Видеоканал PBS Space Time открывает новую рубрику «Журнальный клуб» подробным разбором одного из самых обсуждаемых и спорных изобретений в современной космонавтике — двигателя EM Drive. Ведущий анализирует нашумевшую научную публикацию лаборатории Eagle Works и пытается разобраться, стоим ли мы на пороге технологической революции или же имеем дело с очередной масштабной ошибкой измерений. Кроме того, в традиционном блоке ответов на комментарии рассматриваются интригующие вопросы о межпланетных телескопах и стратегиях поиска сигналов внеземных цивилизаций.
🔬 Феномен EM Drive: между наукой и хайпом 0:00
Тема аномального двигателя EM Drive долгое время оставалась без внимания авторов канала из-за крайней неоднозначности результатов и того факта, что предлагаемые теоретические обоснования выглядели либо в корне неверными, либо чересчур спекулятивными. Популяризаторы науки часто балансируют на тонкой грани: рассказывать о громких и «хайповых» темах весело и выгодно для рейтингов, однако это может сильно исказить представление широкой публики о том, что в научном сообществе считается достоверным, а что нет.
История науки знает немало примеров, когда сенсационные заявления оказывались банальными ошибками. Среди них ведущий выделяет:
- Эксперимент OPERA, авторы которого ошибочно заявили об обнаружении нейтрино, движущихся быстрее скорости света.
- Проект BICEP2, исследователи которого поспешили объявить об открытии первичных гравитационных волн, оказавшихся наводками от космической пыли.
Тем не менее, из-за огромного количества запросов от зрителей канал решил запустить формат «Журнального клуба». Первым объектом анализа стала официальная статья команды исследователей во главе с Гарольдом «Санни» Уайтом, опубликованная в 2016 году под названием «Измерение импульсной тяги замкнутой радиочастотной полости в вакууме».
🛸 Устройство аномального двигателя и вызов законам физики 1:30
Конструктивно EM Drive представляет собой усеченный медный цилиндр с двумя плоскими основаниями разного диаметра, внутри которого создается резонансное электромагнитное поле. Микроволновые стоячие волны многократно отражаются от торцов устройства. Концепция подобного микроволнового резонансного двигателя была впервые предложена изобретателем Роджером Шайером в 1999 году, после чего появились похожие проекты, включая Cannae Drive от инженера Гвидо Фетта.
Создатели этих систем утверждают, что устройство способно генерировать чистую направленную силу (в сторону широкого конца цилиндра) за счет извлечения импульса из внутреннего электромагнитного поля. Если бы этот эффект подтвердился, он произвел бы революцию в ракетостроении. Традиционные ракетные двигатели фундаментально ограничены необходимостью нести на борту не только источник энергии, но и огромную массу рабочего тела (топлива) для выброса наружу, чего строго требует закон сохранения импульса. EM Drive же позиционируется как двигатель, не требующий реактивной массы.
Роджер Шайер объясняет возникновение тяги разницей в давлении излучения на противоположные стенки конуса. Однако ведущий приводит остроумную критику физика Джима Вудворда из Калифорнийского технологического института. Тот сравнил объяснение Шайера с попыткой разогнать автомобиль, находясь на водительском сиденье и изо всех сил толкая руками лобовое стекло изнутри. Данная гипотеза прямо нарушает закон сохранения импульса: в замкнутой системе любой обмен импульсом между полем и стенками компенсируется внутри самой системы. Единственный способ получить тягу в рамках известной физики — позволить фотонам покидать резонатор, но тогда устройство превращается в обычный фотонный двигатель, тяга которого ничтожно мала по сравнению с той, о которой заявлял Шайер.
🧪 Эксперименты Eagle Works: вакуум и микроньютоны 3:27
Исследование лаборатории Eagle Works стало очередной попыткой проверить заявления Шайера. Ранее команда уже проводила тесты на открытом воздухе при атмосферном давлении и фиксировала положительный результат. Главным аргументом критиков тогда выступал тепловой фактор: работающий внутри прибора магнетрон превращает его в подобие микроволновой печи, вызывая нагрев окружающего воздуха и создавая конвекционные потоки, которые и могли толкать весы.
