Дослідники з Дрезденського технічного університету виміряли тягу «неможливих двигунів», які не вимагають для роботи палива і порушують закон збереження імпульсу, в тому числі двигуна EmDrive. Виявилося, що їх зареєстровану експериментально тягу можна пояснити за допомогою неврахованого раніше впливу магнітного поля Землі, що виникає через недостатньо хороше екранування приладів. Про це вчені повідомили на конференції.
Людство давно мріє про міжзоряні подорожі, проте здійснити цю мрію заважає безліч технічних труднощів. Одна з найбільших труднощів - необхідність нести на борту космічного корабля величезну масу палива, оскільки високі швидкості в космічному просторі людство поки що навчилося досягати тільки за допомогою реактивної тяги. Щоб доставити космічний корабель до найближчої зірки - Проксими Центавра, що знаходиться на відстані близько 4,2 світлових років, - за час, порівнянний з людським життям, буде потрібна маса палива, порівнянна з масою Сонця. Звичайно, існують і альтернативні способи розгону космічних апаратів, такі як використання сонячного вітру або лазерного випромінювання. Наприклад, проект Breakthrough Starshot пропонує запустити до Проксими Центавра крихітні кораблі (масою близько одного грама), які будуть розганятися за рахунок сонячного вітру і досягнуть зірки протягом двадцяти років. На жаль, відмасштабувати цей проект на «людські» розміри неможливо.
У той же час, існують і більш екзотичні типи двигунів, які можуть створювати тягу без реактивного струменя. Найзнаменитіший з них - це двигун EmDrive, прототип якого був запропонований Роджером Шойєром ще в 1999 році. EmDrive складається з несиметричного резонатора і магнетрона, який направляє в нього електромагнітне випромінювання і збуджує стоячі електромагнітні хвилі. У свою чергу, через несиметричність конструкції хвилі створюють різний тиск на стінки двигуна і є джерелом тяги. Робота такого двигуна порушує закон збереження імпульсу, один з фундаментальних законів фізики; тим не менш, численні експерименти стверджують, що тягу EmDrive все-таки створює. Наприклад, в опублікованій в листопаді 2016 року роботі інженери з NASA повідомляли про тягу близько 80 мікроньютонів при доданій електричній потужності близько 60 ватт. А у вересні минулого року про працюючий прототип двигуна, «неможливого» з точки зору науки, оголосили також китайські дослідники.
Цього разу група вчених під керівництвом Мартіна Таймара (Martin Tajmar) вимірювала тягу «неможливих двигунів» за допомогою крутильної установки, яку вона послідовно вдосконалювала протягом чотирьох років. Грубо кажучи, принцип роботи цієї установки нагадує крутильні ваги, винайдені наприкінці XVIII століття і застосовувалися для експериментальної перевірки законів Кулона і Ньютона. Крутильні ваги являють собою врівноважений важіль, підвішений на вертикальній нитці; коли на важіль діють зовнішні сили, він повертається, і по куту відхилення можна судити про величину докладених сил. В установці німецьких вчених замість нитки використовуються чутливі крутильні пружини, які утримують камеру з двигуном, а зміщення камери вимірюється за допомогою лазерного інтерферометра. Це дозволяє відчути силу тяги величиною близько декількох мікроньютонів.
Зрозуміло, вчені постаралися якомога сильніше зменшити вплив зовнішніх сил, який можна було б сплутати з тягою від «неможливого двигуна». Для цього вони встановили камеру на окремому бетонному блоці, переважному вібрації фундаменту, відкачали її до тиску близько одного паскаля (у сто тисяч разів менше атмосферного), захистили всі важливі частини установки від зовнішнього електромагнітного випромінювання за допомогою металевих листів, а також намагалися не допускати перегрівання електроніки, контролюючи її температуру за допомогою інфрачервоних камер. Перед проведенням основних експериментів фізики відкалібрували установку, щоб переконатися, що вони дійсно виключили всі зовнішні фактори. Нарешті, при вимірах тяги дослідники повертали двигун всередині камери, щоб перевірити, чи не позначаються на результатах якісь невраховані фактори. В ідеальній ситуації, коли таких факторів немає, напрямок зміщення камери має бути протилежним напрямку тяги двигуна - так, при вугіллі повороту двигуна = 0 градусів зміщення камери позитивно, при = 180 градусів негативно, а при = 90 взагалі відсутнє.
