В новостях много пишут про то, как EmDrive решит почти все проблемы с межпланетными перелётами, позволит создать дешёвые летающие автомобили и бог знает, что ещё. В других статьях вы можете прочитать, что это бред, на который не стоит тратить ни одного бюджетного доллара. Но я не видел ни одной статьи с простой и скучной мыслью: возможно, в этом случае нынешний уровень внимания научного сообщества к EmDrive — ровно тот, которого он заслуживает. С одной стороны, это не вечный двигатель, чтобы отбросить его, не рассматривая; с другой, слишком рано запускать крупные программы, даже если эффект окажется в конце концов реальным. Нужно подождать и посмотреть. Эта статья аргументирует эту точку зрения.
EmDrive в новостях
Первые новости об EmDrive вызвали бурную реакцию: как статьи с заголовками вроде Невозможный двигатель может добраться до Луны за 4 часа, так и множество опровержений, например Как обмануть мир плохой наукой
Вот то устройство, о котором идёт речь. Асимметричная камера, внутри которой прыгают и отражаются радиоволны (конкретнее, микроволны, такие же, как в микроволновке). Изобретатели утверждают, что в результате есть ненулевая тяга, хотя волны из камеры не выходят. Пока что уровень этой тяги выражается в микроньютонах, но изобретатели заявляют, что в будущем его можно намного увеличить.
Но после этих первых двух волн новостей была ещё одна, с опровержением опровержений. Думаю, стоит обратить внимание на них, поскольку многие их не читали.
Учёные, производящие исследования, не отвечают за шумиху в СМИ. Да, кое-кто из изобретателей делает довольно экстраординарные заявления: например, в этом ролике Шойер утверждает, что EmDrive решит множество мировых проблем.
Но другие экспериментаторы просто исследуют эту интересную научную аномалию и не торопятся с выводами.
Критики же часто «опровергают» то, что экспериментаторы не заявляли, или не понимают описаний экспериментов. Я хотел бы обратить внимание на несколько таких ошибок, которые многократно повторялись: путаницу с «нулевым» экспериментом, утверждения, что двигатель обязательно нарушает закон сохранения импульса, и возражения, связанные с задержкой ответа. Далее мы увидим, что они основаны на недопонимании, и рассмотрим пример замечательного научного достижения, основанного на эксперименте, который тоже — на первый взгляд — нарушал законы сохранения энергии и импульса.
Ошибка с «нулевым экспериментом»
Это один из самых распространённых аргументов критиков. В аннотации к научной статье НАСА сказано:
Тяга наблюдалась в обоих экспериментальных аппаратах, хотя для одного из них ожидалось отстутствие тяги. Один экспериментальный аппарат содержал внутренние изменения, предназначенные для создания тяги, а другой (далее именуемый «нулевым») их не содержал.
Прочитав это, можно сначала подумать — всё, дальше читать нечего, отсюда видно, что тягу производит не двигатель. Но при внимательном чтении выясняется, что нулевой аппарат — нулевой не для самого двигателя, а для желобков внутри него, которые один из изобретателей считал необходимыми. Этот эксперимент показал, что отсутствие этих желобков никак не влияло на уровень тяги.
Нулевой эксперимент для двигателя — посылка радиоволн в пустую тестовую камеру — тоже был произведён и тяги не показал. Всё это объяснено в статье. Если прочитать только аннотацию, то можно понять неправильно, но если прочитать и статью, то станет ясно, что эксперимент, названный «нулевым» в аннотации, относился только к гипотезе о необходимости желобков, а гипотеза о необходимости асимметричной камеры проверялась отдельно.
Так что авторы опровержений прочитали то, что опровергают, невнимательно. Но если они не поняли такую простую вещь, которая очень ясно объясняется в статье, то в чём ещё они ошиблись? Итак, по этому пункту сомнения вызывают именно опровергатели. Да, возможно, авторам статьи стоило написать аннотацию пояснее, но если вы когда-нибудь писали научные статьи, вы сами знаете, как сложно описать свои результаты в нескольких предложениях.
Недопонимание последних экспериментов немецких учёных
[Прим. переводчика: см. geektimes.ru/post/259460]
Ещё одна распространённая в статьях и соцсетях цитата:
Шон Кэрролл, физик из Калифорнийского технологического института, с которым мы уже общались насчёт возможности EmDrive, согласен с Дэвисом:
«По-моему, EmDrive — ерунда и бессмысленная трата времени. Они прямо в аннотации говорят: „наши испытания не могут ни подтвердить, ни опровергнуть утверждения про EmDrive“, так что я не вижу, в чём здесь новостной повод. Я лично собираюсь думать про те идеи, которые не нарушают закон сохранения импульса.»