В новой серии экспериментов инженеры учли это возражение и поместили установку в глубокий вакуум — давление составило всего 110-миллиардную долю от атмосферного давления на уровне моря, что полностью исключало тепловую конвекцию. Измерения проводились с помощью крутильных весов (жесткой металлической проволоки с противовесом). Точно такой же инструмент использовал ученый Генри Кавендиш более 200 лет назад, чтобы впервые измерить крайне малую величину гравитационной постоянной.
Тестирование проходило на трех уровнях мощности:
- 40 Ватт;
- 60 Ватт;
- 80 Ватт.
Исследователи заявили, что зафиксировали чистую тягу во всех случаях, причем при смене ориентации двигателя направление силы менялось на противоположное. Величина эффекта оказалась сопоставима с результатами воздушных тестов и составила в среднем около 1,2 миллиньютона на киловатт мощности.
Подобная тяга значительно скромнее цифр Шайера, но все же намного превышает теоретический предел для фотонного двигателя. Ведущий с иронией подсчитал: при эффективности 1,2 мН/кВт для левитации взрослого человека потребовался бы целый гигаватт энергии — это мощность средней промышленной атомной электростанции или энергопотребление машины времени DeLorean из фантастического кино. По мнению автора, для летающих скейтбордов технология точно не подойдет, но в перспективе дальних космических полетов полное избавление от тяжелого топлива могло бы компенсировать даже столь мизерную удельную тягу.
📊 Скептический взгляд: ошибки графиков и тепловое расширение 5:30
Ведущий высказывает серьезные претензии к тому, как авторы работы интерпретируют полученные графики. В статье утверждается, что тяга демонстрирует линейную зависимость от подаваемой мощности, и через точки проведена прямая линия. Однако при внимательном анализе данных становится очевидно, что показатели при 60 Вт и 80 Вт статистически эквивалентны, а разброс значений слишком велик, поэтому линейный график вводит читателя в заблуждение.
Тем не менее, сам факт фиксации отклонения весов выглядит статистически значимым. Означает ли это, что EM Drive действительно создает тягу? По мнению автора канала, утверждать это преждевременно, пока не исключены все тривиальные физические помехи. Главным подозреваемым остается тепловой фактор, но уже не в виде конвекции воздуха, а в форме термической деформации стенок самого резонатора или элементов измерительного стенда из-за неравномерного расширения металлов.
Решением мог бы стать простой контрольный эксперимент: нагреть устройство внешним источником тепла без включения микроволнового поля и проверить, дадут ли весы ложный сигнал. Но, как подчеркивает ведущий, авторы работы этого не сделали. В статье упоминаются и другие потенциальные источники погрешностей, против которых исследователи приводят теоретические контраргументы, однако для окончательных выводов требуются практические тесты.
🌌 Квантовый вакуум и теория волны-пилота 6:47
В финальной части научной статьи авторы пытаются подвести под аномальный эффект теоретическую базу, связывая работу EM Drive с так называемой теорией волны-пилота. Исследователи используют эту альтернативную квантовую модель, чтобы представить квантовый вакуум как своеобразную плазму, от которой двигатель якобы может отталкиваться, обмениваясь с ней импульсом.
Ведущий называет эти выкладки крайне спекулятивными. В рамках стандартной квантовой теории поля физика вакуума устроена иначе: невозможно грести по нему, как веслами по воде, отталкиваясь от виртуальных частиц. Чтобы передать импульс на расстояние, превышающее планковскую длину, виртуальные частицы должны стать реальными. Для этого фотоны внутри полости должны тратить энергию на рождение пар частица-античастица. Но если бы это происходило, частицы либо оставались бы внутри, либо улетали наружу, превращая систему в обычный реактивный двигатель с крайне низкой эффективностью.
