年5月12日?qǐng)?bào)道說(shuō):“NASA的曲速引擎推進(jìn)器正在測(cè)試但尚未成功”，國(guó)內(nèi)《參考消息》報(bào)譯載時(shí)標(biāo)題為“NASA研究曲速引擎技術(shù)，科學(xué)家稱違背物理學(xué)定律難成功。”文章說(shuō)，這聽上去太像科幻小說(shuō)，不可能是真的——一個(gè)不使用燃料、能讓飛船以超光速環(huán)游宇宙的推進(jìn)系統(tǒng)。NASA的科學(xué)家說(shuō)，至少眼下這還不是真的，實(shí)際上尚未成功。

NASA官員告訴美國(guó)太空新聞網(wǎng):“盡管位于Houston的NASA航天中心的一個(gè)團(tuán)隊(duì)對(duì)新型推進(jìn)方法進(jìn)行的概念研究成了頭條新聞，但這只是一次小小的努力，尚未顯示出任何切實(shí)成果。NASA并沒(méi)有在‘曲速引擎’技術(shù)上下工夫?！?/p>

許多科學(xué)家說(shuō)，讓這種電磁驅(qū)動(dòng)引擎變得如此激動(dòng)人心、同時(shí)又不可能實(shí)現(xiàn)的是，它似乎違背了物理學(xué)的核心定律。安裝它的飛船據(jù)說(shuō)能在宇宙中航行很長(zhǎng)距離，因?yàn)檫@種引擎產(chǎn)生的能量比它使用的要多——這違背了認(rèn)為能量不會(huì)憑空產(chǎn)生的能量守恒定律。部分試驗(yàn)聲稱已證明能量具有這種潛力，有人以此論證這種技術(shù)具備可行性。但科學(xué)家說(shuō)，這些非同尋常的結(jié)果之所以出現(xiàn)，可能是由于試驗(yàn)中的偶然因素，比如試驗(yàn)容器上的漏洞或是地球的影響。

試驗(yàn)結(jié)果尚未按照科學(xué)界慣例提交同行審查，因此，除已測(cè)試過(guò)該引擎的NASA實(shí)驗(yàn)室外，其他研究人員還不清楚那兒到底發(fā)生了什么。

2015年5月20日英國(guó)《每日郵報(bào)》網(wǎng)站再次報(bào)道說(shuō):“曲速發(fā)動(dòng)機(jī)或超空間發(fā)動(dòng)機(jī)，神奇的能量讓太空飛船以不可思議的速度飛行”。國(guó)內(nèi)《參考消息》報(bào)譯載時(shí)標(biāo)題為“電磁發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)在爭(zhēng)議中前行，理論上4小時(shí)可飛抵月球?！蔽恼抡f(shuō)，盡管迄今為止這一概念還只限于科幻范疇，但它有可能成為現(xiàn)實(shí)。據(jù)信，NASA已經(jīng)成功測(cè)試一種革命性的新能量來(lái)源，它可以讓航天器僅用4小時(shí)就抵達(dá)月球;用2至3周抵達(dá)火星，而不再需要分別耗時(shí)3天和7個(gè)月來(lái)完成上述旅行。據(jù)稱，它可能以每小時(shí)4.5億英里(1英里約為1.61公里)的驚人速度無(wú)限持續(xù)飛行。

激起此類希望的發(fā)明名為“電磁發(fā)動(dòng)機(jī)”(Em-Drive)，其動(dòng)力來(lái)自一種類似微波爐核心部件的裝置。它由英國(guó)科學(xué)家Roger Shawyer發(fā)明。自從他在大約10年前對(duì)外公布這一發(fā)明后，他遭到人們多年的嘲笑。批評(píng)者堅(jiān)稱，這在科學(xué)上是不可能的，因?yàn)樗`背了關(guān)于宇宙運(yùn)行的物理學(xué)基本原理之一。這便是Newton第三定律:如果你朝某個(gè)方向施力，你就會(huì)朝相反方向加速。事實(shí)上，迄今為止，每臺(tái)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)都是向后噴射燃料，從而推動(dòng)航天器向前運(yùn)動(dòng)。然而，EmDrive并不使用推進(jìn)器。它把太陽(yáng)能電池板或飛船上的小型核反應(yīng)堆產(chǎn)生的電力轉(zhuǎn)化為向前的推力。一些科學(xué)家稱，這是“不可能的發(fā)動(dòng)機(jī)”。

不過(guò)，外界的懷疑并未阻止美國(guó)波音公司買下EmDrive的開發(fā)權(quán)，也未能阻止英國(guó)政府資助早期開發(fā)。已經(jīng)退休的Shawyer目前擔(dān)任一家英國(guó)公司的顧問(wèn)，該公司正在繼續(xù)此項(xiàng)研究。與此同時(shí)，其他國(guó)家正在研發(fā)類似設(shè)計(jì)。事實(shí)上，5年前中國(guó)人聲稱制造出了EmDrive發(fā)動(dòng)機(jī)并證明了其有效性——但沒(méi)人相信。

