【观察者网综合】对于无工质引擎，三体迷们应该不陌生。《三体》小说中，章北海将人类航天技术的方向引向无工质型核聚变引擎，最终，人类才得以在三体人入侵地球之前研制出具备星际航行能力的飞船。常规推进方式的宇宙飞船速度是有上限的，如果人类想要探索太阳系的外层空间或是飞抵其他星系，就需要引擎能在不消耗推进剂的情况下产生推力。

美国科学家日前称，不需要任何推进燃料，也没有任何排放物的引擎EmDrive已经有了一台原型机，它可以把电能转化为微波，并使之在一个密闭锥形金属腔内来回反弹，从而产生推力，测试表明，其推力可以达到太阳帆的100多倍。

上周六，一篇外泄的论文显示，科学家正在研发无工质微波引擎EmDrive的原型机。如今该论文终于通过了同行评审，将于12月正式发表在美国航空航天协会（AIAA）的《推进与动力期刊》上。论文中介绍了美国国家航空航天局（NASA）雄鹰工作实验室（Eagleworks Laboratories）开展的一系列成功测试，正式版本删除了早先泄漏的版本中列出的试图解释实验结果的更多理论。

传统的火箭引擎都遵守牛顿第三定律：要产生一个向前的推力，则需要同等的反向推力。工质是火箭向后方高速喷射的大量物质，无工质引擎什么都不射出，于是就打破了牛顿第三定律。因此这项研究充满争议与谜团。

研究人员正在努力降低太空航行的成本、提高飞行速度，增强我们的太空探索能力。

这篇泄露论文所描述的EmDrive由一个密闭的锥形铜质腔体组成，而微波就在它的内部来回反弹。

该系统可以产生每千瓦1.2毫牛顿的推力，比霍尔离子推进器的功率小得多，后者的推力高达每千瓦60毫牛顿。

EmDrive引擎最初由英国研究人员罗杰·肖耶尔（Roger Shawyer）于十几年前发明。该引擎的原理是，让光子微波在密闭的锥体内部反弹，从而在锥体较细的一端产生推力，推动宇宙飞船向前飞行。但从牛顿的运动学第三定律来看，这是不可能实现的，因为任何运动都会产生大小相等的反作用力，而EmDrive引擎不会向外喷射任何废料。（可以联想一下火箭，它们就是通过高速喷出气体和其它物质获得前进的推力的。）

罗杰·肖耶尔（Roger Shawyer）

据悉，EmDrive引擎只需十周就能将人类送上火星，但专家此前一直认为该想法不可能成真，因为它违反了基本物理定律。但这支由NASA约翰逊航空中心的哈罗德·怀特（Harold White）带领的研究团队的确检测到了微弱的推力。在这项最新研究中，研究人员对该设备在真空中的表现进行了测试，研究人员分别选择了40、60和80瓦的输入功率，结果发现它分别产生了高达58、128和119微牛顿的推力。基于这些结果，研究人员估计，如果他们提升输入功率，这种神奇装置将能产生每千瓦近1.2毫牛顿的推力。

“前进时、后退时和静止时的推力数据显示，该系统可以产生每千瓦1.2毫牛顿（正负波动0.1）的推力，十分接近该系统在空气中运行的平均性能”。怀特与同事们在论文中指出，这一推力高达太阳帆的100多倍。

作为对比，霍尔效应推进器（Hall thruster）——这是目前正在研发当中的最强大推进器之一，其推力源自喷射等离子体——能够产生每千瓦60毫牛顿的推力。

与太阳帆类似，EmDrive引擎不需要任何推进剂，采用该推进系统的宇宙飞船可通过太阳能帆板产生所需的微波。因此，EmDrive引擎可以大大降低太空旅行的成本，提高飞行速度，帮助我们更好地探索宇宙。

“问题是，此次实验的观测结果究竟是真是假。”加州州立大学富尔顿分校的物理学家吉姆·伍德瓦德（Jim Woodward）表示，“我知道保罗·马奇（Paul March，该项目的主要研究人员之一）做了严谨细致的工作，说实话，我觉得他们的实验结果或许真能说明一些问题。”

“但他们的观测结果无法用他们提出的理论来解释。那么，背后的原因究竟是什么呢？”此前研究人员提出了两种可能的解释。一种是量子真空理论，即微波在空腔中会将虚粒子推开，从而产生推力；另一种解释则是，微波辐射会作用于引擎内壁，从而产生推力。但伍德瓦德认为，这两种解释都是错误的，因为它们均违背了物理定律。

