Популярный научно-просветительский канал PBS Space Time запустил новый формат «Журнального клуба», посвятив первый выпуск разбору одного из самых резонансных и спорных вопросов современной космонавтики — двигателю EM Drive. Ведущий программы детально проанализировал результаты официального отчета лаборатории Eagle Works НАСА за 2016 год, в котором заявлялось об успешных испытаниях резонансного микродвигателя в условиях глубокого вакуума. В статье рассматривается физика гипотетического устройства, ограничения закона сохранения импульса и вероятные экспериментальные погрешности, способные объяснить загадочную тягу.
🛸 Загадка «невозможного» двигателя 0:00
Тема гипотетического двигателя EM Drive долгое время оставалась одной из самых запрашиваемых среди зрителей канала PBS Space Time. Научные коммуникаторы намеренно избегали детального разбора, поскольку ранние результаты экспериментов были неубедительными, а предлагаемые теоретические объяснения казались либо в корне неверными, либо чересчур спекулятивными. Однако публикация официального отчета лаборатории Eagle Works НАСА заставила научное сообщество взглянуть на проблему серьезнее: тесты в глубоком вакууме показали положительный результат — реальную тягу.
В рамках «Журнального клуба» ведущий предложил подробно разобрать научную статью 2016 года, авторами которой стали Гарольд «Санни» Уайт и его коллеги. Полное название работы — «Измерение импульсной тяги замкнутой радиочастотной полости в вакууме».
Конструктивно EM Drive представляет собой сужающийся медный цилиндр (усеченный конус), внутри которого создается резонансное электромагнитное поле. Стоячие микроволновые волны отражаются между торцами устройства. Этот концепт был впервые предложен инженером Роджером Шойером в 1999 году. Позже появились аналогичные проекты, наиболее известным из которых стал Cannae Drive от изобретателя Гвидо Фетта.
Все подобные устройства относятся к семейству микроволновых резонансных полостных двигателей. Их создатели утверждают, что чистая сила в одном направлении (в сторону широкого конца конуса у EM Drive) может генерироваться за счет извлечения импульса из внутреннего излучения. При этом двигатель не использует никакого рабочего тела.
Если бы эта технология оказалась рабочей, она совершила бы революцию в космонавтике. Классические ракетные двигатели фундаментально ограничены необходимостью нести на борту не только источник энергии, но и огромную массу топлива для выброса назад, чего строго требует закон сохранения импульса.
🏎️ Нарушая законы Ньютона: теория против реальности 2:36
Роджер Шойер пытается объяснить тягу EM Drive разницей радиационного давления на противоположные стенки конуса. Однако такое обоснование сталкивается с жесткой критикой со стороны академического сообщества.
По мнению физика Джима Вудворда из Калифорнийского технологического института, подобное объяснение напоминает попытку разогнать автомобиль, находясь на водительском сиденье и изо всех сил толкая руками лобовое стекло. Физика закрытой системы неумолима: если фотоны не покидают полость, любой обмен импульсом между излучением и стенками перераспределяется внутри системы, делая результирующую тягу нулевой.
Если же фотоны все-таки покидают полость, то EM Drive превращается в обычный фотонный двигатель. Сила тяги такого устройства хорошо известна физикам — она чрезвычайно мала и несопоставима с теми высокими показателями, о которых заявлял Шойер во время собственных первых тестов.
🔬 Эксперимент Eagle Works: вакуум и торсионные весы 3:27
Публикация группы Eagle Works стала очередной попыткой перепроверить измерения Шойера, поскольку все предыдущие независимые тесты не давали однозначных выводов. Ранее инженеры Eagle Works уже тестировали систему на воздухе при атмосферном давлении и получили положительный сигнал тяги. Главным контраргументом критиков тогда выступил фактор тепловой конвекции: при работе микроволнового излучателя элементы конструкции неизбежно нагреваются, заставляя окружающий воздух двигаться и создавать ложную силу.