3 項(xiàng)目命名問(wèn)題

在一個(gè)時(shí)期內(nèi)對(duì)某個(gè)科技項(xiàng)目作密集、重復(fù)的報(bào)道是罕見的，而且這是一個(gè)多年前的發(fā)明。這樣做一定是因?yàn)樗陆〉昧四承┩黄菩赃M(jìn)展，才使記者們蜂擁而上并寫出這些事實(shí)與猜測(cè)混雜在一起的新聞稿。以上4條報(bào)道的最后一條給出了估計(jì)的速度數(shù)據(jù):v=4.5×1.61×108km/h，換算后得到 v=7.25 ×108km/h=2 ×105km/s=0.67c;這雖然仍是亞光速而非超光速，但已非常驚人了。

筆者在剛看到這些報(bào)道時(shí)是非常鼓舞的，因?yàn)檫@一項(xiàng)目或方案無(wú)需攜帶燃料即可在真空中(因而在宇宙中)飛行，甚至可能成為超光速。當(dāng)然第一印象是寫報(bào)道的記者外行——最早的報(bào)道稱為“微波發(fā)動(dòng)機(jī)”是可以的，后來(lái)又稱為電磁發(fā)動(dòng)機(jī)(Em-Driv)也對(duì)，但稱為“曲速引擎”就完全錯(cuò)了!筆者在2013年的文章“光障擋不住人類前進(jìn)的腳步”中［7］，講到墨西哥物理學(xué)家 M.Alculbierre［8］于1994年發(fā)表的文章“The warp drive:hyper－fast travel with general relativity”(“曲速引擎:廣義相對(duì)論中的超高速旅行”)。文章說(shuō)，在廣義相對(duì)論(GR)框架內(nèi)在不引入蟲洞(Wormholes)的條件下證明改變空時(shí)(spacetime)即可使宇宙飛船以任意的超大速度飛行。如局部擴(kuò)張飛船后部的時(shí)空和收縮飛船前面的時(shí)空，處在干擾區(qū)以外的觀察者就會(huì)看到飛船以超光速運(yùn)動(dòng)。造成畸變令人聯(lián)想到科幻小說(shuō)中的“曲速引擎”?！撐挠?9個(gè)編了號(hào)的公式，是在GR框架內(nèi)的推導(dǎo)演算。按照筆者的理解，所謂warp drive，是利用Einstein的4維時(shí)空觀念而避免讓實(shí)體飛船作真實(shí)的光速或超光速飛行。據(jù)說(shuō)，在兩個(gè)時(shí)空區(qū)之間放一球體，可創(chuàng)建一個(gè)移動(dòng)球體周圍時(shí)空的“曲速泡”——它以超光速飛行，而飛船本身無(wú)需運(yùn)動(dòng)(就本地參照系而言)。實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是要有特殊物質(zhì)以彎曲時(shí)空，而這需要木星級(jí)別的巨大能量。筆者在2013年文章中說(shuō)，“2012年9月19日美國(guó)《Time》周刊網(wǎng)站稱:‘NASA actually working on faster－than－light warp drive’(9月21日中國(guó)《參考消息》報(bào)刊出時(shí)題為‘NASA著手研究超光速曲速引擎’)。這表示美國(guó)航天局已在安排專家研究超光速宇宙航行的問(wèn)題”。當(dāng)時(shí)這樣講是對(duì)的，因?yàn)?012年秋在美國(guó)召開《星艦(star ship)百年研討會(huì)》，在會(huì)上NASA的物理學(xué)家H.White說(shuō)，可以用改變曲速引擎的幾何形狀的方法簡(jiǎn)單地解決能量問(wèn)題?！虼耍f(shuō)“NASA研究曲速引擎”本身并不錯(cuò);只是由于記者頭腦中的混淆，才把現(xiàn)在這個(gè)項(xiàng)目歸結(jié)為曲速引擎研究?jī)?nèi)容之一;但這是錯(cuò)誤的。