根据牛顿的理论，如果你想推动火箭在太空飞行，那你必须在它前进的相反方向上喷射出一些物质。然而，EmDrive似乎是在没有任何作用力的情况下产生了反作用力——那么，是什么产生了它？

对于这种貌似打破了物理学基石的现象，科学家提出了多种理论试图加以解释。怀特一直是量子真空假说的支持者。

这种理论认为，EmDrive产生推力的方式是作用于虚粒子，而这些虚粒子是由量子真空的波动产生的（根据该理论，EmDrive所产生的电磁场引发了这些真空波动）。本质上，微波会“推离”这些位于EmDrive空腔内部的虚粒子，从而产生怀特及其同事在EmDrive实验中观测到的推力。

如果微波在锥形铜质腔体内壁反弹无法产生推力，那么它们必然反弹在了腔内的某个东西上面——比如存在于量子真空的虚粒子/反粒子。不过，这种理论的问题是，虽然物理学家已经通过实验证明了量子真空的存在，但他们也大致达成一种共识：它无法被用作产生推力的介质。

在美国宇航局最近泄露的论文及其2014年关于EmDrive的第一篇论文中，怀特的量子真空理论都被援引为实验所观测到的推力的理论解释。尽管如此，学界的顶级物理学家一次又一次对量子真空理论进行了驳斥。

“跟量子真空相关的理论建构是无稽之谈，”伍德瓦德说，“没有实验证据表明，像（怀特所持理论）那样冷僻的东西能够合理地解释量子真空。据我所知，量子场领域没有哪个理论物理学家把这种理论当回事。”

另一种流行的假说是，EmDrive产生的推力源于辐射压力。EmDrive的发明者罗杰·肖耶尔（Roger Shawyer）就是这种假说的支持者。在这一派看来，当微波辐射进入铜质空腔，辐射会作用于EmDrive的腔壁，从而产生推力。

对此，伍德瓦德表示，单纯用辐射压力假说来解释美国宇航局研究人员在实验中观测到的现象，那就好比说我们可以坐在汽车驾驶座通过用力推挡风玻璃来让汽车加速。

“微波能在空腔中产生推力吗？答案很简单：不能。”伍德瓦德指出。“根据动量守恒定律，任何密闭的纯电磁系统都无法产生推力。量子理论和经典电动力学都遵循这一定律，因此从物理理论来看，这是不可能实现的。”

伍德瓦德认为，我们可以用马赫效应来解释EmDrive引擎，这样就不会违反任何物理定律了。伍德瓦德于上世纪90年代率先阐释了马赫效应，即在加速物体所受的力中，有一部分力不会产生动能，而是会转化为势能储存在物体中。这会使物体的静止质量出现波动，从而产生科学家在实验中观察到的推力。

在过去20年中，伍德瓦德一直在努力建造实验装置，它们已经成功地展示了马赫效应，但他的理论在物理学界还远没有成为主流。而随着更多的实验进行了成功的验证，他的理论正在获得越来越多的支持。在过去10年中，马奇就跟伍德瓦德合作完成了一系列成功的马赫效应实验；在今年9月科罗拉多州埃斯蒂斯帕克举行的异常物质推进技术大会（Exotic Propulsion Conference）上，在伍德瓦德之外还有三位物理学家声称，他们成功复制了前者的实验结果。

“在我看来，这是我知道和信任的唯一不涉及妄想和魔法领域的物理学理论，”伍德瓦德如是说。

但要验证这一理论，科学家还需要用马赫效应理论重复NASA的研究结果。此外，怀特和他带领的研究团队还指出，此次研究仅仅是对EmDrive引擎概念的验证，他们还需要开展进一步测试，排除实验误差的可能性。例如，EmDrive引擎内部的空气可能在实验中受热膨胀，引发了部分观测结果。

而除了此次研究之外，EmDrive引擎技术的研发还取得了一系列成功。中国科研人员在2012年就已经对自己的版本开展了测试（观察者网注：西北工业大学的杨涓，论文下载地址），怀特和同事们在2013年也取得了乐观的实验结果。怀特指出，如果我们能设法利用亚原子粒子的能量，或许真能使这个异想天开的引擎变成现实。

（综合新浪科技及外媒报道）