Да, если вы внимательно прочитаете статью немецких исследователей, они ясно говорят, что они не подтвердили EmDrive. Так что авторы СМИ прочитали статью невнимательно, но её авторы тут не виноваты.
В статье сказано, что по их измерениям, аппарат давал тягу в вакууме, но они не исключили других объяснений. С другой стороны, они ни одно из них и не подтвердили, так что и сказать, что статья опровергает EmDrive, нельзя.
Статья просто сообщает об интересных промежуточных результатах экспериментов, не делая далеко идущих выводов — так наука обычно и работает.
Задержка и объяснение через тепло
Из-за того, что тяга появлялась не сразу после подачи электричества и продолжалась некоторое время после его отключения, многие поспешили объяснить её действием тепла. Но опять-таки, прочитав статью внимательно, вы увидите, что экспериментаторы рассмотрели это возможное объяснение. Например, они изолировали двигатель от тестовой камеры так, что температура в той повысилась всего на 4 градуса (что не повлияло на размер горизонтальной тяги). И тепловые эффекты подтвердились, но, как и ожидалось, в вертикальном направлении, что позволяет отделить их от исследуемого эффекта горизонтальной тяги.
А задержка эффекта — ровно то, чего следует ожидать, если (например) камера каким-то образом «заряжается», вроде роста электрического заряда или разности давления (это аналогия, а не предлагаемое мной объяснение). Если бы эффект появлялся и пропадал немедленно после включения/отключения электричества, скептики так же объявили бы это доказательством того, что он объясняется магнетизмом от провода или чем-то подобным.
Опровержения через законы сохранения
Многие заявляют, что двигатель невозможен, потому что он нарушает законы сохранения энергии или импульса [прим. переводчика — серьёзных утверждений, что он нарушает ЗСЭ, я не видел]. Но новые физические явления легко могут казаться нарушениями этих законов. Например, представьте себе, что мы знаем эти законы, но только что встретились с гравитацией и не учитываем её в своих вычислениях. Тогда падающие объекты явно нарушают оба закона: объект ускоряется, получая из ниоткуда кинетическую энергию и импульс движения, и останавливается, столкнувшись с Землёй, теряя импульс опять-таки в никуда.
Наша физика объясняет первое существованием потенциала гравитационного поля, и при падении этот потенциал уменьшается и превращается в кинетическую энергию (остановимся на ньютоновой механике и не будем вдаваться в теорию относительности). А импульс сохраняется благодаря тому, что Земля чуть-чуть ускоряется по направлению к падающему объекту — но никакой практической возможности измерить это ускорение у нас нет! Это только заключение из экспериментов, произведённых в меньших масштабах.
Мало того, иногда в экспериментах действительно наблюдаются кажущиеся нарушения этих законов. Например, при бета-распаде. Паули предложил нейтрино, как объяснение этого явления в 1930 (называя его «нейтроном» — та частица, которая так называется сейчас, ещё не была открыта):
«Дорогие радиоактивные дамы и господа. Я прошу Вас выслушать со вниманием в наиболее удобный момент посланца, доставившего это письмо. Он расскажет Вам, что я нашел отличное средство для закона сохранения и правильной статистики. Оно заключается в возможности существования электрически нейтральных частиц… Непрерывность Β-спектра станет понятной, если предположить, что при Β-распаде вместе с каждым электроном испускается такой „нейтрон“, причем сумма энергий „нейтрона“ и электрона постоянна...»
(перевод взят из www.nkj.ru/archive/articles/6592)
Экспериментально нейтрино было обнаружено только в 1956, через четверть века после гипотезы Паули. Всё это время по экспериментам получалось, что при бета-распаде энергия не сохраняется.
Я не утверждаю, что EmDrive создаёт нейтрино, но могут существовать какие-то другие частицы, ещё более слабо взаимодействующие и способные переносить импульс. Или какие-то ещё неизвестные и неучтённые явления, объясняющие сохранение импульса и энергии в EmDrive.
Есть то, что действительно невозможно по законам сохранения: вечный двигатель. Система, которая возвращается точно в исходное состояние, производя при этом энергию, с законами сохранения никак не совместима. Но никто и не утверждает, что EmDrive — такая система! Он получает внешнюю энергию.