Новое испытание ученые провели внутри жесткой вакуумной камеры, где давление было снижено до одной 110-миллиардной доли от атмосферного давления на уровне моря, что полностью исключало влияние воздушных потоков. Для фиксации силы использовался торсионный баланс — жесткая металлическая проволока с противовесом. Скручивание этой проволоки позволяет измерять микроскопические силы. Подобный инструмент использовал Генри Кавендиш более 200 лет назад, когда впервые экспериментально определил значение гравитационной постоянной.
Тестирование проводилось на трех уровнях подводимой мощности:
- 40 Ватт;
- 60 Ватт;
- 80 Ватт.
Инженеры зафиксировали чистую тягу во всех режимах. Более того, при развороте двигателя на 180 градусов направление фиксируемой силы также менялось на противоположное. Среднее отношение тяги к мощности составило около 1,2 миллиньютона на киловатт.
Эта величина существенно меньше значений, задекларированных Шойером, но все же значительно превышает теоретический предел для чистого фотонного излучателя. Ведущий привел наглядное сравнение: при эффективности в 1 миллиньютон на киловатт для левитации взрослого человека потребуется около 1 Гигаватта энергии. Это эквивалентно мощности крупной промышленной атомной электростанции или энергопотреблению машины времени DeLorean из кинематографа. По мнению автора видео, такие показатели исключают создание летающих ховербордов, однако полное отсутствие необходимости в топливе могло бы сделать технологию полезной для сверхдальних космических перелетов.
📊 Скептический взгляд: в поисках скрытых ошибок 5:30
У ведущего канала PBS Space Time возникли серьезные претензии к методологии обработки данных в отчете НАСА. Авторы статьи утверждают, что существует стабильная линейная зависимость тяги от подаваемой мощности, и проводят прямую линию через экспериментальные точки на графике.
Однако при внимательном анализе становится очевидно, что показатели для мощностей в 60 и 80 Ватт статистически эквивалентны. На графике наблюдается огромный разброс данных, поэтому проведение сглаживающей прямой линии выглядит некорректным и вводящим в заблуждение. Несмотря на это, сам факт положительного смещения измерительного прибора кажется статистически значимым.
Означает ли это, что EM Drive действительно работает? По мнению ведущего, утверждать это нельзя до тех пор, пока не будут полностью исключены все сопутствующие факторы. Главным подозреваемым остается тепловой эффект, а именно микродеформация самого двигателя или измерительной шкалы весов из-за термического расширения компонентов при нагреве.
Для проверки этой гипотезы достаточно провести простой контрольный эксперимент — нагреть устройство внешним источником тепла без подачи электромагнитного поля и проверить, появится ли ложный сигнал тяги. К моменту публикации статьи Уайта такой тест проведен не был. По мнению автора канала, любой научный результат, заставляющий привлекать экзотическую физику, требует бескомпромиссного и исчерпывающего исключения тривиальных причин.
🌌 Квантовый вакуум и теория волны-пилота 6:47
В финальной части своей работы исследователи из НАСА попытались подвести под наблюдаемый эффект теоретическую базу, связав его с квантовой теорией волны-пилота (интерпретацией де Бройля — Бома). Авторы статьи используют эту теорию, чтобы представить квантовый вакуум в виде своеобразной плазмы, с которой двигатель якобы может обмениваться импульсом.
Ведущий подчеркнул, что данные выкладки крайне спекулятивны. Традиционная квантовая теория поля не позволяет «отталкиваться» от вакуума так, как человек отталкивается веслами от воды в озере. Чтобы виртуальные частицы смогли передать макроскопическому объекту импульс на расстоянии, превышающем планковскую длину, они должны поглотить энергию и превратиться в реальные фотоны или электрон-позитронные пары. Но если бы это происходило, данные частицы либо оставались бы внутри закрытого конуса, либо улетали наружу, превращая EM Drive в обычную ракету с эффективностью фотонного двигателя. Сами авторы работы такой сценарий отрицают.
