В продължение на години една маргинална теория, оспорваща законите на движението на Исак Нютон, известна като квантувана инерция (QI - Quantized inertia), се използва в опит да се създаде двигател без гориво.

Сега идеята ще премине през най-сериозния си тест досега. Американската компания IVO, Ltd. наскороо изстреля квантов двигател (Quantum Drive), базиран на принципите на QI теорията, като част от мисията Transporter 9 на SpaceX. След няколко седмици компанията ще тества своя вграден квантов двигател, за да види дали може да промени орбитата на своя сателит Barry-1.

Исак Нютон през 17-ти век създава закони, които помагат на човечеството да разбере физиката, която е в основата на класическата физика. Но тъй като някои учени се съмняват дали идеите на Нютон (и впоследствие на Айнщайн) напълно разбират естеството на гравитацията, така също и малко, но упорито малцинство оспорва законите на движението на Нютон - по-специално частта относно инерцията.

Една от тези маргинални теории е идея, известна като квантувана инерция (QI - Quantized inertia), която е предложена за първи път през 2007 г. от Майк Маккълох (Mike McCulloch) от Университета в Плимут.

Майк Маккълох стана популярен през последните години поради връзката си с EMDrive.

Може да си спомняте това като устройство, което (според неговите поддръжници) може да създаде тяга без каквото и да е традиционно гориво и което се надяваха да направи революция в космическите пътувания и ни отведе до звездите. EMDrive предизвика голямо вълнение сред широката общественост поради огромните възможности, ако успее. Междувременно учените установиха, че дори най-добрите експериментални резултати не могат да бъдат разграничени от фоновия шум, а и такова устройство би нарушило основните физични принципи. Маккълох твърди, че ефектът е не само реален, но и че може да бъде обяснен в контекста на неговия модел.

Прототип на EmDrive. Кредит: NASA/Eagleworks, via NASA Spaceflight Forum.
 

Квантованата инерция, позната и съкратено като MiHsC (Modified Inertia from a Hubble-scale Casimir effect) се опитва да обясни проблема и с тъмната материя, и с EMDrive.

Основната идея на MiHsC е, че инерцията се причинява от ефекта на Унрух (вж "Ефектът на Унрух: Пространството се затопля, когато се ускорява"). Инерцията е основно свойство на материята и означава, че скоростта на даден обект ще остане постоянна, освен ако върху него не се приложи сила. Това е основата на първия закон за движението на Нютон.

Ефектът на Унрух никога не е било наблюдаван, но се появява теоретично в квантовата физика. В квантовата теория празното пространство може да се опише като запълнено с квантово поле. Вакуумът, от тази гледна точка, е просто най-ниското възможно енергийно състояние за тези полета. В повечето случаи празното пространство изглежда като вакуум, както бихме очаквали, но за ускоряващ се наблюдател полето има наблюдавана енергия.

Унрух твърди, че един ускорен наблюдател ще открие мъгла от фотони и други частици, като количеството на квантовите частици, прелитащи наоколо, ще зависи от движението на наблюдателя. Колкото е по-голямо ускорението, толкова е по-висока температурата на тази мъгла или "баня". В резултат на това ускоряващ се наблюдател ще бъде нагрят от квантови частици, известни като радиация на Унрух.

Маккълох твърди, че когато даден обект се ускори, той взаимодейства с радиацията на Унрух, което кара обекта да се съпротивлява на промяната на движението. Така инерцията е по-скоро ефект от ускорението, отколкото присъщо свойство на материята.

Тази схема показва обект (черния кръг), който се ускорява наляво. Квантовата механика заявява, че всички ускорени обекти се потапят в баня от топлинна (произволна) радиация, наречена радиация на Унрух (в оранжево). Теорията на относителността гласи, че информацията от крайната дясна част никога няма да достигне обекта, тъй като е ограничена до скоростта на светлината (c) (черната зона вдясно). Новото допускане на квантуваната инерция (QI) е, че обектът и хоризонтът (ръбът на черното) заглушава излъчването на Унрух между тях, както при ефекта на Казимир (синята област), така че радиацията избутва обекта повече отляво, отколкото отдясно – този модел предвижда инерция, казва Маккълох. Кредит: McCulloch, 2013.