Экспериментаторы должны смотреть на данные, даже когда они кажутся невозможными
Несмотря на любые соображения про законы сохранения, нужно основываться на результатах наблюдений. Учёные должны объяснить и понять их. Нельзя выкидывать эксперименты только потому, что их результаты не согласуются с вашими научными убеждениями.
У Исаака Азимова есть неплохой рассказ про то, как один физик вдруг обнаружил, что он умеет левитировать. Он не может найти этому объяснения и у него никак не получается убедить кого-нибудь исследовать это явление, поскольку ни один учёный не хочет в это поверить (рассказ называется «Вера»). Почему такого никогда не происходит на самом деле? Возможно ли это, а если нет, то почему? На такие вопросы физика ответа дать не может.
Итак, если мы находим кажущиеся нарушения законов физики — это не повод отвергать экспериментальные данные, как это делали учёные в рассказе Азимова. Это не соответствует принципам науки.
Почему ионные двигатели используют высокую скорость выхлопа
В обычных космических кораблях при высокой скорости выхлопа большая часть энергии уходит именно в выхлоп, а не на движение корабля.
Как мысленный эксперимент, представьте себе, что у вас есть друг, летящий параллельным курсом и готовый отдать вам сколько угодно массы на выхлоп, но не энергии для неё. Тогда намного лучше выбросить 1 кг со скоростью 1 м/с, чем 1 мг со скоростью 1000 м/с: импульс они дадут одинаковый, а энергии в первом случае потребуется в 1000 раз меньше. И соответственно, ещё лучше выпустить 1000 кг на 0.001 м/с. Итак, в этой искуственной ситуации, при ограниченном количестве энергии и неограниченном количестве отбрасываемой массы, мы хотим выбросить максимальную возможную массу на минимальной возможной скорости.
У обычных ионных двигателей ситуация обратная — поскольку масса ограничена, они вынуждены использовать большую скорость выхлопа, хотя с точки зрения энергии это намного менее эффективно.
Откуда берётся масса для изменения импульса EmDrive?
Таким образом, главный вопрос про EmDrive — если он сохраняет импульс, то откуда берётся масса для импульса, противоположного тому, который он производит?
Вариант 1: преобразование энергии
Если она возникает из подаваемой энергии, то в принципе ситуация близка к обычному ионному двигателю — у нас есть РИТЭГ, который превращает массу в энергию, потом EmDrive превращает часть этой энергии в массу, а часть использует для того, чтобы разогнать эту массу. При этом масса корабля всё-таки используется, но не напрямую.
Аналогично при использовании солнечных батарей — мы используем фотоны (созданные конверсией массы в энергию внутри Солнца) как энергию, превращаем часть их в массу и используем остаток для разгона. При этом масса самого корабля не тратится, и это может работать эффективнее фотонного двигателя при условии достаточно низкой скорости выхлопа.
Вариант 2: из окружающей среды
Если EmDrive каким-то образом использует окружающую массу, то это ближе к описанной выше ситуации с другом и требует существенно больших объяснений того, откуда берётся масса, движущаяся с той же скоростью, что наш корабль.
Проще всего это объяснить (не придумывая проблематичных идей вроде «виртуальной плазмы»), если масса всё-таки не движется с такой скоростью, как космолёт. Тогда потребуются затраты энергии на её разгон, но всё-таки в этом может быть смысл, по аналогии с прямоточным двигателем Бассарда.
Например, может быть, что у «вакуума» есть масса и на самом деле это какая-то плазма, которая, допустим, покоится относительно реликтового излучения. Это не нарушает никаких законов физики. Если Большой взрыв каким-то образом задал структуру вакуума, а с тех пор он просто расширяется, то в этом смысле может существовать «предпочтительная система отсчёта». Конечно, здесь много допущений, но всё это гипотетическая новая физика [прим. переводчика — чем это отличается от упомянутых выше «проблематичных идей», мне непонятно].
В этом случае окажется, что эффективность двигателя зависит от скорости относительно реликтового излучения; в некотором смысле это похоже на его использование в качестве топлива.
Или может оказаться, что используется что-то другое, распределённое в пространстве, что мы ещё не обнаружили. Возможно, какая-то среда, неподвижная относительно нашей галактики, или вращающаяся вокруг её центра с той же скоростью, что Солнечная система, или неподвижная относительно Солнца — вариантов тут много.
