Den nyfikna länken mellan Fly-By Anomaly och den omöjliga EmDrive Thruster

För ungefär 10 år sedan gjorde en föga känd flygingenjör vid namn Roger Shawyer ett extraordinärt påstående. Ta en stympad kon, sa han, studsa mikrovågor fram och tillbaka inuti den och resultatet blir en stöt mot den smala änden av konen. Voila … en revolutionerande propeller som kan skicka rymdfarkoster till planeterna och bortom. Shawyer kallade det EmDrive.

Shawyers tillkännagivande var enormt kontroversiellt. Systemet omvandlar en typ av energi till kinetisk energi, och det finns många andra system som gör något liknande. I det avseendet är det omärkligt.

De konceptuella problemen uppstår med fart. Systemets totala momentum ökar när det börjar röra på sig. Men var kommer detta momentum ifrån? Shawyer hade ingen övertygande förklaring, och kritiker sa att detta var ett uppenbart brott mot lagen om bevarande av momentum.

Shawyer kontrade med experimentella resultat som visade att enheten fungerade som han påstod. Men hans kritiker var inte imponerade. EmDrive, sa de, var likvärdigt med att generera en dragkraft genom att stå inuti en låda och trycka på sidorna. Det var med andra ord ormolja.

Sedan dess har något intressant hänt. Olika team runt om i världen har börjat bygga sina egna versioner av EmDrive och testa dem. Och till allas förvåning har de börjat reproducera Shawyers resultat. EmDrive, det verkar, producerar verkligen dragkraft.

2012 sa ett kinesiskt team att de hade mätt en dragkraft producerad av sin egen version av EmDrive. 2014 byggde en amerikansk forskare en EmDrive och övertalade NASA att testa den med positiva resultat.

Och förra året genomförde NASA sina egna tester i ett vakuum för att utesluta rörelse av luft som ursprunget till kraften. NASA bekräftade också att EmDrive producerar en dragkraft. Totalt har sex oberoende experiment stött Shawyers ursprungliga påståenden.

Det lämnar ett viktigt pussel – hur man förklarar den skenbara kränkningen av bevarande av momentum.

Idag får vi ett slags svar tack vare Mike McCullochs arbete vid Plymouth University i Storbritannien. McCullochs förklaring är baserad på en ny teori om tröghet som gör häpnadsväckande förutsägelser om hur objekt rör sig under mycket små accelerationer.

Först lite bakgrund. Tröghet är motståndet hos alla massiva föremål mot förändringar i rörelse eller accelerationer. I modern fysik behandlas tröghet som en grundläggande egenskap hos massiva föremål som utsätts för en acceleration. Faktum är att massa kan ses som ett mått på tröghet. Men varför tröghet överhuvudtaget existerar har förbryllat forskare i århundraden.

McCullochs idé är att tröghet uppstår från en effekt som förutsägs av allmän relativitet som kallas Unruh-strålning. Detta är uppfattningen att ett accelererande föremål upplever svart kroppsstrålning. Med andra ord, universum värms upp när du accelererar.

Enligt McCulloch är tröghet helt enkelt det tryck som Unruh-strålningen utövar på en accelererande kropp.

Det är svårt att testa med de accelerationer vi normalt observerar på jorden. Men saker och ting blir intressanta när accelerationerna är mindre och våglängden på Unruh-strålningen blir större.

Vid mycket små accelerationer blir våglängderna så stora att de inte längre får plats i det observerbara universum. När detta händer kan trögheten endast ta vissa helvåglängdsvärden och hoppar så från ett värde till nästa. Med andra ord måste trögheten kvantiseras vid små accelerationer.

McCulloch säger att det finns observationsbevis för detta i form av den berömda flugan av anomalier. Dessa är de konstiga hopp i fart som observeras i vissa rymdfarkoster när de flyger förbi jorden mot andra planeter. Det är exakt vad hans teori förutspår .

Att testa denna effekt mer noggrant på jorden är svårt eftersom accelerationerna är så små. Men ett sätt att göra det lättare skulle vara att minska storleken på tillåtna våglängder för Unruh-strålning. Det här är vad EmDrive kan göra, säger McCulloch.

Tanken är att om fotoner har en tröghetsmassa måste de uppleva tröghet när de reflekterar. Men Unruh-strålningen i det här fallet är liten. Så liten faktiskt att den kan interagera med sin närmiljö. I fallet med EmDrive är detta den stympade konen.

Konen tillåter Unruh-strålning av en viss storlek i den stora änden men endast en mindre våglängd i den andra änden. Så trögheten hos fotoner inuti kaviteten måste ändras när de studsar fram och tillbaka. Och för att bevara momentum måste detta generera en dragkraft.

McCulloch sätter denna teori på prov genom att använda den för att förutsäga krafterna den måste generera. De exakta beräkningarna är komplexa på grund av problemets tredimensionella karaktär, men hans ungefärliga resultat matchar storleksordningen på dragkraften i alla experiment som gjorts hittills.

Det avgörande är att McCullochs teori gör två testbara förutsägelser. Den första är att placering av ett dielektrikum inuti kaviteten bör öka effektiviteten hos thrustern.

Det andra är att ändring av kavitetens dimensioner kan vända dragkraftens riktning. Det skulle hända när Unruh-strålningen bättre matchar storleken på den smala änden än den stora änden. Att ändra frekvensen för fotonerna inuti kaviteten kan uppnå en liknande effekt.

McCulloch säger att det finns några bevis för att just detta händer. Denna dragkraftsomkastning kan ha setts i de senaste NASA-experimenten, säger han.

Det är en intressant idé. Shawyers EmDrive har potentialen att revolutionera rymdfarten eftersom den inte kräver något drivmedel, den största begränsande faktorn i dagens framdrivningssystem. Men i avsaknad av någon övertygande förklaring till hur det fungerar, är forskare och ingenjörer förståeligt nog försiktiga.

McCullochs teori kan hjälpa till att ändra på det, även om det knappast är en vanlig idé. Det gör två utmanande antaganden. Den första är att fotoner har tröghetsmassa. Det andra är att ljusets hastighet måste ändras i kaviteten. Det kommer inte att vara lätt för många teoretiker att ta itu med.

Men när fler experimentella bekräftelser av Shawyers EmDrive dyker upp, tvingas teoretiker in i en svår position. Om inte McCullochs förklaring, vad då?

Ref: arxiv.org/abs/1604.03449 : Testar kvantiserad tröghet på EmDrive

Dölj