古怪的好处：探索奇异推进

2012年，加州州立大学富勒顿分校的理论物理学家海蒂·费恩结束休假回到办公室时，在她办公室隔壁的实验室里发现了一个惊喜：一个人，一个名叫詹姆斯·F·伍德沃德的老人。费恩在周围认识他——他是一位科学史教授和物理学兼职教授。他有一头白发，眼睛总是从眼镜上方往外看，很符合这个角色。但她还是想，“这家伙到底在我的后屋里干什么？”

事实证明，他正在时空中被调来调去：该大学最近征用了伍德沃德的办公室，用于新成立的引力波物理学和天文学中心。机构当局已将他转移到这个相对空闲的地方。

起初，费恩将他视为闯入者，但很快她的看法就改变了。伍德沃德正在研究一个边缘课题——一个完全超出费恩正常研究范围的课题。她专注于量子光学，即光与物质的相互作用——一个比伍德沃德的兴趣主流得多的主题：一种假设的航天器推进形式，如果真实存在，它有可能将我们物种推向星辰。

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或者他是这么声称的。费恩剃着光头，脸上带着一丝嘲讽的笑容，暗示着她始终持怀疑态度，对此并不确定。“我真的不相信他所做的事情是正确的，”她说。当她每天走过时，费恩看到的情景更像是一个物理101实验室实验，而不是一个未来的推进系统。伍德沃德的装置有一个用螺栓固定的天平，一侧有一个金属笼，电线来回穿梭，另一侧有平衡砝码。“你只需推一下东西，就能产生一些非常大的引力效应，”伍德沃德向她保证——特别是金属盒子里面的东西。

他声称他可以诱导物体质量的微小、超快速变化，使其先变轻，然后再变重。然后，通过在其质量变化时有策略地来回拉动和推动它，他可以产生推力。他给她看了输出图上的小尖峰，每一个都是嗖的一声。是吗，费恩心想。但她每天都会斜眼看那张图。“每次我走过，尖峰似乎都越来越大，”她说。最终，伍德沃德问她是否愿意帮忙。

她有终身教职，而且她喜欢星际迷航，所以她说“好吧，当然”。从那时起，这对奇怪的搭档一直在共同开发MEGA：马赫效应重力辅助驱动器。尽管它仍然处于主流科学的边缘，但它已经获得了可信度。其他三个实验室已经从模仿装置中看到了类似的推力，MEGA已经获得了美国宇航局两项最具竞争力的拨款。

但这些不仅仅是普通的拨款。它们来自该机构最空想的部门：美国宇航局创新先进概念（NIAC）计划，该计划资助“如果成真将是巨大的”研究。在2017年和2018年，先进推进技术——在更少的时间内使用更少的燃料，将更多的质量通过更多的空间发送出去，而不是传统的火箭——约占奖励的20%。这些项目从真正奇异到仅仅是古怪，但它们都偏离了传统路径，目标是新的方向。

科幻小说的边缘

NIAC拨款试图弥补推进技术自20世纪中期以来相对停滞不前的事实。大多数航天器使用化学推进剂，这是太空版的汽油。在传统火箭中，这些化学物质结合并相互反应以加热和膨胀。由于体积太大而超出其腔室的范围，它们从航天器的后部喷射出来，产生推力。推力只是在一个方向上使用力，以在相反方向上产生相等的力。当你推向游泳池的墙壁时，推力就是将你推回来的力量。

然而，燃料既重又效率低下。为了获得真正巨大的推力，飞行器需要携带如此多的气体，以至于永远无法起飞。对于前往其他太阳系的任务，甚至是在我们太阳系内以更快的速度旅行，化学燃料都无法胜任。“这些推进剂中的能量是有限的，”美国宇航局喷气推进实验室（JPL）的约翰·布罗菲说。他领导着另一个NIAC资助的项目，名为“星际先驱任务的突破性推进架构”。“无论你有多聪明，无论你制造多大的喷嘴，你都无法克服这个问题，”布罗菲指出。

一些深空项目，如美国宇航局的“黎明号”小行星带探测任务，转而使用了电力推进。这种系统通常使用电力来加速带电粒子，然后这些粒子可以以比传统燃料快20倍的速度从火箭中射出。但是，这些系统也陷入了停滞。“事实证明，几乎所有已发明的电动推进器都是在20世纪50年代和60年代发明的，”JPL的高级研究科学家丹·M·戈贝尔说。“似乎从那时起就几乎没有新想法了。”