Во всех этих случаях мы можем ожидать потери эффективности при росте скорости относительно «исходного материала», чем бы он ни был. Потенциально это может быть обнаружено в будущих экспериментах, если вдруг окажется, что тяга зависит от скорости относительно реликтового излучения, или одного из других источников — что может проявиться в зависимости от времени года или от времени дня.
Идея, что дело может быть в каких-то слабо взаимодействующих частицах, не моя собственная — она была высказана уже в докладе Eagleworks, вместе с более экзотическими версиями того, как двигатель может работать без нарушения законов сохранения.
Часто задаваемые вопросы
Ответим на несколько распространённых вопросов:
Как объясняют принцип работы сами изобретатели?
Роджер Шойер считает, что двигатель вполне объясняется стандартной электродинамикой. Его объяснение основано на разнице между групповой и фазовой скоростью электромагнитных волн. Некоторые учёные считают, что его вычисления содержат ошибки.
Гвидо Фетта считает, что Cannae Drive (вариант EmDrive с дополнительными желобками внутри) создаёт некую разницу в квантовом вакууме, от которой и отталкивается.
Может быть, это просто фотонный двигатель?
Возможно, часть излучения всё-таки выходит из двигателя и она-то и создаёт тягу.
Начнём с того, что фотонные реактивные двигатели в принципе хорошо изучены. Это не безинерционный двигатель — у фотонов есть энергия и импульс. Но фотонному двигателю нужно минимум 300 МВт (это мощность небольшой электростанции) для создания тяги в 1 ньютон. Поэтому мы их и не используем в космических аппаратах. Поскольку EmDrive уже даёт микроньютоны тяги на ватт, то получаем даже без повышения эффективности порядок соотношения ньютоны на мегаватт, что на два или три порядка эффективнее идеального фотонного двигателя.
Но эта эффективность идеальная в том случае, если каждый фотон используется только один раз. Её можно превысить, если у нас два космолёта с зеркалами, между которыми потоки фотонов отражаются много раз, вплоть до сотен тысяч — это позволит получить намного больше импульса с каждого фотона. При этом космолёты ускоряются в противоположных направлениях. Это так называемый фотонный лазерный двигатель.
Но чтобы это объясняло EmDrive, нужно, чтобы его камера не просто выпускала фотоны, а они от чего-то снаружи отражались, попадали обратно в EmDrive, и так много-много раз. Как такое может случиться в условиях этого эксперимента, я не могу даже предположить :)
Мы можем просто увеличить устройство и получить легко измеряемый эффект
Беда в том, что если мы не понимаем принципа работы, нет уверенности в том, что прямолинейное увеличение размеров и мощности даст такое же увеличение результата. Например, мы можем создать небольшие прототипы термоядерных реакторов, но при их увеличении плазма перестанет удерживаться.
Несколько возможных результатов:
- Увеличенные версии могут оказаться настолько нестабильными, что ничего не произойдёт.
- Или те самые желобки действительно необходимы, но только для достаточно больших устройтств.
- Или вместо них нужно что-то другое.
Для маленьких устройств эффект уже наблюдается и это в любом случае требует объяснения.
Да, есть смысл построить устройства несколько большего размера, но если эффект от этого не увеличится, это не опровергнет его существования; это будут просто дополнительные экспериментальные результаты.
Мне кажется, что при текущем уровне понимания сильно тратиться на большой вариант двигателя не оправдано. Кроме того, пока мы не знаем, растёт ли линейно тяга при росте мощности. Если да, то для тяги в 1 ньютон нужно около мегаватта, что немало. А если она растёт как корень из мощности (просто как пример)? Тогда для того же ньютона тяги потребуется уже тераватт, и такого устройства нам не построить.
Наконец, мощные устройства опаснее. В общем, предоставим экспериментаторам самим решать, с какими именно размерами им лучше работать.
Пусть это не вечный двигатель — но если бы эффект существовал, могли бы мы построить вечный двигатель на его основе?
Идея в том, что если для двигателя не нужна масса, то придаваемый им импульс не зависит от текущей скорости.
Допустим, вначале космолёт находится в покое относительно вас и может, затратив сколько-то энергии, ускориться до 1 м/с. Тогда, затратив вдвое больше энергии, он разгонится до 2 м/с. Но тогда оказывается, что полученная кинетическая энергия растёт как квадрат затраченной и как бы мал ни был коэффициент, в конце концов она окажется больше. Это вроде бы позволяет создать вечный двигатель.
Например, если мы поместим наш двигатель на ободок колеса и запустим его, то в конце концов кинетическая энергия колеса должна оказаться больше, чем энергия, которую мы подаём на двигатель. После этого подсоединим колесо на вход двигателя и вуаля!
