每一个作用力都会有一个反作用力,所有的火箭都是以此种原理运行:朝一个方向喷射燃料以向另一个方向前进。但是美国太空总署(NASA)一位工程师认为,他可以不靠燃料就带我们上太空。

螺旋推进器

NASA 马歇尔太空飞行中心(Marshall Space Flight Center)的工程师大卫·伯恩斯(David Burns)设计出「螺旋推进器」(helical engine),利用了已知在近光速运动时产生的质量改变效应。伯恩斯在NASA 的技术报告伺服器上发布了一篇描述该概念的论文。

伯恩斯的推进器原理可以这样解释。假设在无摩擦的表面上有一个盒子,盒子里面有一根杆与可以沿着杆滑动的环。如果盒子内的环被推了一下,则环将沿着杆滑动,而盒子会向后退。当环到达杆的末端时,它将撞上盒子向后反弹,箱子的移动方向也将反向。这就是牛顿第三运动定律,在正常情况下,它会将​​盒子限制为来回摆动。

不过伯恩斯质疑,当环的质量向一个方向移动比另一方向大得多时,会如何?如此一来,盒子一端的受力将比另一端更大,箱子将加速前进。

NASA 工程师设计出不用燃料就能达到99% 光速的推进器


火箭中不断变化的质量所引起的反作用力,会让火箭向前移动(图:David Burns)

相对论

爱因斯坦(Albert Einstein)的狭义相对论指出,物体加速至接近光速时会增加质量,在粒子加速器中必须要考虑这点。实际上,将伯恩斯概念实现的一个简单作法,是将其上述例子的环替换为环形粒子加速器。在这种粒子加速器中,离子在一个行程中迅速加速到相对论速度,而在另一个行程中减速。

但是伯恩斯认为,抛开盒子和杆子,使用粒子加速器进行横向和圆周运动会更合理,此时加速器的形状必须像螺旋状一样,此外尺寸也必须很大,长约200 公尺,直径12 公尺,但165 百万瓦的功率才能产生1 牛顿的推力,这大约是敲键盘的力道。伯恩斯表示:「如果有足够的时间和动力,推进器本身将能达到99% 光速。」

前车之鉴

不靠燃料的想法并非新鲜事。1970年代后期,美国发明家罗伯特·库克(Robert Cook)发明了一种推进器,据称可将离心力转换为线性运动。2000 年代初期,英国发明家罗格·舍耶尔(Roger Shawyer)提出了电磁推进器(EM Drive),宣称可以将微波转换成推力。由于违反了动量守恒,这两个概念都没有被成功证明,并且都被认为是不可能实现的概念。

德国德勒斯登工业大学(Dresden University of Technology)马丁·泰马教授(Martin Tajmar)曾对电磁推进器进行测试,在2018 年发表的结果判定量测到的推力不是来自电磁推进器,他认为螺旋推进器可能会遇到同样的问题。他表示:「据我所知,所有惯性推进系统从未在无摩擦的环境下工作。与其他机器不同,这台机器利用了相对论,这使情况变得更加复杂。」

但伯恩斯认为他的概念值得追求,他私下试着实现了他的设计,没有得到NASA 的任何资助,他承认自己的概念效率极低。但是他表示,也许可以回收加速器以热和辐射损失的大部分能量。他还提出动量守恒的方法,例如加速离子的自旋。他表示:「很乐意把它公开讨论。如果有人说这行不通,那么我将是第一个说这值得一试的人,你必须准备好出糗。公开透明地发明出一种新的而且确实有效的东西非常困难。」