Вместо этого Гарольд Уайт в своих публикациях предлагает рассматривать квантовый вакуум как деформируемую классическую среду. На основе собственных компьютерных симуляций он утверждает, что подобная модель способна воспроизводить некоторые квантовые наблюдаемые, например, энергетические уровни атома водорода. По логике авторов, EM Drive отталкивается от этой среды, оставляя за собой след из «деградировавшего» вакуума.
Ведущий констатирует: вся эта математика не имеет смысла, если неверна главная предпосылка о том, что вакуум устроен вопреки канонам стандартной квантовой теории поля, которая до сих пор демонстрировала феноменальную точность. На сегодняшний день автор канала распределяет вероятности исхода дискуссии следующим образом:
- Наиболее вероятный сценарий — более точные и строгие эксперименты полностью нивелируют зафиксированную тягу, обнаружив скрытую ошибку измерений.
- Второй по преемственности вариант — эффект подтвердится, но будет полностью объяснен в рамках уже известной классической физики.
- Наименее вероятный исход (с огромным отрывом) — физикам действительно придется открывать принципиально новые свойства квантового вакуума.
📡 Космическая почта: межпланетные интерферометры и молчание пришельцев 9:28
Во второй части программы ведущий традиционно ответил на вопросы зрителей, оставленные к прошлым выпускам.
Пользователь Harland Kemp поинтересовался, возможно ли объединить радиоантенны на разных планетах в единый интерферометр и как это повлияет на разрешение. По мнению ведущего, принципиальных физических препятствий для этого нет, если ученые смогут обеспечить идеальную синхронизацию времени между станциями для последующей корреляции данных. Угловое разрешение такого прибора обратно пропорционально расстоянию между антеннами. Если существующая наземная сеть радиусом в 3000 километров способна теоретически различить апельсин на поверхности Луны, то интерферометр на базе орбиты Земля-Марс смог бы разглядеть структуру размером в тысячу апельсинов в звездной системе Альфа Центавра.
Другой комментатор, Sunpow Guru, выразил мнение, что проект SETI по поиску внеземного разума бессмысленен, так как нет причин считать, будто развитые инопланетяне станут использовать примитивные радиоволны. Ведущий категорически не согласился с этим тезисом. Он считает заблуждением думать, будто технологическая эволюция в разных уголках Вселенной может идти по абсолютно непредсказуемым траекториям. Законы физики универсальны везде, поэтому всегда существуют объективно лучшие и худшие инженерные решения. Потенциал открытия принципиально новой физики для связи не безграничен, и человечество уже неплохо понимает рамки возможного в этой Вселенной, поэтому электромагнитные волны (включая свет и радио) остаются фундаментальным выбором для коммуникации.
В продолжение темы Richie Rich и Gareth Dean обсудили эффективность лазеров в сравнении с радио. Лазерные лучи и гамма-лазеры (гразеры) гораздо эффективнее для направленной связи на огромные расстояния — подобные технологии планируется использовать, например, в проекте Starshot для отправки микрозондов к Альфа Центавра. Однако лазеры абсолютно непригодны для широковещания. Если цивилизация не знает точных координат собеседника и хочет заявить о себе сразу многим слушателям, радиоволны остаются единственным логичным выбором. При этом стоит учитывать, что «радиопузырь» Земли постепенно затухает с 1960-х годов из-за перехода на узконаправленное вещание и оптоволоконные сети, поэтому поймать случайную утечку чужого радиосигнала — вопрос колоссального везения.
Напоследок ведущий зачитал комментарий Ryan, который предположил, что первым сигналом, полученным от пришельцев, может стать зловещая фраза: «Прекратите вещание, вы в опасности». Автор канала с иронией признался, что подобные идеи регулярно обеспечивают ему ночные кошмары, а также пообещал заимствовать лучшие научно-фантастические концепты из комментариев своих зрителей, если решит сменить профессию и заняться написанием книг.