На жаль, вимірювання з двигуном EmDrive показали дещо іншу поведінку. Звичайно, при нульовому вугіллі сила тяги досягала чотирьох мікроньютонів при потужності підсилювача близько двох ватт, а при повороті двигуна на 180 градусів зміщення змінювало знак. Таким чином, виходило, що ставлення сили тяги до потужності приблизно дорівнює двом мілліньютонам на кіловат, що майже в два рази більше, ніж результати попередніх експериментів. Тим не менш, при = 90 градусів фізики так само реєстрували зміщення камери, хоча воно повинно було бути відсутнім. Більше того, при придушенні сили електромагнітних коливань всередині двигуна майже в сто тисяч разів величина тяги практично не змінювалася. Це означає, що насправді спостерігається в експерименті тяга була пов'язана не з двигуном, а з неврахованими зовнішніми факторами.
Як такі фактори може виступати магнітне поле Землі. Фізики зауважують, що вони екранували всі електронні прилади, які беруть участь в експерименті, і використовували коаксіальні кабелі скрізь, де тільки можна, проте поле все одно могло проникнути всередину установки через місця їх з'єднань. Звичайно, воно повинно було сильно послабитися, проте величина виміряної тяги так мала, що її цілком можна списати на цей ефект. Насправді, напруженість магнітного поля Землі приблизно дорівнює 50 мікротеслу, а сила струму, що живить підсилювач, досягала двох ампер. Використовуючи закон Ампера, легко розрахувати, що в таких умовах тягу близько двох мікроньютон може створити ділянку проводу довжиною всього два сантиметри. Для усунення цієї сили слід екранувати підсилювач і камеру одночасно, збільшуючи розмір металевої клітини Фарадея. Автори статті підкреслюють, що у всіх попередніх вимірах тяги EmDrive таке екранування не проводилося, а тому їх результати слід ретельно перевірити.
Поряд з EmDrive дослідники перевірили за допомогою аналогічної установки ще один двигун, що створює тягу без використання палива - так званий двигун Маха (Mach Effect Thruster), запропонований Джеймсом Вудвардом в 1990 році. Робота цього двигуна покладається на принцип Маха, який стверджує, що інерційна маса тіла виникає тільки за рахунок гравітаційної взаємодії з усіма іншими тілами Всесвіту. Як показав Вудвард, цю взаємодію можна трохи змінити, якщо змусити коливатися окремі частини тіла - в результаті маса тіла теж буде коливатися, і підбираючи частоту коливань спеціальним чином, можна створити тягу. Зрозуміло, робота двигуна Маха також суперечить закону збереження імпульсу. Як і у випадку з EmDrive, вимірювання німецьких вчених показали наявність тяги близько 1,2 мікроньютону, проте залежність величини тяги від кута повороту двигуна знову свідчила на користь зовнішнього походження цієї сили. Таким чином, достовірно підтвердити роботу «неможливих» з точки зору сучасної науки двигунів вченим не вдалося.
Взагалі кажучи, вчені дуже люблять шукати ефекти, що порушують відомі закони природи, оскільки вони дозволяють побудувати більш повну теорію, яка краще узгоджується з реальністю. На жаль, часто сенсаційні відкриття виявляються «пустушкою». Наприклад, так сталося з «надсвітовими» нейтрино експерименту OPERA, час польоту яких було занижено через недостатньо добре з'єднані кабелі. Або з «загадкою радіусу протона», в якій розбіжність виникала через неврахованих ефектів квантової інтерференції. Або з двофотонним піком, що виявився згодом простим статистичним відхиленням. Тим не менш, сучасна фізика все ще не може пояснити деякі ефекти - наприклад, відмінність між часом життя вільних нейтронів, вимірених різними способами. Це залишає надію на те, що рано чи пізно більш досконала теорія буде побудована.