2009 年 R.Shawyer［2］在文章中稱自己的發(fā)明為EmDrive，即“電磁驅(qū)動(dòng)器”或“電磁發(fā)動(dòng)機(jī)”。2011年楊涓等［5］的論文則稱之為“無(wú)工質(zhì)微波推進(jìn)器”(propellantless microwave thruster)。2013年的報(bào)道NASA的一次測(cè)試活動(dòng)的短文［9］，稱此項(xiàng)目為electric propulsion article consisting of a RF resonant cavity，即“包含射頻諧振腔的電氣推進(jìn)器”。當(dāng)然，如前所述在2014年媒體報(bào)道時(shí)使用的詞是“微波發(fā)動(dòng)機(jī)”(microwave engine)?！C合以上情況，本文認(rèn)為最佳命名是“微波推進(jìn)電磁驅(qū)動(dòng)器”或“微波推進(jìn)電磁發(fā)動(dòng)機(jī)”，對(duì)應(yīng)的英文是EmDrive of microwave propulsion，簡(jiǎn)稱“電磁發(fā)動(dòng)機(jī)”。這樣命名不僅生動(dòng)形象，也體現(xiàn)了對(duì)發(fā)明人的尊重。

4 Shawyer發(fā)明的意義和完成的工作

R.Shawyer在英國(guó)是一位民間科學(xué)家，就是說(shuō)他并非政府科學(xué)機(jī)構(gòu)的雇員，也不是大學(xué)教授或大公司研究所的研究人員。他的路是曲折艱辛的;正如前面的新聞稿中所說(shuō)，長(zhǎng)期以來(lái)沒(méi)有人把他當(dāng)回事，甚至受嘲笑。他的思想受到英國(guó)以外(中國(guó)、美國(guó))的重視是2010年以后的事。Shawyer成立的SPR Ltd是一家小公司，資金有限，因而至今似未做過(guò)大型實(shí)驗(yàn)。然而正如在困難中崛起的人們那樣，Shawyer的堅(jiān)持已在今天形成了新的局面。

為什么會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變?必須看到太空的重要性急劇增加了。安全通信，情報(bào)、監(jiān)視和偵察任務(wù)，導(dǎo)彈預(yù)警，天氣預(yù)報(bào)，精確導(dǎo)航和測(cè)時(shí)，所有這一切都依賴太空，而這塊領(lǐng)域正面臨越來(lái)越多的挑戰(zhàn)。因此各國(guó)都非常關(guān)注太空領(lǐng)域的動(dòng)向。假如一國(guó)的無(wú)人航天器能夠一次在軌數(shù)月之久，能夠自行降落在飛機(jī)跑道上，供反復(fù)使用，這樣的太空能力就會(huì)派生出眾多潛力，比如用來(lái)觀測(cè)氣象和監(jiān)視敵人。

Shawyer發(fā)明有可能成為一種造價(jià)不高、可重復(fù)使用的天空交通工具，因而受到吸引是很自然的。不僅如此，它在將來(lái)或許可能成為一種新的軌道推進(jìn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用來(lái)操縱空中的衛(wèi)星。

2015年5月20日法新社報(bào)道說(shuō)，美國(guó)空軍用火箭將一架空天飛機(jī)發(fā)射進(jìn)入軌道進(jìn)行第四次飛行。此次任務(wù)之一是測(cè)試操縱衛(wèi)星用的一種新推進(jìn)器。X－37B小型空天飛機(jī)一直神秘莫測(cè)，美國(guó)空軍只是說(shuō)，他們打算測(cè)試一種新型實(shí)驗(yàn)性推進(jìn)器。火箭在運(yùn)送X－37B升空的同時(shí)，還搭載了一顆利用“太陽(yáng)帆”飛行的微型衛(wèi)星。

實(shí)際上，筆者推測(cè)所測(cè)試對(duì)象就是由NASA研制的EmDrive。值得注意的是，一同升空的還有一顆微型衛(wèi)星，它只有一只鞋盒那么大。作為微型衛(wèi)星的研制單位，非營(yíng)利性太空機(jī)構(gòu)“星際學(xué)會(huì)”打算嘗試通過(guò)這顆衛(wèi)星展開一塊面積達(dá)344平方英尺(約32平方米)的巨型反射性太陽(yáng)帆。衛(wèi)星的體積非常小，太陽(yáng)帆的面積卻非常大(但是很薄，只有垃圾袋平均厚度的1/4)，太陽(yáng)會(huì)持續(xù)提供能量。這就證明EmDrive與太陽(yáng)帆在太空中配合應(yīng)用是可能的，不必用某一個(gè)反對(duì)另一個(gè)。

然而，發(fā)明人的功績(jī)不可抹殺;那么Shawyer究竟做成了什么事?筆者根據(jù)不完整的資料力圖理解他走過(guò)的道路，表1反映Shawyer早期在實(shí)驗(yàn)上的貢獻(xiàn)。

表1 Shawyer的早期實(shí)驗(yàn)

