Новое объяснение принципа работы «невозможного» двигателя EmDrive: это все фотоны
Финские ученые считают, что EmDrive не нарушает закон сохранения импульса
Эпопея с так называемым «невозможным» двигателем EmDrive на электромагнитных волнах продолжается. На данный момент ряд известных ученых и научных организаций подтвердили работоспособность EmDrive. Двигатель представляет собой систему, состоящую из резонатора (металлический усеченный конус) и магнетрона. Двигатель работает, это факт. Каким образом? Такая система каким-то образом создает тягу под влиянием электромагнитного излучения. Существует несколько гипотез, объясняющих появление тяги. Пока что ни одна гипотеза не была доказана. Собственное объяснение принципа работы EmDrive в этом месяце предложили финские ученые.
По их мнению, образование тяги в этой системе объясняется определенным типом интерференции волн, а именно — деструктивной интерференцией. Под конструктивной интерференцией понимается такой тип комбинирования отраженных волн при резонансе, когда происходит усиление волнами друг друга. В случае деструктивной интерференции максимумы одних волн приходятся на минимумы других, при этом резонанс отсутствует. Если речь идет о волнах на воде, то при деструктивной интерференции они накладываются друг на друга, и поверхность воды выглядит спокойной.
Можно привести и другой пример, с электронами. Так, интерференция рамановских переходов электрона различной степени нелинейности является деструктивной.
А причем здесь фотоны?
По мнению физиков из Финляндии, в резонаторе этого двигателя из большого количества всех частиц выделяются пары фотонов, которые находятся в противофазе друг с другом. Такие пары, считают ученые, уносят импульс в сторону, противоположную движению двигателя. Взаимодействие этих фотонов приводит в возникновению электромагнитной волны с нулевой поляризацией. Но импульс эта волна все же переносит.
«Принцип работы EmDrive можно сравнить с принципом работы реактивного двигателя самолета, когда газы, двигающиеся в одном направлении, толкают самолет в противоположном направлении», — говорит Арто Аннила (Arto Annila), представитель команды ученых из Финляндии. «Микроволновое излучение — это топливо, которое уходит в резонатор…, а тягу в EmDrive создают пары фотонов. Когда два фотона движутся вместе, но имеют противоположные фазы, тогда у этой пары нет электромагнитного поля, следовательно, она не будет отражаться от металлических стенок, а уйдет».
По мнению исследователей, тяга в двигателе возникает под влиянием волн, длина которых не кратна расстоянию между стенками резонатора. Это возможно только в том случае, если резонатор несимметричен. Если бы он был полностью симметричным, то тяга бы не возникала. В случае EmDrive тяга будет проявляться при любой асимметричной конфигурации. Вероятно, что эффективность работы двигателя зависит как от мощности микроволнового источника, так и от материала резонатора EmDrive, а также от его формы. И зависимость эта нелинейна.
Финны подчеркивают, что их идея — это всего лишь предположение, как и гипотезы их коллег, пытавшихся объяснить принцип действия EmDrive раньше. Физики из Финляндии надеются, что инженеры смогут создать тестовые системы для проверки их теории парных фотонов. Для этого нужно также устройство, которое называется интерферометром. Интерферометр — измерительный прибор, действие которого основано на явлении интерференции. Принцип действия интерферометра заключается в следующем: пучок электромагнитного излучения (света, радиоволн и т. п.) с помощью того или иного устройства пространственно разделяется на два или большее количество когерентных пучков. Каждый из пучков проходит различные оптические пути и направляется на экран, создавая интерференционную картину, по которой можно установить разность фаз интерферирующих пучков в данной точке картины.
Еще фотоны
Отмечу также, что в апреле работу EmDrive пытался связать с взаимодействием фотонов физик Майк Макалох (Mike McCulloch) из Плимутского университета. Макалох предлагает объяснить принцип работы двигателя при помощи эффекта Унру. Этот эффект был назван в честь физика Билла Унру, который открыл его еще в 1976 году. Он показал, что понимание вакуума зависит от типа движения наблюдателя через пространство-время. К примеру, если неподвижный наблюдатель находится в вакууме, то в случае ускорения этот наблюдатель увидит вокруг себя множество частиц, которые находятся в термодинамическом равновесии. Другими словами, о вакууме можно говорить только относительно определенного объекта. При этом инерция, по словам Махалоха — это давление теплового излучения на ускоряющееся тело. При малых ускорениях волны излучения Унру превышают размеры всей Вселенной, что позволяет говорить о квантовании инерции.
Теория несколько необычная, но она кроме принципа работы EmDrive объясняет еще один эффект — пролетные аномалии. Пролётная аномалия — это неожиданное увеличение энергии во время гравитационных манёвров космических аппаратов около Земли. Эта аномалия наблюдалась как доплеровский уход частоты в S-диапазоне и X-диапазоне и дальней телеметрии.
Так вот, Макалох предположил, что у фотонов есть инертная масса. Фотоны отражаются внутри корпуса EmDrive, следовательно, они испытывают инерцию. Длины волн излучения Унру в этом случае очень малы, их размер сравним с размером корпуса двигателя. Если в широкой части конуса могут поместиться волны Унру, которые не помещаются в узкой части резонатора, то инерция фотонов, которые отражаются, должны меняться. А для сохранения импульса система создает тягу. По мнению автора этой теории, она согласуется с теми величинами тяги, которые были получены в экспериментах.
Проверить как теорию финнов, так и теорию англичанина можно экспериментально, проведя серию тестов с EmDrive. И если окажется, что тягу в «невозможном» двигателе создают именно фотоны, это позволит технологам создать EmDrive с иной формой резонатора, что приведет к созданию большей тяги у двигателя.
Что это может означать для космонавтики? Значительное сокращение времени полета космических аппаратов. Например, New Horizons с EmDrive мог бы добраться до Плутона всего за 18 месяцев вместо 9 лет. Если EmDrive получится масштабировать, то и полет к ближайшим звездам вместо сотен и тысяч лет мог бы занять всего несколько десятков лет. Это, конечно, тоже много, но уже более реально.