然而，NIAC完全是为了新想法。该计划充当美国宇航局的风险投资部门，因为它支持可能会取得巨大成功的技术。NIAC计划执行官杰森·德莱斯说，是“疯狂”的东西。“我所说的‘疯狂’是指没有人会想到的东西，”德莱斯说。比当前技术好10倍的东西，突然出现以推动迟缓的现状。在创业界的行话中，这被称为“颠覆”。

德莱斯以加州大学圣巴巴拉分校的菲利普·卢宾的工作为例。几年前，卢宾提出了一个名为“星芯片企业号”的项目：一颗配备“光帆”（一个早于该项目的想法的新迭代）的微型卫星。从地球轨道上，强大的激光将射向光帆。当它们击中时，光帆将反射光，其动量将推动航天器前进。NIAC在2015年和2016年向卢宾授予了拨款，他现在正与“突破性倡议”的一个项目合作，将激光驱动的光帆送往最近的恒星。这就是NIAC喜欢的好处。“它只是足够疯狂，以至于可能会奏效，”德莱斯说。“NIAC是为了走向科幻小说的边缘，但不会跨越过去。”他补充说，“我们尽力不跨越过去。”

但是，在这些低“技术就绪水平”（TRL）下，科学与小说之间的差距是很小的，TRL是美国宇航局用于评估创新成熟度的评级系统。其“洞察号”火星着陆器上的太阳能电池板的评级为TRL 9，这意味着已经在外太空工作。然而，NIAC寻求TRL 1、2，有时甚至3——需要在现实世界中部署之前进行更多烘烤的早期项目。

每年大约有200个小组提交NIAC第一阶段提案，该机构仅批准15到18个提案。科学家们每人获得12.5万美元，有九个月的时间进行“快速转动曲柄，看看某件事是否真的可行，”德莱斯说。如果没有出现任何交易破坏者，研究人员可以申请50万美元的第二阶段拨款。“这是最难撰写的提案之一，也是航空航天领域中标率最低的提案，”他说。“我认为这些人通常是精英中的精英。”

在过去两年资助的47个项目中，有8个项目和3个第二阶段入选项目涉及先进推进技术。但是，NIAC正在对每个项目进行赌博——希望至少有一些项目代表真正的外部力量，可以推动推进技术朝着新的方向发展。

惯性原理

“这并非是由天才和深刻洞察力指导的探索，”伍德沃德在二月份的一天通过视频会议电话说。他和费恩正坐在已成为他们联合总部的办公室里，那里有一盒纸巾和一把镊子放在一起。费恩空荡荡的办公室显示在一个屏幕上，背景中高耸的金属书架用蹦极绳绑在一起。他们一起——费恩宣称该项目属于伍德沃德，而伍德沃德则以相等且相反的力量抗议——描述了MEGA可能如何工作。这一切都始于惯性。

这是一个简单的原理，你每天都会体验到：事物倾向于保持它们已经运动的方向，或者如果它们静止不动，则保持静止不动。但是科学家们缺乏对惯性存在原因的可靠解释。它只是有点……存在。在19世纪80年代后期，奥地利物理学家恩斯特·马赫提出了一个想法的种子：惯性是宇宙中所有物质的引力影响的结果。

那么，航天器发动机内部的任何东西都会感受到来自附近物质以及数十亿光年之外物质的引力。并且物体的质量每次相对于所有这些物质加速或减速时都会发生一些变化。大约在同一时间，包括本笃·弗里德兰德和奥古斯特·弗普尔在内的其他物理学家也持有类似的相对论思想。

但实际上是阿尔伯特·爱因斯坦在阅读了恩斯特·马赫早期关于该主题的思考后，将此命名为“马赫原理”。包括已故的唐纳德·林登-贝尔在内的更现代的物理学家也接受了这个事业，林登-贝尔在1969年首次提出星系中心包含超大质量黑洞。作为一名学生，林登-贝尔对这个想法很感兴趣，他的导师给了他物理学家丹尼斯·西阿玛在1953年发表的一篇论文，该论文阐述了马赫思想最完整的版本。西阿玛的工作也启发了伍德沃德。尽管林登-贝尔在他的整个职业生涯中都保持着兴趣，但这只是一个副业；他信奉一种几乎与伍德沃德相反的研究哲学：“进行面包和黄油科学，直接扩展已知知识以阐明新现象是主要工作，”他在2010年写道。“我们不应该把所有时间都花在摸索可能超出我们能力范围的重大问题上。”