雖然Shawyer是發(fā)明人和早期唯一堅(jiān)持實(shí)驗(yàn)的研究者，但如今人們已不會(huì)太重視他的意見。除非英國(guó)政府決心全力支持這個(gè)項(xiàng)目，發(fā)展的希望已完全轉(zhuǎn)移到中國(guó)和美國(guó)。由于保密的原因，人們(包括Shawyer本人)都無(wú)法知道最新的成就和最高的發(fā)展。參考文獻(xiàn)［4］是Shawyer于2014年10月在加拿大Toronto的一次會(huì)議上的講稿，其中說(shuō)他引用的已發(fā)表測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)自3個(gè)國(guó)家的4個(gè)獨(dú)立來(lái)源，證實(shí)了他的EmDrive理論。關(guān)于每kW輸入功率所能產(chǎn)生的推力(Shawyer稱為特效力 specific force)，實(shí)驗(yàn)最低者只有1.73mN/kW，最高者達(dá)952mN/kW;而且腔體Q值越高特效力越大，故可考慮采用超導(dǎo)腔(superconducting cavity)。文獻(xiàn)［4］給出了在腔內(nèi)使用電介質(zhì)的方案(圖2);(a)是原方法，(b)是腔形不變但在小頭放入電介質(zhì)，NASA曾獲得6.86mN/kW特效力;而SPR公司用此法則得到18.8mN/kW;(c)是改錐形為園柱形并放入電介質(zhì)，效果不詳。這些敘述都未給出資料來(lái)源?！硗?，Shawyer多次指出，提高腔質(zhì)量因數(shù)(Q)將使推力加大。

圖2 腔內(nèi)使用電介質(zhì)的EmDrive

5 理論分析

嚴(yán)格的理論分析應(yīng)針對(duì)圓錐形腔，從場(chǎng)分析到力的計(jì)算。故以下是粗淺的，僅供參考。圖1顯示磁控管驅(qū)動(dòng)1個(gè)腔體，后者可看成兩頭封閉的波導(dǎo)，但發(fā)生諧振。大頭的群速較高，故輻射壓強(qiáng)較大，造成受力差值(Fg1－Fg2);這可由Lorentz電磁力方程看出:

如大頭取v=vg1，小頭v=vg2，則將造成Fg1＞Fg2。

假定有一個(gè)光子束流入射，其截面為A，單位體積光子數(shù)為n;由于每個(gè)光子能量為hf，以速度c運(yùn)動(dòng);故入射光束功率為

設(shè)光束照射到一個(gè)平板上，并發(fā)生全反射;由于每個(gè)光子動(dòng)量為hf/c，故在板子處動(dòng)量變化為2nhfA，構(gòu)成力F0:

上述推導(dǎo)來(lái)自A.Cullen［10］的論文。如果射束的速度是v，那么作用于板子的力為

然而在波導(dǎo)理論中有群速公式

式中λg是波導(dǎo)中波型的兩個(gè)等相位點(diǎn)的間距，稱為相波長(zhǎng)或?qū)РúㄩL(zhǎng)，λ是自由空間傳播波長(zhǎng)(真空中波長(zhǎng))，εr、μr是填充介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)及相對(duì)導(dǎo)磁率。如取波導(dǎo)內(nèi)為真空填充，εr=μr=1，故有

代入公式(3)，得

用下標(biāo)1代表大頭，下標(biāo)2代表小頭，那么 λg1＜λg2，故 Fg1＞ Fg2，因而有

這個(gè)力在本文后面稱為合力F∑，指出只有F∑≠0才有;而這在純粹圓柱狀腔內(nèi)是不會(huì)產(chǎn)生的。在圓錐狀腔體中，也只有經(jīng)過(guò)仔細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算才能造成F∑≠0，而這來(lái)自場(chǎng)分布的不均衡。因此，真正的理論分析只能是場(chǎng)分析，而非以上的內(nèi)容。

既然存在“違反動(dòng)量守恒、能量守恒”的指責(zé)，有必要回顧經(jīng)典物理學(xué)中的有關(guān)概念。動(dòng)量守恒定律(law of momentum conservation)來(lái)源于Newton運(yùn)動(dòng)定律中的第2定律(動(dòng)量變化與力成正比)和第3定律(對(duì)每個(gè)作用必有大小相等方向相反的反作用);在慣性系中不受外力作用的系統(tǒng)其總動(dòng)量恒定不變。這個(gè)定律不僅適用于宏觀系統(tǒng)，對(duì)微觀世界也對(duì)——著名的Compton效應(yīng)中即說(shuō)光子與電子碰撞前后動(dòng)量是守恒的?！芰渴睾愣?law of energy conservation)是說(shuō)一個(gè)封閉系統(tǒng)的總能量保持不變，一般而言總能量是靜止能量(固有能量)、動(dòng)能、勢(shì)能三者之和。熱力學(xué)第一定律確定了宏觀系統(tǒng)中的能量守恒，Compton效應(yīng)則表明能量守恒定律在微觀世界也是正確的。大爆炸宇宙學(xué)說(shuō)“當(dāng)初從一點(diǎn)炸出(產(chǎn)生)了宇宙”，似與能量守恒不符;能量是否可以“從無(wú)到有”?這個(gè)定律認(rèn)為不可能。