Това теоретично предсказание не се подкрепя от всички физици - някои се отнасят към него като важен теоретичен резултат, свързан с излъчването на Хокинг, но други го смятат за следствие от математическа грешка.

Има проблеми с тази идея от самото начало. От една страна, ефектът на Унрух в стандартната квантова теория е извънредно малък - при ускорение трилион пъти по-голямо от земното притегляне, ще се получи топлинна температура от 40 милиардни от градуса над абсолютната нула. Освен това, тъй като радиацията на Унрух идва от всички посоки, тя не би могла сама да създаде инерциален ефект.

Но това не спира Маккълох. Той добавя други ефекти в микса. Тъй като наблюдаваната вселена е ограничена, дължините на вълните на радиацията на Унрух са ограничени и се комбинират с космическия ефект на Казимир, може по някакъв начин да произведе инерциален ефект. Ефектът на Унрух, ефектът на Казимир и теорията на информацията са добре установени в съвременната физика, но тяхната комбинация в MiHsC е погрешно приложена.

В своя документ за EMDrive, Маккълох твърди, че фотоните имат маса и че масата на фотоните варира с времето. Променящата се във времето инерция позволява на EMDrive да ускорява. Идеята не само нарушава третия закон за движението на Нютон, но нарушава Специалната теория на относителността, Общата теория на относителността и теоремата на Ньотер. Тъй като всяка от тях е добре проверена теория, която формира основата на безброй други теории, нарушаването им напълно би преобърнало цялата съвременна физика. Не е чудно, че повечето учени са агресивно скептични към идеята.

Илюстрация: W. An, UCLA

Но въпреки повече от десетилетие, въпреки масовата критика, идеята за QI остана и сега престои да бъде подложена на окончателния си тест.

Миналия уикенд американската компания за безжична енергия IVO Ltd. изстрелва първата си изцяло електрическа сателитна система за задвижване като част от мисията Transporter 9.

IVO съобщава, че изстрелването е било успешно и екипът е установил контакт със своя сателит Barry-1 в понеделник. 

Основателят на компанията Ричард Менсъл съобщава за The Debrief, че устройството му разчита на принципа на QI (т.е. не изисква гориво за тяга), но използва различни технологии от EmDrive на Маккълох.

IVO твърди, че неговият двигател може да получи 52 милинютона (mN) тяга само от един ват електричество. Ако е вярно, това е огромна стъпка напред спрямо двигателите с ефект на Хол (известни също като йонни двигатели), които имат като цяло по-ниска енергийна ефективност. Quantum Drive също е само 300 грама, докато един йонен двигател може да тежи над 200 килограма, посочва Interesting Engineering.

"Теорията за квантуваната инерция предоставя някои уникални начини за придвижване на космически кораби без гориво и без нарушаване на законите за движение на Нютон", заявява Мансел пред Universe Today през март. "Quantum Drive използва електричество и нашата патентована конфигурация за придвижване на космически кораби. Тази конфигурация е тествана доколкото е възможно на повърхността на Земята. "

Следващият и окончателен тест сега е в космоса.

Сателитът Barry-1 съдържа два квантови двигателя, които сега ще обикалят около Земята за няколко седмици, за да съберат базови данни, преди сателитът да се опита да промени своята орбита, използвайки своите вградени квантови устройства. Така че след месец-два или Нютон отново ще се окаже прав, или "невъзможното" ще изглежда много по-възможно. В науката решава експериментът.

Справка:

• M.E. McCulloch. Low-acceleration dwarf galaxies as tests of quantised inertia. Astrophysics and Space Science (2017)
• M.E. McCulloch. Testing quantised inertia on the emdrive. arXiv:1604.03449 [physics.gen-ph] (2016)
• M. E. McCulloch. Modelling the Pioneer anomaly as modified inertia. MNRAS,376,338-342 (2007)

Източници:

The 'Impossible' Quantum Drive Supposedly Defies Newton's Laws of Motion, Рopular Мechanics

Quantized Inertia, Dark Matter, The EMDrive And How To Do Science Wrong, Brian Koberlein, forbes

Physics with an edge, Mike McCulloch