Mokslo ir technologijų pasaulis

Ta pati teorija, kuri paaiškina gluminančias praskridimų anomalijas, gali paaiškinti ir kontroversiškojo EmDrive kuriamą stūmą.

Maždaug prieš dešimtmetį, menkai žinomas aeronautikos inžinierius Rogeris Shawyeris padarė ekstraordinarų pareiškimą. Paimkite nupjautą kūgį, leiskite mikrobangoms jo viduje atsispindėti pirmyn ir atgal ir gausite stūmą siaurojo kūgio galo kryptimi. Voilà … revoliucingas variklis, galintis siųsti erdvėlaivius į kitas planetas ir dar toliau. Shawyeris pavadino jį EmDrive.

Shawyerio pareiškimas, aišku, buvo sutiktas itin kontroversiškai. Sistema verčia vienos rūšies energiją kinetine energija ir daugybė sistemų atlieka kažką panašaus. Šiuo aspektu jis niekuo neišsiskiria.

Koncepcinė problema kyla, nagrinėjant impulsą. Sistemai pradėjus judėti, bendras sistemos judesio kiekis auga. Bet iš kur šis impulsas randasi? Shawyeris įtikinamo paaiškinimo nepateikė, ir kritikai teigė, kad tai akivaizdus judesio kiekio tvermės dėsnio pažeidimas.

Shawyeris atsakė eksperimentų rezultatais, kurie rodė, kad įrenginys veikia taip, kaip jis teigė. Bet kritikams tai įspūdžio nepadarė. EmDrive, sakė jie, prilygsta stūmos sukūrimui, stovint dėžėje ir stumiant jos sieneles. Kitaip tariant, tai apgavystė.

Nuo to laiko įvyko kai kas įdomaus. Įvairios komandos iš viso pasaulio ėmėsi kurti savas EmDrive versijas ir jas bandyti. Ir visų nuostabai, gauti rezultatai atitiko Shawyerio pateiktuosius. Atrodo, EmDrive iš tiesų kuria stūmą.

2012 metais Kinijos mokslininkų komanda sakė išmatavusi savo sukurtos EmDrive versijos kuriamą stūmą. 2014-aisiais amerikiečių mokslininkai sukūrė EmDrive ir įtikino NASA jį išbandyti – rezultatai irgi buvo teigiami.

O pernai NASA atliko savo bandymus vakuume, kad atmestų oro judėjimą kaip galimą jėgos radimosi šaltinį. NASA irgi patvirtino, kad EmDrive kuria stūmą. Iš viso Shawyerio teiginius patvirtino šeši nepriklausomi eksperimentai.

Tad lieka svarbus galvosūkis – kaip paaiškinti judesio kiekio tvermės pažeidimą.

Gavome atsakymą iš Mike'o McCullocho, dirbančio Plymoutho universitete JK. McCullocho paaiškinimas remiasi nauja inercijos teorija, pateikiančia stulbinančias prognozes apie objektų judėjimą labai mažu pagreičiu.

Pirmiausia, trumpa įžanga: inercija yra visų masę turinčių objektų savybė priešintis judėjimo pokyčiui ar pagreičiui. Modernioje fizikoje inercija laikoma fundamentalia pagreičio veikiamų objektų savybe. Tiesą sakant, masę galima laikyti inercijos matu. Bet inercijos egzistavimo klausimas kamuoja mokslininkus jau daug amžių.

McCullochas pasiūlė idėją, kad inercija randasi dėl bendrosios reliatyvumo teorijos numatomo Unruh efekto. Pagal jį, greitėjantys objektai patiria juodo kūno spinduliavimą. Kitaip tariant, objektui greitėjant, visata šyla.

Pasak McCullocho, inercija yra tiesiog Unruh spinduliavimo slėgis, veikiantis greitėjantį kūną.

Tai sunku patikrinti su pagreičiais, kuriuos įprastai stebime Žemėje. Tačiau kai pagreičiai mažesni ir Unruh spinduliavimo bangų ilgis didesnis, reikalai darosi įdomesni.

Kai pagreitis itin mažas, bangos ilgiai pasidaro tokie dideli, kad nebetelpa regimojoje visatoje. Kai taip nutinka, inercija gali įgauti tik tam tikras, sveiko bangos ilgio reikšmes, tad peršoka nuo vienos reikšmės prie kitos. Kitaip tariant, mažų pagreičių inercija yra diskreti, kvantuota.

McCulloch sako, kad tai patvirtina garsiosios praskridimų anomalijos. Tai yra keisti judesio kiekio šuoliniai pokyčiai kai kuriuose kosminiuose zonduose, praskrendančiuose pro Žemę link kitų planetų. Būtent tai ir numato teorija.

Kruopščiau ištirti efektą Žemėje sunku, kadangi pagreičiai yra tokie maži. Bet šią užduotį galima palengvinti, sumažinus leidžiamą Unruho spinduliavimo bangos ilgį. „Gali būti, kad EmDrive tai ir daro,” sako McCullochas.

Manoma, kad jei fotonai turi inercinę masę, atsispindėdami jie turėtų justi inerciją. Bet Unruho spinduliavimas šiuo atveju yra labai mažas. Tiesą sakant, toks mažas, kad gali sąveikauti su greta esančia aplinka. EmDrive'o atveju, ši aplinka – nupjautas kūgis.

Kūgis leidžia tam tikro dydžio Unruh spinduliavimą plačiajame gale, tačiau siaurajame telpa mažesnis bangos ilgis. Tad vidinėje ertmėje atsispindinčių fotonų inercija turi kisti. O kad būtų išsaugotas judesio kiekis, turi rastis stūma.

McCullochas išbando šią teoriją, prognozuodamas sukuriamas jėgas. Tikslūs skaičiavimai sudėtingi dėl problemos trimatės prigimties, bet apytiksliai rezultatai atitinka visų iki šiol atliktų eksperimentų gautos stūmos dydžių eilę.

O svarbiausia, McCullocho teorija numato du patikrinamus spėjimus. Pirmasis, kad į ertmę įdėjus dielektriką, įrenginio efektyvumas turėtų padidėti.

Antrasis – kad pakeitus ertmės matmenis, galima pakeisti stūmos kryptį. Taip nutiktų, kai Unruh spinduliavimas geriau atitiktų siaurojo galo matmenis, nei didžiojo. Ertmėje esančių fotonų dažnio keitimas galėtų daryti panašų poveikį.

McCulloch sako, kad esama ženklų, kad būtent taip ir yra. „Šis stūmos krypties pokytis užfiksuotas naujausiame NASA eksperimente,” sako jis.

Tai įdomi mintis. Shawyerio EmDrive galėtų įvykdyti perversmą kosminiuose skrydžiuose, kadangi jame nenaudojamas darbinis kūnas, didžiausias ribojantis dabartinių reaktyvinių sistemų faktorius. Bet jeigu nėra įtikimų jo veikimo principo paaiškinimų, mokslininkų ir inžinierių atsargumas suprantamas.

McCullocho teorija galėtų tai pakeisti, nors tai vargu ar labiausiai paplitusi idėja. Joje daromos dvi ginčytinos prielaidos. Pirmoji – fotonai turi inercinę masę. Antroji – variklio ertmėje šviesos greitis turi kisti. Daugeliui teoretikų tokią idėją suvirškinti gali būti sunku.

Bet randantis vis daugiau Shawyerio EmDrive veikimo patvirtinimų, teoretikai spaudžiami į kampą. Jei tai ne McCullocho paaiškinimas, tai tada koks?

Ref: arxiv.org/abs/1604.03449 : Testing Quantized Inertia on the EmDrive