伍德沃德不同意，他更倾向于“要么大干一场，要么回家”的理念。因此，他一直在尝试将马赫原理应用于航天器发动机。曾任美国宇航局突破性推进物理学项目负责人的工程师马克·米利斯看到了其中的希望。“与其他说法不同，[马赫效应推进器]……根植于物理学中的开放性问题，”他说。

基于马赫原理的推进器的想法是这样的：通过使物体变形，你可以加速其内部（想象一下揉皱一张纸——当你压碎它时，你正在移动它的各个部分）。当你加速某物时，你会改变它的能量。如果你改变了它的能量——根据爱因斯坦的发现E = mc²——你改变了它的质量。如果你改变了它的质量，你就会影响它的惯性。如果你搞乱了惯性，你就是在搞乱物体与整个宇宙其余部分的关系。

从实际意义上讲，这意味着什么很难说。但是伍德沃德和费恩试图将这些想法付诸实践。在他们的太空驱动器内部，堆叠着“压电盘”，这是一种陶瓷，当受到电压冲击时会膨胀和收缩（就像纸张揉皱和展开一样）。一些加速度会改变圆盘的内部能量，然后改变它们的质量：它们变得更重、更轻、更重、更轻。如果你在它们变轻时拉动它们，并在它们变重时推开它们，你就会获得推力——而无需使用任何燃料。“想象一下，你自己站在滑板上，身上通过蹦极绳连接着一块10磅重的砖头，”伍德沃德的前研究生汤姆·马胡德写道，他试图让这一切稍微容易理解一些，这篇文字于2012年4月发布在他的网站上。“如果你把砖头扔离你，你和滑板将朝一个方向移动，砖头将朝相反的方向移动。”推力！伍德沃德指出，这不是一个完美的类比——但他承认，他从未能想出一个既有意义又完全正确的物理隐喻。

这听起来很可疑，一些科学家认为这违反了动量守恒原理，但一些研究（以及伍德沃德和费恩）不同意。然而，这个想法引起了太空研究所主席加里·哈德森的注意，太空研究所是一个总部位于加利福尼亚州的组织，曾经由著名的理论物理学家弗里曼·戴森领导。该小组于2013年成立了一个奇异推进倡议，第一笔资金用于资助伍德沃德和费恩。

伍德沃德很快开始将他的装置的副本发送给其他实验室的人员，以便他们可以尝试复制推力。费恩和当时在加利福尼亚州埃尔塞贡多的航空航天公司（一家联邦政府资助的研发中心）工作的科学家兰斯·威廉姆斯建议太空研究所举办一次先进推进器研讨会。

由于威廉姆斯住在科罗拉多州，并且知道即使所有参与者都食言，那里也是一个非常适合隐居的地方，因此该小组选定了2016年秋季的埃斯蒂斯公园，当时陡峭山坡上的白杨变成了（传统）火箭的红色-橙色-火焰色。会议的座右铭“化干戈为玉帛”敦促竞争对手之间进行合作，会议甚至还有一个官方的翻领别针：一把斧头和一把铲子交叉成X形。

复制结果

第一天，哈德森站在聚集的人群面前，身后是木镶板和白板。“过去，我们的工作非常扎实地立足于工程和物理学，”他说，“当然，奇异推进是一个非常有争议的课题。”但是，他继续说道，它已经引起他很长时间的兴趣。科幻小说作家亚瑟·C·克拉克曾经告诉他，如果他想远离这个星球——并返回——他需要一件东西：“一位物理学家，他会给你一个关于‘什么是惯性？’的直接答案。”

“我记住了这些话，”哈德森说。“我遇到的第一位给我直接答案的物理学家是吉姆·伍德沃德。”

随着会议的进行，其他人的结果似乎——至少在某种程度上——支持了伍德沃德和费恩的测量结果。他们显示，当推进器打开时，MEGA装置产生了推力，而当推进器关闭时则没有。第三天，奥地利工程公司FOTEC研究与技术转移公司的内姆博·布尔德里尼走到了房间的前面。他通常评估电动推进器的效果，但在几年前，伍德沃德给他寄来了一个马赫效应装置。

布尔德里尼展示了一张图，并排显示了他的结果以及伍德沃德和费恩的结果。“首先显而易见的是曲线的形状，”他说。的确，两者都显示出设备打开时的下降、设备通电时的恒定推力，然后在设备关闭时出现偏移尖峰。推力数值相差一个数量级——布尔德里尼说，这可能是校准问题。也可能不是。（伍德沃德还指出，平衡设备的不同可能会导致量级差异。）