Авторы статьи, впрочем, утверждают иное. В своих отдельных работах Гарольд Уайт смоделировал на компьютере квантовый вакуум как квазиклассическую деформируемую среду. По его расчетам, такая модель позволяет воспроизводить некоторые квантовые эффекты, например, уровни энергии атома водорода. Соответственно, создатели предполагают, что EM Drive отталкивается от этого вакуума, оставляя за собой след из «разреженной» вакуумной среды.
Ведущий подчеркивает, что все эти рассуждения не имеют смысла, если исходная посылка неверна, а стандартная квантовая теория поля, многократно доказавшая свою феноменальную точность, описывает вакуум правильно. По мнению автора канала, распределение вероятностей исхода этой научной интриги выглядит следующим образом:
- Наиболее вероятный сценарий — более тщательные независимые тесты полностью обнулят зафиксированную тягу, обнаружив скрытую ошибку измерений.
- Второй по вероятности исход — эффект подтвердится, но будет полностью объяснен классической «старой» физикой.
- Наименее вероятный вариант (с огромным отставанием) — ученые действительно столкнулись с принципиально новой физикой вроде аномалий квантового вакуума.
👽 Вопросы зрителей: межпланетные телескопы и молчание космоса 9:28
После разбора статьи ведущий переходит к традиционным ответам на комментарии к прошлым выпускам, предварительно поблагодарив патрона Джоэла Бринтона за щедрую спонсорскую поддержку. Основной темой обсуждения стали перспективы обнаружения внеземных цивилизаций.
Зритель Харланд Кемп поинтересовался возможностью создания единого радиоинтерферометра, антенны которого были бы разнесены на разные планеты. Ведущий соглашается, что теоретических препятствий для этого нет, если инженеры смогут обеспечить идеальную синхронизацию времени для последующей корреляции данных. Угловое разрешение такого прибора обратно пропорционально расстоянию между антеннами. Если массив размером в 3000 км на Земле способен разглядеть апельсин на Луне, то интерферометр на базе орбиты Земля-Марс смог бы рассмотреть объект размером в тысячу апельсинов в системе Альфы Центавра.
Пользователь Sunpow Guru выразил мнение, что проект SETI по поиску сигналов бессмысленен, поскольку инопланетяне вряд ли станут пользоваться радиосвязью. Ведущий парирует этот тезис: законы физики универсальны для всей Вселенной, и развитие технологий не может идти абсолютно непредсказуемыми путями. Хотя интеллектуальный потенциал видов может расти бесконечно, законы природы накладывают ограничения на появление принципиально новых физических принципов. Рано или поздно цивилизация упирается в границы возможного, и электромагнитные волны (включая свет и радио) остаются оптимальным решением.
В продолжение темы зрители Richie Rich и Gareth Dean обсудили эффективность лазеров по сравнению с радио. Лазеры намного эффективнее для направленной связи на огромные расстояния (их планируют использовать даже для связи с зондами проекта Breakthrough Starshot). Однако лазеры совершенно не подходят для широковещания, когда позиция получателя неизвестна. Для этих целей радиоволны остаются незаменимыми.
В то же время отмечается, что радиоактивное «наводнение» от Земли в космос неуклонно снижается с 1960-х годов из-за перехода на более узкие частоты и оптоволоконные сети. Период, когда развивающаяся цивилизация активно «фонит» радиоволнами во все стороны, может быть очень коротким по космическим меркам, поэтому поймать такой случайный сигнал — огромная удача.
В завершение выпуска ведущий упомянул комментарий M Kitsune о том, что первый контакт произойдет через некий «галактический интернет» на основе квантовой запутанности. Ведущий пошутил, что крадет все подобные идеи из комментариев для своих будущих научно-фантастических книг. Напоследок он поделился жутким пророчеством от пользователя по имени Райан, который предположил, что первое полученное нами сообщение от инопланетян будет гласить: «Прекратите вещание, вы в опасности».