Заметим, что если двигатель требует реактивной массы (неважно, обычный это ракетный двигатель, ионный или фотонный), то её скорость тоже растёт, а масса двигателя падает. С помощью расчётов можно показать, что вечного двигателя таким образом не получается.
Так что вопрос имеет право на существование. Я могу предложить несколько возможных объяснений (это не исчерпывающий набор):
- При увеличении тяги мы обнаружим, что масса всё-таки уменьшается, аналогично ионному двигателю.
- Импульс зависит от скорости относительно некой среды, как у двигателя Бассарда, который так же не нарушает законов сохранения.
- Двигатель искривляет пространство, аналогично двигателю Алькубьерре. В этом случае стандартные расчёты импульса неприменимы, так как на самом деле двигатель неподвижен, а меняется пространство вокруг него.
- Двигатель искривляет пространство, аналогично двигателю Алькубьерре. В этом случае стандартные расчёты импульса неприменимы, так как на самом деле двигатель неподвижен, а меняется пространство вокруг него.
- Какой-то ещё пока неизвестный физический принцип, который изменяет состояние вселенной при работе двигателя нелокальным образом (аналогично Земле, ускоряющейся к камню в приведённом выше примере).
Это также обсуждалось на Reddit.
И всё же, насколько вероятно, что эффект реален?
Несмотря на всё вышесказанное, я считаю, что скорее всего двигатель не работает и в конце концов мы найдём другое объяснение результатов этих экспериментов, как это случилось со «сверхсветовыми нейтрино».
Я просто хотел объяснить, почему я считаю многие существующие опровержения научно необоснованными. В этом нет ничего увидительного — их авторы отнюдь не специалисты в этой области, а учёные все-таки люди и вне своей области легко могут грубо ошибаться. Некоторые из этих ошибок довольно трудноуловимы, и я не уверен, что заметил бы их сам; я прочёл о них в других статьях, к сожалению, не получивших достаточной популярности.
Я сочувствую экспериментаторам, которые не заслужили таких опровержений от людей, которые не прочитали их работы достаточно внимательно. Я также понимаю желание опровергнуть кажущееся нарушение основных законов физики — всё-таки подавляющее большинство таких нарушений действительно экспериментальные ошибки, а не крупные открытия.
Это не значит, что я считаю, что EmDrive работает. Я не имею мнения на этот счёт, но думаю, что это стоит подробной проверки, пока мы не найдём наконец объяснение ошибки или всё-таки убедимся в её отсутствии.
Да, я считаю, что скорее всего это окажется ошибкой, просто потому, что большинство подобных сенсаций ими оказываются. Но иногда — редко — такие эксперименты становятся основой научной революции. И их не будет, если экспериментаторы будут останавливать эксперименты только потому, что их результаты не сходятся с известной наукой.
Конечно, если в конце концов найдут ошибку, это тоже будет шаг вперёд в науке.
Не торопитесь заказывать отпуск на Луне
Даже если эффект окажется реальным, рано говорить о практических применениях. Шойер утверждает, что он скоро создаст версии устройства с тягой порядка ньютонов — в миллион раз больше нынешней. Если у него это получится, то от них может быть практическая польза.
Но вполне возможно, что этот эффект настолько мал, что никогда не превратится в полезное устройство. Или окажется практичным только в конкретных ситуациях, вроде ионного двигателя. Даже в интересном случае, если он позволит открыть новые физические принципы, он не обязательно позволит создать летающие автомобили.
Так преуменьшается ли значение этих экспериментов?
Да, я считаю, что некоторые учёные, журналисты и блоггеры несправедливо преуменьшают их значение. А другие несправедливо преувеличивают :)
Но я бы не сказал что научное сообщество в целом впадает в одну из этих крайностей. Как показывают те же немецкие эксперименты, оно внимательно и аккуратно их проверяет.
А вот СМИ слишком публицизируют обе стороны. И нет ничего удивительного в том, что и учёные, которые часто не специалисты в этой области и не связаны с экспериментами, допускают ошибки и недопонимания из-за излишнего желания поддержать «свою» сторону.
Но окончательный вердикт придёт не из интернет-обсуждений и не из новостей. Единственный способ выяснить, кто прав — продолжать эксперименты. Наука в реальном мире работает не так, как в фильмах, где результат одного или двух наблюдений немедленно позволяет создать безошибочную новую теорию. Нам придётся подождать.
Автор: alexeyrom