此外，我們還需要重溫什么是“力”，力是加速度的來(lái)源，正是Newton把力和加速度聯(lián)系在一起，他的第2定律告訴人們力的大小等于受力物體的質(zhì)量與物體所獲加速度的乘積(F=ma)。這是非相對(duì)論的物理定律，它等效于“力是動(dòng)量的時(shí)間變化率”。按照國(guó)際單位制SI，使1kg質(zhì)量產(chǎn)生1m/s2加速度的力為1N;用牛頓(N)作為力的單位以紀(jì)念這位偉大人物的作法是很正確的。

有這些知識(shí)已足夠了;對(duì)化學(xué)燃料火箭而言，設(shè)火箭、燃料(推進(jìn)劑)質(zhì)量為 m1、m2，其相應(yīng)速度為v1、v2，則動(dòng)量守恒要求

若△v2≠0(燃燒后加速噴出)，則△v1≠0(火箭獲得加速度)。那么現(xiàn)在這個(gè)EmDrive為何不向外噴射物質(zhì)而可能有加速運(yùn)動(dòng)?很明顯，只要有力就可以了，RF cavity不用向外噴射。實(shí)際上，動(dòng)量、能量守恒都是遵守的。這是一個(gè)經(jīng)典物理學(xué)課題，沒(méi)有任何物理定律需要違反;那些指責(zé)都不正確。

［5］做了有益的研究;但在

［6］中，同一作者卻給出了圖3，即安排了一個(gè)微波輻射出口，說(shuō)是由之可把微波束出射到大氣層或外層空間(radiated to the atmosphere or outer space)。這就在理念上退回到化學(xué)燃料火箭一類，似乎只有如此才能不違反動(dòng)量守恒。這是錯(cuò)誤的;我們?yōu)槲鞅惫I(yè)大學(xué)研究組感到遺憾。

圖3 參考文獻(xiàn)［6］的設(shè)計(jì)方案(圖中的字母C代表環(huán)行器)

2014年7月30日在美國(guó)舉行了“第50屆聯(lián)合推進(jìn)技術(shù)大會(huì)”，NASA的科學(xué)家們報(bào)告說(shuō):測(cè)試結(jié)果顯示，射頻諧振腔推進(jìn)器(RF resonant cavity thruster)設(shè)計(jì)，作為電氣推進(jìn)器件是獨(dú)特的，它產(chǎn)生了推力。這無(wú)法歸因于任何經(jīng)典電磁現(xiàn)象。D.Brady等［9］指出，NASA的測(cè)試是在2013年8月8日進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)論文已報(bào)導(dǎo)過(guò)，用激勵(lì)935GHz的諧振腔產(chǎn)生出30～50mN的推力，測(cè)試在低推力扭擺(low thrust torsion pendulum)上完成，它置于不銹鋼真空室中，該設(shè)備由NASA設(shè)計(jì)建造。Brady等認(rèn)為，這種推進(jìn)方式的一種可能的解釋是:這由量子真空虛等離子體(quantum vacuum virtual plasma)交互作用所造成，從而提供出這種由射頻器件產(chǎn)生的反常推力(anomalous thrust production from RF test device)。在這種認(rèn)識(shí)之下，在NASA實(shí)驗(yàn)活動(dòng)目的是“為了研究用經(jīng)典的磁等離子體動(dòng)力學(xué)去獲得由量子真空虛等離子體轉(zhuǎn)換而生的推進(jìn)動(dòng)量的可行性?！倍谎芯康奈⒉òl(fā)動(dòng)機(jī)(microwave engine，Shawyer稱為EmDrive)被Brady等稱為“量子真空等離子推進(jìn)器(quantum vacuum plasma thruster)”。不過(guò)，正如前文所述，我們不認(rèn)為這個(gè)項(xiàng)目當(dāng)中有量子原理，等離子體亦不存在——它并不是非有不可的機(jī)制。

