违反牛顿第三定律的引擎——原理介绍
老胡说科学2020-04-26 19:10
马赫原理解释
通常它被认为是宇宙中的物质以某种方式引起了局部惯性效应。早在19世纪后期，一位名叫恩斯特·马赫的奥地利物理学家就对经典物理学——尤其是牛顿力学——进行了一系列的批判。令他感到奇怪的是，旋转的物体会产生可检测到的旋转结果，也就是说，会感受到离心力。
他注意到这样的旋转发生在遥远星系中。这表明，当涉及到像旋转这样的事情时，物质和局部效应之间一定存在因果联系。
这让他的助手阿尔伯特·爱因斯坦认为，遥远的物质和局部现象之间确实存在某种联系。由于万有引力是在远距离内唯一具有重大影响的力，爱因斯坦早在1911年就假定惯性是万有引力引起的现象。
几年后，当爱因斯坦在1915年创立广义相对论时，他确信自己的理论已经成功地将惯性的引力感应纳入其中，一两年后，他就宣称马赫原理是广义相对论的一部分。他所说的马赫原理的问题在于它涉及到一种叫做距离场论的作用。
例如，如果你推你的车，它就会反过来推你，对吧？这就是牛顿第三定律，大概是由于宇宙中遥远物质的作用。问题是，它怎么知道在你推它的同时它也在推你？
传统的推进依靠牛顿第三运动定律回答这个问题有两种方法。一个是我们通过过去的光锥看到所有“遥远的物质”，这意味着我们正在与比现在更早存在的物质进行交互，在此模型中，过去光锥中所有物质产生的场的作用是局部惯性效应的原因。
不过，这种解释存在一些问题。更准确地说，当你推某物时，它之所以会向后推是因为它与未来宇宙中的遥远物质相互作用，而不是过去。当你推动某物时，你会产生运动，这就会轻微地干扰引力场。这种扰动会传播到未来，并最终与宇宙中的所有物质相互作用，并且产生的未来运动会及时向后传播，直到现在，并产生您感觉到的惯性反作用力。这是马赫原理的远距离行为。
相对论光锥的描述（维基百科）在爱因斯坦发表了广义相对论之后，一位名叫威廉·德西特的荷兰物理学家对它产生了兴趣，并最终指出，爱因斯坦的场方程实际上并没有包含马赫原理。爱因斯坦最终被迫放弃了对马赫惯性原理的解释，但他愿意放弃是因为他相信广义相对论仍然包含着来自过去遥远物质的惯性引力感应。
事实证明，这种解释实际上是广义相对论的一部分。这和马赫效应有什么关系呢？它意味着如果你在局部产生运动，你也会产生极小的相对论效应。
例如，如果电子电容器充电或者放电，这将导致一个小电容的质量变化（由爱因斯坦著名的方程给出E = mc）。然而，由于质量的变化是除以光速的平方，这意味着质量波动产生相当小。
事实证明，如果将E =mc质量波动耦合到很大的引力场，则可以扩大质量波动。因此，问题是，在哪里获得大的引力场？
答案是：我们生活在其中。事实上，一个巨大的万有引力场以等于C^2的势能渗透到我们整个宇宙中。在随时间变化的情况下，可以通过加速能量来耦合该场，当这种情况发生的时候，质量波动被极大地放大了。这就是马赫效应的基本物理原理。
那么如何用它来推进呢？以波动的频率对波动的质量施加第二种力，所以当它更大的时候推它，当它更小的时候拉它。这个方法没有违反能量守恒，但它确实允许你产生一个净方向力（推力）。
伍德沃德认为同步的质量和能量波动会产生净推进力(维基百科)那么，在对马赫原理的解释中，有没有科学证据支持它与遥远物质之间的联系呢？
爱因斯坦坚持惯性是一种引力感应效应。爱因斯坦在1955年3月去世后不久，普林斯顿大学一位名叫卡尔·布朗斯的研究生与物理学家鲍勃·迪克合作，迪克请他重新阐述几年前由丹尼斯·西马提出的理论，从矢量形式到张量形式。
卡尔最终找到了爱因斯坦1921年在普林斯顿的演讲，并最终发表在《相对论的意义》上。爱因斯坦用了好几页的篇幅来研究马赫数的惯性和广义相对论。卡尔做了一个计算来证明，如果在一个被测试物体的附近引入局部物质，它会改变引力势能，从而改变被测试物体的质量。
从原理上讲，这意味着应该能够通过检查基本粒子的电荷质量比来区分加速度和引力场，因为它违反了等价原理，结果证明它是正确的。
等价原理的描述这意味着广义相对论中的牛顿势能是一种被称为局部测量不变量的东西。在不同的时间，不同的地点，不同的观察者可能会有不同的值，但无论何时，当对势的值进行局部测量时，总会得到相同的数字。在实验室里，对于电荷质量比的测量结果总是一样的，这也意味着真空中的光速和牛顿势有着完全相同的性质。
一个遥远的观察者会看到黑洞附近的光速非常接近于零，因为你在测量的时候运动也变慢了，所以它是相对的。所以光速在真空中是局部测量的不变量，而不是人们草率地称之为常数。
惯性的起源(吉姆·伍德沃德，加州州立大学富勒顿分校)如何建造一个设备来制造这些质量和能量波动来满足马赫效应推进的需要？
这需要一堆压电晶体，在两个磁盘之间的电极充当电容器。当向堆栈施加电压时，会在此压电材料的电极板之间产生交流电场。这导致能量密度改变，这是能量波动。
压电晶体是机电设备，这意味着在您施加电压时，它们会根据电压进行机械膨胀和收缩。因此，通过施加电压，无论电池堆的机械操作如何，都会在电池堆中引起能量波动，并且由于机电效应而导致电池堆尺寸发生变化，因此还会产生加速度。导致所需的加速度将设备耦合到较大的重力场。
在最新的实验测试中，产生了20微牛顿的推力。从实用的角度来看，这项技术处于非常初期的阶段。这就是为什么虽然已经证明了理论上是可行的，但很难说服别人在这项技术上投资。
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