另外两个小组也获得了类似的数据和类似的推力模式。德累斯顿工业大学的马丁·泰马尔只有初步结果，但经营自己的咨询公司的电气工程师乔治·哈撒韦拥有更多数据。在他的演讲中，他没有穿鞋——只穿了袜子，上面溅满了彩虹色的爱因斯坦面孔。他说，他的实验室是在防震台上完成工作的，以确保地球的震动不会扰乱地球外的旅行结果。推力持续存在。

在研讨会早期的复制之后，NIAC注意到了这一点，并在2017年向伍德沃德和费恩提供了第一阶段拨款。当然，这并不是说推力肯定是真实的，而不是某种系统误差——或者，即使它是真实的，马赫效应也会导致它。2018年，泰马尔展示了一篇论文，作为其“太空驱动”项目的一部分，该项目旨在尝试复制或排除奇妙（的）推进说法。事实上，该研究显示了异常高的推力——这意味着尖峰可能根本不是推力，而是一个错误或其他某种现象。在太空研究所2018年的研讨会上，一位名叫杰米·乔姆佩利克的软件工程师展示了一个模拟，显示系统中的振动如何伪装成推力。

此外，在2019年5月，泰马尔在网上发表了另一篇“太空驱动”论文，当他减去可能伪装成推力的其他影响时，看不到任何推力。“我们的结果挑战了马赫效应推进器上真实推力说法的有效性，”泰马尔说。“但是，还需要进一步研究才能最终证实这一点。”伍德沃德说，他认为装置配置不正确。该团队计划在今年晚些时候展示新数据，泰马尔说，即使推力再次出现，他也不认为潜在的理论是正确的。

米利斯倾向于同意——既同意团队可能看到假阳性，也同意，如果不是这样，该装置也不一定在演示马赫效应。但在某些方面，潜在的理论不如经验演示重要。正如兰斯·威廉姆斯在2016年推进研讨会上所说，“如果你能在我们面前悬浮一个炮弹，我们不在乎理论是什么。”

“怀疑是健康的，解决怀疑的唯一方法是无可辩驳的证据，”米利斯说，他最近在泰马尔的实验室花了三个月的时间来追寻证据。“尽管进行了复制，但[推力]仍然可能被证明是一种常见的测量伪影，”他说。“但话又说回来，它也可能是一种真正的新现象。”尽管科学远未定论，但MEGA的第一阶段成果给美国宇航局留下了深刻印象，以至于该机构在2018年向该小组提供了第二阶段拨款。

激光、反物质和核武器

伍德沃德和费恩的实验是NIAC推进拨款中最奇异的。并非所有其他获得NIAC资助的研究人员都同意“奇异”是正确的方向。

布罗菲的“星际先驱任务的突破性推进架构”将希望寄托在激光上。在某些方面类似于卢宾的光帆激光，布罗菲的激光将从轨道上发射，将光束射向面板，这些面板像太阳能电池板一样，将光能转化为电能。然后，电力被输入到充满锂的推进系统中。电压将电子从锂原子上敲掉，使它们带正电荷。然后，电场加速它们，并将它们引导出航天器的后部。布罗菲希望它的速度能比“黎明号”航天器的离子推进系统快20倍——他领导了该系统的开发——速度约为每秒200公里。

但该项目仍然是一个遥远的梦想。该团队不确定它是否能够足够准确地指向激光，或者它是否能够在太空中组装如此大的激光阵列，或者制造出能够产生必要6000伏电压的光转换面板。“这就是为什么这是一个完美的NIAC研究，”布罗菲说。“[NIAC实验]有意处于可行或不可行的边缘。”

有些人正试图完全摆脱电力轨迹。另一个NIAC项目的目标是反物质发动机，方法是“冷却”正电子，正电子的质量与电子相同，但电荷相反。在其自然状态下，这些反物质粒子的温度高于太阳表面，因此难以处理和存储。但冷却后，它们可以被保存和控制，并且——正如这个项目所做的那样——被砸入电子。由此产生的伽马射线可以为聚变反应提供燃料，然后推动航天器。

