無需燃料的宇宙飛船推進器：不可能成為可能？

大約10年前，一位名叫羅傑·索耶爾（Roger Shawyer）的默默無聞的工程師提出了一個非常特別的想法。他認為，使微波在一個缺頂圓錐體中來回反彈，就會產生指向錐體窄端的推力。這個理論很有革命性，它使得宇宙飛船可以獲得飛向行星和更遠處的推力。索耶爾把它稱為「EmDrive」（微波相對論引擎）。

不過，索耶爾的理論引起了巨大的爭議。這個系統將一種形式的能量轉化成動能，很多其他的系統也能做到這一點，因此從這點來說，它沒什麼特別的地方。真正的問題來自動量：當這個系統開始運動的時候，它的總動量增加。但是這些動量來自哪裡呢？索耶爾並沒有給出令人信服的解釋，而批評者則認為這顯然違反了動量守恆定律。

作為回應，索耶爾給出的實驗結果證明了這台設備可以像他聲稱的那樣工作。但是他的批評者們並沒有被說服。他們認為EmDrive就相當於站在一個盒子里通過推盒子的一邊來產生推力一樣。換句話說，EmDrive完完全全就是騙人的把戲。

然而自從那時起，卻發生了很多有意思的事情。來自世界各地的不同團隊開始提出各自版本的EmDrive，並且不斷將研究工作向前推進。出人意料的是，他們已經可以重複索耶爾的實驗結果。因此，EmDrive看起來真的可以產生推力。

2012年，一個中國團隊宣布他們測量了自己研製的EmDrive產生的推力。2014年，一位美國科學家建造了一台EmDrive並且說服美國國家航空航天局（NASA）對它進行測試。2015年，NASA在真空中完成了測試（在真空中做實驗可以將空氣的運動作為力的來源的可能性排除在外）。NASA的實驗也證實了EmDrive產生了推力。這樣一來，先後共有6個獨立的實驗支持索耶爾的理論。這就留下了一個非常棘手的問題：如何解釋動量守恆定律看起來被破壞了呢？

得益於英國普利茅斯大學的麥克·麥卡洛克（Mike McCulloch）的工作，現在我們可以得到一個答案。麥卡洛克的理論以一種新的慣性理論為基礎，這種理論可以對物體在非常小的加速度下的運動方式作出驚人的預測。

慣性是有質量的物體對運動或者加速過程中的變化的阻抗作用。在現代物理學中，慣性被當作是有質量的物體的基本性質。質量確實可以被認為是慣性的量度，但是幾個世紀以來，慣性究竟為何存在卻一直困擾著科學家。

麥卡洛克認為慣性來源於盎魯輻射（Unruh radiation），這是一種廣義相對論預言的效應，由威廉·盎魯（WilliamGeorge Unruh）在1976年提出。這是一個關於加速物體會感受到黑體輻射的理論。換句話說，當你加速的時候，會感覺宇宙在變暖。而根據麥卡洛克的說法，慣性就是盎魯輻射施加在加速物體上的壓力。

通常我們用在地球上觀察到的加速度是很難驗證這個理論的。但是，當加速度更小而盎魯輻射的波長變大的時候，我們就會有新的發現。在非常小的加速度下，波長變得足夠大而不再適用於可觀測的宇宙。這個時候，慣性只能取某些值，並且從一個值跳到下一個。換句話說，在加速度很小的時候，慣性必須是量子化的。

麥卡洛克表示，在著名的「飛掠反常」理論（fly-by anomaly）中，可以找到支持這種說法的可觀測的證據。「飛掠反常」指的是一些宇宙飛船掠過地球飛向其他行星時，觀察到的動量會發生奇怪的跳躍，而這正是麥卡洛克的理論所預言的。

在地球上上更加仔細地驗證這個理論非常困難，因為其中的加速度實在是太小了。但是有一種方法可以使這變得容易一些，那就是縮小盎魯輻射所允許的波長的大小。麥卡洛克認為這也許就是EmDrive正在做的。

如果光子有慣性質量，那當它們反射的時候一定會感受到慣性。但是，在這種情況下盎魯輻射是很小的。事實上，盎魯輻射會與即時環境相互作用。在EmDrive的例子中，這個環境就是缺頂圓錐體。

圓錐體允許盎魯輻射在較大的一端是某個值，而在另一端具有較小的波長。因此，腔內光子的慣性在來回反彈的過程中必須改變。同時為了保持動量守恆，一定要產生一個推力。

麥卡洛克檢驗這個理論的方法是去預測推力的大小。因為這個問題存在於三維空間中，因此精確的計算是非常複雜的，但是在迄今為止所有的實驗中，近似的結果與推力的數量級都是相吻合的。

尤其重要的是，麥卡洛克的理論做出了兩項可測試的預言。第一個是在腔內放入一個絕緣體可以增強推進器的效率。第二項是改變腔的維度可以反轉推力的方向，當盎魯輻射更好地符合較小一端而非較大一端的尺寸時會發生這種現象。改變腔內光子的頻率也可以獲得相似的效應。

麥卡洛克表示有證據表明這種效應確實會發生。「在NASA近期的實驗中也許就會觀察到這種推力反轉」，他說到。

這是一個令人感興趣的觀點。索耶爾的EmDrive有使宇宙飛船發生革命性變化的潛力，因為它不需要推進劑，而這恰好是目前推進系統中最大的限制因素。但是因為缺乏任何關於它的工作原理的有說服力的解釋，所以科學家和工程師們的謹慎也是可以理解的。

麥卡洛克的理論有助於改變這種情況，雖然這並不是一個主流的觀點。它做出了兩個很有挑戰性的假設：一是光子具有慣性質量，二是腔內的光速必須變化。對於很多理論物理學家們來說，接受這些並不容易。

但是，當更多對於索耶爾的EmDrive的實驗驗證出現的時候，理論物理學家們卻變得有些尷尬。如果麥卡洛克的解釋不正確的話，我們又該怎麼解釋呢？

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