6 討論和展望

現(xiàn)在把太陽(yáng)系內(nèi)飛行稱為航天(space flight)，系外飛行稱作宇航(astronautic);走向太空是人類探索宇宙的必由之路?，F(xiàn)階段人類的航天活動(dòng)有3個(gè)主要方面:研制運(yùn)載火箭，發(fā)展衛(wèi)星技術(shù)，開展載人航天;這當(dāng)中的每一項(xiàng)中國(guó)都取得了很大進(jìn)展。為此成立了航天飛行動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研究深空探測(cè)軌道測(cè)定與控制(orbit determination and control for deep space exploration)問(wèn)題［11］，并特別關(guān)注于火箭燃料的節(jié)省、在軌衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)控管理、深空探測(cè)器運(yùn)行全程的精密定軌等等。……只有從這個(gè)背景上來(lái)看待EmDrive出現(xiàn)十多年后突然呈現(xiàn)的高度重視，才能理解航天界的想法?？傊?，人們關(guān)注的是它在兩方面的應(yīng)用價(jià)值，一是發(fā)展衛(wèi)星技術(shù)，二是構(gòu)建載人飛行器(服務(wù)于地球上的快速交通和未來(lái)的宇宙探索)的可能性。

在初始階段當(dāng)然要多了解Shawyer的看法;例如2012年Shawyer說(shuō)，對(duì)飛船推進(jìn)系統(tǒng)而言，現(xiàn)已發(fā)展了兩種理論方法，分別由英國(guó)、中國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)獨(dú)立地提出。這是不同的設(shè)計(jì)，推進(jìn)力達(dá)300mN/kW。英國(guó)的研究工作由政府及私人投資支持;第一階段是初步工藝，為在軌應(yīng)用而設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)移到美國(guó)。第二階段是高級(jí)工藝器件，用液氮冷卻，達(dá)到設(shè)計(jì)的高Q值。理論研究解決了動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，從而可實(shí)現(xiàn)火箭發(fā)射。英國(guó)的研究工作在2001年～2011年持續(xù)進(jìn)行，而在2011年中國(guó)人拿出了測(cè)試數(shù)據(jù)?！秩绨l(fā)明人相當(dāng)重視使用低溫技術(shù)一事，指出室溫腔Q=5×104，超導(dǎo)腔Q=109，后者高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。而且，Shawyer說(shuō)SPR把腔體處于常溫下的設(shè)計(jì)稱為第1代計(jì)劃(1G project)，處于低溫下的超導(dǎo)腔設(shè)計(jì)稱為第2代計(jì)劃(2G project);后者在2006年即已提出，2008年獲得測(cè)試數(shù)據(jù)。他的意思似乎是說(shuō)，只有高Q值才能在遵守能量守恒的條件下獲得適當(dāng)?shù)募铀俣?。但這是與最初理念(無(wú)需攜帶燃料)相矛盾，因?yàn)橐獢y帶冷劑，而且它的蒸發(fā)非?？?。

閱讀Shawyer的文獻(xiàn)，有時(shí)難以分辨何者是現(xiàn)實(shí)的(驗(yàn)證過(guò)的)情況，何者是對(duì)未來(lái)的推測(cè)。2012年 Shawyer［3］說(shuō):“EmDrive 是世界上首個(gè)無(wú)需燃料的推進(jìn)系統(tǒng)”;他這樣講時(shí)忽略了太陽(yáng)帆(solar sail，也叫光帆light sail)。同時(shí)他還預(yù)測(cè)把EmDrive用作飛行器的可能性，說(shuō)從London到Sydney僅需2.5h。他提出一種空天飛機(jī)(spaceplane)設(shè)計(jì)，可能需要8腔并聯(lián)、液氦冷卻，達(dá)到很高的特效力(例如幾百N/kW)，達(dá)到約為0.4m/s2的加速度。對(duì)于行星際探測(cè)器(interstellar probe)，也是要用液氦冷卻，達(dá)到幾百N/kW特效力和1m/s2加速度。不過(guò)，這些東西都是出于Shawyer(或說(shuō)SPR公司)的想象。圖4是他的一種設(shè)計(jì)方案。

對(duì)于未來(lái)，他最大膽的計(jì)算和預(yù)測(cè)是，經(jīng)過(guò)9.86年的持續(xù)推進(jìn)飛行，速度可達(dá)到v=204429000m/s。盡管他的這個(gè)估計(jì)還是亞光速(v=0.682c)，他并未說(shuō)EmDrive可以作超光速飛行，但這個(gè)速度已很驚人，因?yàn)樗麚?jù)此認(rèn)為可以用不到10年時(shí)間跨越3.96ly距離到達(dá)最近的星系。在報(bào)告結(jié)束時(shí)他說(shuō):“這種太空船將飛行;但在何時(shí)實(shí)現(xiàn)?誰(shuí)來(lái)建造它們呢?”(These spacecraft will fly;but when?who will build them?)這是既有信心又信心不足。

