精簡(jiǎn)版（如果不是時(shí)間太趕建議看完全文哦）：

最近，NASA下屬的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一篇有關(guān)于無工質(zhì)推進(jìn)器（EmDrive）的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，隨即在全球炸起了軒然大波。大家震驚的原因在于：這種被視為“偽科學(xué)”的技術(shù)設(shè)想竟然在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了1.2毫牛每千瓦的微弱推力，從而似乎可以證明這種設(shè)想是可行的！??！這個(gè)裝置利用微波在空腔中反射產(chǎn)生向前的推力，但被認(rèn)為違背了物理學(xué)中最基礎(chǔ)的動(dòng)量守恒定律。如今，一些科學(xué)家提出了諸如量子真空?qǐng)鲂?yīng)等的理論解釋，但主流的聲音認(rèn)為該結(jié)果是由于實(shí)驗(yàn)不夠精確產(chǎn)生的（熱效應(yīng)），還有待后續(xù)更加精確的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1.  事件回顧：

        近期，NASA下屬的一個(gè)叫“鷹工廠”的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在一個(gè)同行評(píng)議（peer review）的學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表了一篇有關(guān)于他們實(shí)驗(yàn)的論文。他們的實(shí)驗(yàn)聚焦于驗(yàn)證一個(gè)看似不可能的推進(jìn)器設(shè)想：無工質(zhì)推進(jìn)器（也稱電磁推進(jìn)器）是否能夠產(chǎn)生推力。結(jié)果十分出人意料：該推進(jìn)器在扭擺（一種用于測(cè)量微小作用的裝置）上產(chǎn)生了強(qiáng)度為1.2毫牛/千瓦的推力！即使這個(gè)推力與現(xiàn)有最先進(jìn)的霍爾離子推進(jìn)器所產(chǎn)生的推力相比微不足道（后者的推力高達(dá)60毫牛每千瓦），然而由于它所宣稱的不需要燃料的特性，使得這一結(jié)果相當(dāng)引人注意。

（這是NASA的實(shí)驗(yàn)裝置圖，中間銅色的圓臺(tái)形裝置就是電磁推進(jìn)器）

2.  原理基礎(chǔ)：

        這種推進(jìn)器設(shè)想最早由一位英國(guó)工程師Roger Shawyer提出。他設(shè)想這種推進(jìn)器通過向一個(gè)密閉的金屬空腔中發(fā)射微波頻段的電磁波以取得動(dòng)力。具體而言，推進(jìn)器的空腔被設(shè)計(jì)成一頭小一頭大的圓臺(tái)形（想象一個(gè)圓錐被切掉上面的部分），電磁波通過一個(gè)通道進(jìn)入這個(gè)空腔。由于電磁波本質(zhì)是由光子構(gòu)成的，而據(jù)我們所知，光子具有動(dòng)量（可以把動(dòng)量理解為光子飛行時(shí)具有的“速度”），所以當(dāng)光子撞擊在空腔兩端時(shí)，它會(huì)被反射，同時(shí)它的動(dòng)量發(fā)生了改變，根據(jù)經(jīng)典力學(xué)我們知道：光子對(duì)腔壁產(chǎn)生了力。打一個(gè)形象的比方，想象打網(wǎng)球時(shí)，高速飛來的網(wǎng)球與球拍碰撞后被高速反彈回去，這時(shí)握球拍的人就會(huì)感覺球施加給拍子的沖力。

（上圖為原理圖，圖中的折線就是設(shè)想的光子）

        Roger認(rèn)為在空腔中的光子密度不論在哪都是一樣的。所以一定區(qū)域里面光子的數(shù)量就與該區(qū)域的面積成正比。顯然，在面積稍微小的一端光子的數(shù)量平均上要小于面積稍大的一端。同時(shí)，由于光子的動(dòng)量是量子化的（也就是說，只能一個(gè)一個(gè)光子加起來算，總的動(dòng)量變化與光子的數(shù)量有關(guān)），所以Roger認(rèn)為電磁波施加在空腔兩端的力不一樣。而這兩端的壓力差可以推動(dòng)設(shè)備前進(jìn)。

        所以總結(jié)而言，這種推進(jìn)器本質(zhì)上是把電磁波的能量電磁能，直接轉(zhuǎn)化為裝置本身的動(dòng)能而不經(jīng)過其他形式的能量轉(zhuǎn)換。Roger宣稱這種設(shè)想能大大提升推進(jìn)器的推進(jìn)效率，并且認(rèn)為推進(jìn)器背后的原理基礎(chǔ)完全遵循現(xiàn)有的物理學(xué)原理，并無新物理的參與。

（下面是具體推進(jìn)過程的一個(gè)簡(jiǎn)易數(shù)學(xué)推導(dǎo)，大家可以選擇性閱讀：

 根據(jù)相對(duì)論力學(xué)，我們知道單個(gè)光子的動(dòng)量表達(dá)式為：

p=E/c

其中E是單個(gè)光子的能量，c是光速。而根據(jù)光子的量子化原理，我們也知道單個(gè)光子的能量表達(dá)式為：

E=hf=hc/λ

其中h是一個(gè)常數(shù)，f是光的頻率，λ是光的波長(zhǎng)。綜合以上兩個(gè)表達(dá)式，我們得到光子的動(dòng)量表達(dá)式為：

p=h/λ

在一定體積內(nèi)，總體的動(dòng)量可以視為其中所有光子的動(dòng)量之和：

p=nAlh/λ=nAvth/λ

其中n是光子的密度，A是腔壁的面積，l是一定的長(zhǎng)度，v是光子平均意義上的速度，t是一定時(shí)間；Al=Avt其實(shí)就是一定體積V。所以我們可以粗略的得到一個(gè)關(guān)于電磁波對(duì)腔壁施加的力的表達(dá)式：