另一个想法是将中子束和激光光子束编织在一起，这样粒子就不会像在太空中传播时那样扩散或衍射。中子束通过折射光子或弯曲其路径来控制光子，激光束的电场“捕获”中子。该团队声称，用50吉瓦激光束制成的光束，射到航天器上的帆上，可以将一个一公斤重的探测器加速进行为期42年的最近恒星系统任务。

当然，还有核武器。美国宇航局马歇尔太空飞行中心的罗伯特·亚当斯有一个名为“脉冲裂变-聚变（PuFF）”的NIAC项目，该项目结合了两种核战略。“我们开发任何与聚变相关的技术的唯一方法是使用裂变触发器，”他说——换句话说，使用更容易制造的裂变反应来创造足够极端的条件以启动聚变。但是裂变-聚变触发器很像炸弹，因此亚当斯开始构想无法被罪犯滥用的系统，他偶然发现了一个名为Z箍缩的概念。如果你在等离子体（在这种情况下，由锂制成）中产生电流，你可以使用它感应的磁场来压缩或箍缩某些东西——在这种情况下，目标是由铀和氘-氚制成。

被挤压的铀达到临界状态，其裂变会为氘-氚提供足够的能量以开始聚变。聚变产生中子，中子参与更多的裂变，这提高了恒温器的温度，从而提高了聚变速率。两级爆炸的威力相当于几公斤TNT炸药。不足以毁灭世界——但足以使一艘25公吨的飞船在37天内到达火星（相比之下，使用化学发动机大约需要9个月或更长时间），如果稳定地应用并使用大量并行设备。在申请了五次之后，亚当斯终于在2018年获得了第二阶段拨款。

你可以用一个奶油夹心蛋糕来思考亚当斯最大的问题。尝试均匀地挤压奶油夹心蛋糕——即裂变-聚变目标。不可能！海绵状的黄色面包渗入白色馅料中；馅料从侧面喷出来。在PuFF中，这种泄漏意味着挤出的能量，使你没有足够的能量来加速聚变。过去，这个问题是研究人员的尽头。“他们放弃了它，开始走其他道路，”他说。然而，这些道路都没有导致太空推进技术的巨大飞跃。

新的方向

亚当斯项目的历史平行提供了一个关于推进技术停滞不前的原因的教训。从1958年到1964年，军方和美国宇航局花费了1100万美元（按今天的美元计算为9300万美元），用于弗里曼·戴森领导的一项名为“猎户座”的核动力推进系统的开发工作，该系统与PuFF非常相似。该项目的座右铭是？“1965年到达火星，1970年到达土星。”它并不完全是军事用途，但对于美国宇航局来说，它几乎太具爆炸性了，因此这两个组织在承诺方面都犹豫不决。最终，当美国在1963年签署《核试验条约》，宣布必要的实验为非法时，它成为了一个禁区。“这是现代历史上人类技术的主要扩张首次因政治原因而被压制，”戴森当时说。

因此，优点并不是决定哪些技术成为现实的唯一因素。我们发送到太空的任何东西都来自地球，地球上有法律、未解决的争端、知之甚少的物理学和未知的未知数，这些未知数似乎太冒险而无法放在昂贵的宇宙飞船上。这些是导致众所周知的惯性的因素之一——即继续使用相同的技术并继续走我们一直在走的路的趋势。但是，将该领域指向新方向的外部推动力可能随时到来。

关于MEGA的结论尚未最终确定，即使它永远有用，这个概念仍然离实用还很遥远。目前的设备仅提供微小的推动力——以“微牛顿”为单位计算——一个苹果在厨房柜台上施加的力比这大几个数量级。而苹果不会接近半人马座α星。但是，每一次推动都必须从某个地方开始。借助第二阶段拨款，费恩和伍德沃德希望增加他们的推力，并将多个设备并排放置，以便它们加起来达到可用的程度。然后，凭借他们希望在接下来获得的任何资金，他们将发射一颗微型卫星，配备微型MEGA驱动器。借助它，他们将尝试改变卫星的轨道，表明马赫效应可以作用于现实世界。

今年，NIAC开辟了一条新的资助线——总额为200万美元的第三阶段奖励。2019年的两项奖励颁给了太空采矿和勘探项目，帮助该机构实现其太阳系探索目标。然而，在未来，奖励可能会更深入太空，更深入未来——针对像MEGA这样的项目，前提是其结果能够实现。但首先，费恩说，“美国宇航局正在确保这并非南方加利福尼亚州的几个人在浪费时间的某些虚假事物”——事实上，它是那种好处的古怪。