圖4 混合型空天飛機(jī)示意

筆者認(rèn)為EmDrive可能作未來(lái)的超光速宇航方案的候選者;理由是:根據(jù)Newton力學(xué)，有力就會(huì)有加速度。它即使很小，假以時(shí)日總會(huì)有達(dá)到光速然后超過(guò)光速的一天。我們記得，在2004年11月26日～28日的香山科學(xué)會(huì)議上，宋健院士在主旨報(bào)告“航天、宇航和光障”中說(shuō)，航天技術(shù)呼喚傳播速度大于光速c的源。中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院林金研究員是衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航專家、國(guó)際宇航科學(xué)院院士;他在2004年報(bào)告指出［12］:火箭自主慣性導(dǎo)航理論模型發(fā)人深省之處在于:一個(gè)運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)自己可以測(cè)量自己相對(duì)一個(gè)給定慣性系的加速度、速度和位置，作為運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)上自帶的鐘固有時(shí)間的函數(shù)。原理上無(wú)需與外界交換信息，可以不存在任何信號(hào)傳遞的速度問(wèn)題。自主的純慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是基于引力場(chǎng)的基本性質(zhì);即使沒(méi)有光和電磁場(chǎng)，純慣性系統(tǒng)照樣工作，照常自主定位、自主測(cè)速。那么在一個(gè)只有引力場(chǎng)而無(wú)電磁場(chǎng)的世界中，為何每秒30萬(wàn)公里會(huì)成為速度的極限?宇航員建立了自主精確描述火箭和宇宙飛船在給定慣性系中作任意加速和減速運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，修正了自主慣性導(dǎo)航的嚴(yán)格理論基礎(chǔ)，……，宇宙飛船航行速度不存在上限，未來(lái)的載人宇航理論上沒(méi)有限制”。……到2010年林金［13］更深刻地對(duì)超光速宇航可能性作了論述;他指出，Einstein早年的理論是對(duì)今天慣性導(dǎo)航原理的描述，而后者只用一只鐘的固有時(shí)間，完全自主，無(wú)需發(fā)射或接收光(電磁)信號(hào)與外界聯(lián)系。飛船相對(duì)慣性坐標(biāo)系作加速飛行，只要積分時(shí)間夠長(zhǎng)，飛船相對(duì)慣性系的速度可以超過(guò)。3×108m/s被9.8m/s2除，得到354天，亦即大約一年后飛船速度超過(guò)3×108m/s。也就是說(shuō)，宇航員只看慣性儀表指示即可作超光速宇航。

從2004年到2010年期間，林金院士多次論述超光速問(wèn)題，在文章和會(huì)議報(bào)告中闡述他那有特色的理論觀點(diǎn)。老實(shí)說(shuō)，許多人并未真正理解，筆者當(dāng)時(shí)也不甚清楚其精神實(shí)質(zhì)。但在近年來(lái)反復(fù)閱讀他的文章，才越來(lái)越覺得有味!……例如我們必須指出，宋健和林金企望和預(yù)言的“新型動(dòng)力源”可能正在研發(fā)中，這就是EmDrive。盡管還處在嬰兒期，但已帶來(lái)了希望。

7 進(jìn)一步研究的方向

英國(guó)民間科學(xué)家(“民科”)R.Shawyer于本世紀(jì)初提出的發(fā)明，經(jīng)過(guò)十多年(2001～2014年)的考驗(yàn)，目前已被兩大國(guó)(中、美)的科技界、航天界所接受，開始投入人力物力研發(fā);而英國(guó)政府也加大了支持力度。該項(xiàng)目的提出和發(fā)展，對(duì)我們今天大力倡導(dǎo)的創(chuàng)新思想有很大啟發(fā)和教益。微波技術(shù)人員的數(shù)量龐大，至少有數(shù)十萬(wàn)人;但為什么只有Shawyer想到一個(gè)腔體可以有力和加速效應(yīng)，并產(chǎn)生重大的應(yīng)用價(jià)值?又為何開始時(shí)受嘲笑的項(xiàng)目如今受到大國(guó)政府的重視?值得深思。

這個(gè)項(xiàng)目引發(fā)的理論問(wèn)題和實(shí)驗(yàn)技術(shù)問(wèn)題很多，本文只是簡(jiǎn)略的報(bào)道。在寫作本文的過(guò)程中我高興地獲悉，筆者的1991年著作《截止波導(dǎo)理論導(dǎo)論》［14］，曾被中國(guó)航天科技人員當(dāng)作研究中的參考書。這是因?yàn)樵摃休^多的波導(dǎo)理論分析成果，與諧振腔的關(guān)系密切;書中的第21章(圓錐波導(dǎo)理論)更有直接的參考價(jià)值?！旅媸枪P者認(rèn)為可以考慮作為改進(jìn)方向的可能的研究課題:

