違反牛頓第三定律的引擎——原理介紹

2020-12-16 老胡說科學

馬赫原理解釋

通常它被認為是宇宙中的物質以某種方式引起了局部慣性效應。早在19世紀後期,一位名叫恩斯特·馬赫的奧地利物理學家就對經典物理學——尤其是牛頓力學——進行了一系列的批判。令他感到奇怪的是,旋轉的物體會產生可檢測到的旋轉結果,也就是說,會感受到離心力。

他注意到這樣的旋轉發生在遙遠星系中。這表明,當涉及到像旋轉這樣的事情時,物質和局部效應之間一定存在因果聯繫。

這讓他的助手阿爾伯特·愛因斯坦認為,遙遠的物質和局部現象之間確實存在某種聯繫。由於萬有引力是在遠距離內唯一具有重大影響的力,愛因斯坦早在1911年就假定慣性是萬有引力引起的現象。

幾年後,當愛因斯坦在1915年創立廣義相對論時,他確信自己的理論已經成功地將慣性的引力感應納入其中,一兩年後,他就宣稱馬赫原理是廣義相對論的一部分。他所說的馬赫原理的問題在於它涉及到一種叫做距離場論的作用。

例如,如果你推你的車,它就會反過來推你,對吧?這就是牛頓第三定律,大概是由於宇宙中遙遠物質的作用。問題是,它怎麼知道在你推它的同時它也在推你?

傳統的推進依靠牛頓第三運動定律回答這個問題有兩種方法。一個是我們通過過去的光錐看到所有「遙遠的物質」,這意味著我們正在與比現在更早存在的物質進行交互,在此模型中,過去光錐中所有物質產生的場的作用是局部慣性效應的原因。

不過,這種解釋存在一些問題。更準確地說,當你推某物時,它之所以會向後推是因為它與未來宇宙中的遙遠物質相互作用,而不是過去。當你推動某物時,你會產生運動,這就會輕微地幹擾引力場。這種擾動會傳播到未來,並最終與宇宙中的所有物質相互作用,並且產生的未來運動會及時向後傳播,直到現在,並產生您感覺到的慣性反作用力。這是馬赫原理的遠距離行為。

相對論光錐的描述(維基百科)在愛因斯坦發表了廣義相對論之後,一位名叫威廉·德西特的荷蘭物理學家對它產生了興趣,並最終指出,愛因斯坦的場方程實際上並沒有包含馬赫原理。愛因斯坦最終被迫放棄了對馬赫慣性原理的解釋,但他願意放棄是因為他相信廣義相對論仍然包含著來自過去遙遠物質的慣性引力感應。

事實證明,這種解釋實際上是廣義相對論的一部分。這和馬赫效應有什麼關係呢?它意味著如果你在局部產生運動,你也會產生極小的相對論效應。

例如,如果電子電容器充電或者放電,這將導致一個小電容的質量變化(由愛因斯坦著名的方程給出E = mc)。然而,由於質量的變化是除以光速的平方,這意味著質量波動產生相當小。

事實證明,如果將E =mc質量波動耦合到很大的引力場,則可以擴大質量波動。因此,問題是,在哪裡獲得大的引力場?

答案是:我們生活在其中。事實上,一個巨大的萬有引力場以等於C^2的勢能滲透到我們整個宇宙中。在隨時間變化的情況下,可以通過加速能量來耦合該場,當這種情況發生的時候,質量波動被極大地放大了。這就是馬赫效應的基本物理原理。

那麼如何用它來推進呢?以波動的頻率對波動的質量施加第二種力,所以當它更大的時候推它,當它更小的時候拉它。這個方法沒有違反能量守恆,但它確實允許你產生一個淨方向力(推力)。

伍德沃德認為同步的質量和能量波動會產生淨推進力(維基百科)那麼,在對馬赫原理的解釋中,有沒有科學證據支持它與遙遠物質之間的聯繫呢?

愛因斯坦堅持慣性是一種引力感應效應。愛因斯坦在1955年3月去世後不久,普林斯頓大學一位名叫卡爾·布朗斯的研究生與物理學家鮑勃·迪克合作,迪克請他重新闡述幾年前由丹尼斯·西馬提出的理論,從矢量形式到張量形式。

卡爾最終找到了愛因斯坦1921年在普林斯頓的演講,並最終發表在《相對論的意義》上。愛因斯坦用了好幾頁的篇幅來研究馬赫數的慣性和廣義相對論。卡爾做了一個計算來證明,如果在一個被測試物體的附近引入局部物質,它會改變引力勢能,從而改變被測試物體的質量。

從原理上講,這意味著應該能夠通過檢查基本粒子的電荷質量比來區分加速度和引力場,因為它違反了等價原理,結果證明它是正確的。

等價原理的描述這意味著廣義相對論中的牛頓勢能是一種被稱為局部測量不變量的東西。在不同的時間,不同的地點,不同的觀察者可能會有不同的值,但無論何時,當對勢的值進行局部測量時,總會得到相同的數字。在實驗室裡,對於電荷質量比的測量結果總是一樣的,這也意味著真空中的光速和牛頓勢有著完全相同的性質。

一個遙遠的觀察者會看到黑洞附近的光速非常接近於零,因為你在測量的時候運動也變慢了,所以它是相對的。所以光速在真空中是局部測量的不變量,而不是人們草率地稱之為常數。

慣性的起源(吉姆·伍德沃德,加州州立大學富勒頓分校)如何建造一個設備來製造這些質量和能量波動來滿足馬赫效應推進的需要?

這需要一堆壓電晶體,在兩個磁碟之間的電極充當電容器。當向堆棧施加電壓時,會在此壓電材料的電極板之間產生交流電場。這導致能量密度改變,這是能量波動。

壓電晶體是機電設備,這意味著在您施加電壓時,它們會根據電壓進行機械膨脹和收縮。因此,通過施加電壓,無論電池堆的機械操作如何,都會在電池堆中引起能量波動,並且由於機電效應而導致電池堆尺寸發生變化,因此還會產生加速度。導致所需的加速度將設備耦合到較大的重力場。

在最新的實驗測試中,產生了20微牛頓的推力。從實用的角度來看,這項技術處於非常初期的階段。這就是為什麼雖然已經證明了理論上是可行的,但很難說服別人在這項技術上投資。

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