F=p/t=nAvh/λ

顯然我們可以看出，由于n，h，λ和v對(duì)于空腔兩端是一樣的，故空腔兩端所受的力與其面積A成正比。由于這個(gè)裝置兩端面積不一樣大，所以Roger認(rèn)為兩端受力不均，能夠產(chǎn)生推力。）

3. 爭(zhēng)議焦點(diǎn)：

        看完了上面的推導(dǎo)，大家應(yīng)該都覺得Roger的設(shè)想十分有道理吧？的確，這其中的推導(dǎo)并沒有用到任何超出我們已知范圍的物理知識(shí)。然而，一些科學(xué)家卻對(duì)這個(gè)設(shè)想嗤之以鼻，原因在于：這個(gè)裝置的推進(jìn)原理違背了物理學(xué)中最最基本的一個(gè)定律——?jiǎng)恿渴睾愣桑?/span>

        簡(jiǎn)單來說，動(dòng)量守恒定律描述的是一個(gè)物體是否能夠在給定條件下運(yùn)動(dòng)。它指出，如果一個(gè)系統(tǒng)（就是一個(gè)物體，比如推進(jìn)器）在初始時(shí)是靜止的，如果沒有外力作用在它上面，不論內(nèi)部各部分之間產(chǎn)生多大的內(nèi)力，系統(tǒng)整體都會(huì)保持靜止。那這與我們討論的推進(jìn)器有何聯(lián)系呢？科學(xué)家認(rèn)為，由于向空腔發(fā)射微波的裝置與空腔本身是連在一起的（要?jiǎng)右黄饎?dòng)），他們被視作一個(gè)系統(tǒng)。而如果像Roger描述的原理那樣推動(dòng)設(shè)備，那也只是系統(tǒng)內(nèi)部的內(nèi)力，無法推進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)。就像一個(gè)人沒法提著自己的頭發(fā)把自己提起來向上飛一樣，或者一個(gè)人沒法坐在車?yán)锿品较虮P讓車前進(jìn)一樣。

（上圖為設(shè)備的簡(jiǎn)易示意圖，F(xiàn)1和F2被認(rèn)為是系統(tǒng)的內(nèi)力）

4. 解決方案：

        正因?yàn)樯厦嫠f的爭(zhēng)議，使得在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)這種推進(jìn)器被許多科學(xué)家戲稱為“偽科學(xué)”。然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻顯示這種推進(jìn)器確實(shí)能產(chǎn)生推力，使得整個(gè)學(xué)界一片沸騰。一些科學(xué)家提出了這個(gè)現(xiàn)象背后可能的理論解釋，但都尚未完全得到證明或認(rèn)可。NASA團(tuán)隊(duì)的論文中提到了一種關(guān)于量子真空?qǐng)龅睦碚摻忉專?/span>

        量子真空?qǐng)鲂?yīng)：這種理論認(rèn)為，微波本身的光子并不是施加推力的東西，而是用于激發(fā)空間中存在的虛粒子，這種虛粒子本來并不存在，但是在極短的時(shí)間里會(huì)成對(duì)憑空生成和消失。微波通過特殊的方式驅(qū)使這些虛粒子飛向腔壁兩端，并在他們消失之前撞擊腔壁，施加推力。由于虛粒子的動(dòng)量可以視作是空間本身賦予的，所以這種解釋不會(huì)違背動(dòng)量守恒定律。然而更多學(xué)者認(rèn)為這種理論尚未得到證實(shí)，不能作為一個(gè)合理的解釋。

        更多的學(xué)者認(rèn)為，這次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能是氣體的熱效應(yīng)所導(dǎo)致的誤差。由于實(shí)驗(yàn)裝置不是在完全真空的條件下進(jìn)行，一些學(xué)者認(rèn)為可能是發(fā)射微波時(shí)加熱了其中的空氣，使得空氣湍流撞擊腔壁導(dǎo)致了誤差。

5. 前景展望：

        這種電磁推進(jìn)器若是能夠?qū)崿F(xiàn)，無疑會(huì)對(duì)人類太空探索帶巨大助力。一方面由于它不需要燃料，可以通過吸收太陽光實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化，所以可以大大降低飛船的重量，提升飛船的載重量（要知道，現(xiàn)有的火箭90%左右的重量都用來裝燃料） 。另一方面，由于微波在空腔中的損耗極小，所以推進(jìn)器可以工作很長(zhǎng)時(shí)間不更換，提供給飛船持續(xù)的動(dòng)力。

        從上圖中我們可以看到，相比于現(xiàn)有的離子推進(jìn)器，電磁推進(jìn)器的重量接近十分之一，壽命接近10倍，可見這種技術(shù)的巨大發(fā)展?jié)摿?。?dāng)然，在暢想電磁推進(jìn)器的種種可能之前，我們還需要更多更精確的實(shí)驗(yàn)和理論來解釋和驗(yàn)證這個(gè)極具爭(zhēng)議性的設(shè)想。不管怎樣，前途是光明的，道路是坎坷的！