①改圓錐波導(dǎo)諧振腔為橢圓錐波導(dǎo)諧振腔

Shawyer發(fā)明的基礎(chǔ)是在圓柱波導(dǎo)理論的引伸下建立起來(lái)的，圓柱波導(dǎo)諧振腔實(shí)際上是應(yīng)用最廣泛的腔體形式。但如采用圓柱腔，根據(jù)Maxwell電磁理論作計(jì)算時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)合力F∑=0，無(wú)法產(chǎn)生預(yù)期效果，即產(chǎn)生自主向前的推力。如改圓柱形狀為圓錐形狀，并優(yōu)化張角、長(zhǎng)度等幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)，就能產(chǎn)生合力F∑≠0的現(xiàn)象，差值在20%以上。這是一種由于電磁場(chǎng)非均衡分布而造成的電磁力，是有些奇怪;但現(xiàn)象仍在經(jīng)典物理學(xué)的范圍之內(nèi)，似用不著量子物理學(xué)的介入。當(dāng)然腔的質(zhì)量因數(shù)(Q值)必須高，這一點(diǎn)非常重要。

橢圓柱波導(dǎo)的出現(xiàn)晚于圓柱波導(dǎo)，對(duì)其應(yīng)用價(jià)值的認(rèn)識(shí)也較遲。自上世紀(jì)70年代起，各國(guó)都廣泛應(yīng)用橢圓軟波導(dǎo)作為微波傳輸線的基本形式，其工程應(yīng)用價(jià)值獲得了廣泛認(rèn)可。它的主模(基模)為TEc11，截止波長(zhǎng)、特性阻抗、衰減常數(shù)、功率容量等都能計(jì)算［15，16］。在微波工程技術(shù)領(lǐng)域中橢圓波導(dǎo)的成功給筆者以啟發(fā)，故建議可以嘗試采用橢圓柱波導(dǎo)諧振腔;但也必須一頭大、一頭小，因此是一種橢圓錐波導(dǎo)腔。顯然，有大量的電磁場(chǎng)理論分析工作可做。

②改微波波導(dǎo)諧振腔為光波導(dǎo)諧振腔

微波和光波相似的例子很多，微波波導(dǎo)理論與光波導(dǎo)理論也有許多互通之處［14，17］。這使筆者想到，可否設(shè)計(jì)一種光波導(dǎo)諧振腔，從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面檢查其是否可能出現(xiàn)Shawyer器件的效果，從而擴(kuò)大研究工作的視野。

③改金屬壁為超材料壁

雖然目前超材料(meta－meterials)尚不是一種簡(jiǎn)單材料，但其左手性能早已在傳輸線技術(shù)中體現(xiàn)［18，19］。故從邏輯上講，可以先從理論上開展對(duì)超材料壁諧振腔的研究，再考慮構(gòu)建EmDrive的可能性。

8 結(jié)束語(yǔ)

這個(gè)宇宙中有許多隱含的、失序中的秩序，它等待著人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。因此，科學(xué)研究中的“創(chuàng)新”其實(shí)只是對(duì)內(nèi)在規(guī)律的發(fā)掘和認(rèn)識(shí)，而且永遠(yuǎn)不會(huì)有終點(diǎn)。在結(jié)束本文時(shí)筆者寫了一首舊體詩(shī):

有感于無(wú)工質(zhì)航天器將要問(wèn)世

牛頓仍稱百世師，

今朝光速已太遲;

神舟想象行吟處，

宇宙深空系夢(mèng)思。

廣寒宮里春寂寂，

熒惑山中日遲遲;

太陽(yáng)系內(nèi)多聞變，

唯有織女似昔時(shí)。

詩(shī)題中的無(wú)工質(zhì)航天器指無(wú)需攜帶燃料即可持續(xù)飛行的火箭。第1句是指Newton最早提出動(dòng)量概念，而微波推進(jìn)電磁發(fā)動(dòng)機(jī)(EmDrive)遵守動(dòng)量守恒;Newton提出運(yùn)動(dòng)定律F=ma，故有力就有加速度，假以時(shí)日可獲極高速度。另外，Newton力學(xué)和量子力學(xué)均不為速度設(shè)置上限。第2句的意思是說(shuō)，雖然真空中光速c=299792458m/s?3×105km/s從地球角度看“很快”;但宇宙極為遼闊，此速度顯得“很慢”。第5句中廣寒宮指月球，對(duì)其開發(fā)將很快實(shí)現(xiàn)。第 6句，火星古稱熒惑，西方稱戰(zhàn)神(Mars)，多國(guó)已制訂登火星計(jì)劃。末句中的織女星即天琴座α，是北半天球最亮的早型星，距地球26.3ly(ly即光年，1ly等于94605億公里)，以目前技術(shù)飛抵需數(shù)萬(wàn)年;未來(lái)若以10倍光速(v=10c)飛行，大約兩年半即可抵達(dá)。

筆者以此詩(shī)表達(dá)興奮之情;對(duì)于未來(lái)的發(fā)展，我們拭目以待。

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