古怪的好處：探索奇異推進

2012年，加州州立大學富勒頓分校的理論物理學家海蒂·費恩結束休假回到辦公室時，在她辦公室隔壁的實驗室裡發現了一個驚喜：一個人，一個名叫詹姆斯·F·伍德沃德的老人。費恩在周圍認識他——他是一位科學史教授和物理學兼職教授。他有一頭白髮，眼睛總是從眼鏡上方往外看，很符合這個角色。但她還是想，“這傢伙到底在我的後屋裡幹什麼？”

事實證明，他正在時空中被調來調去：該大學最近徵用了伍德沃德的辦公室，用於新成立的引力波物理學和天文學中心。機構當局已將他轉移到這個相對空閒的地方。

起初，費恩將他視為闖入者，但很快她的看法就改變了。伍德沃德正在研究一個邊緣課題——一個完全超出費恩正常研究範圍的課題。她專注於量子光學，即光與物質的相互作用——一個比伍德沃德的興趣主流得多的主題：一種假設的航天器推進形式，如果真實存在，它有可能將我們物種推向星辰。

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或者他是這麼聲稱的。費恩剃著光頭，臉上帶著一絲嘲諷的笑容，暗示著她始終持懷疑態度，對此並不確定。“我真的不相信他所做的事情是正確的，”她說。當她每天走過時，費恩看到的情景更像是一個物理101實驗室實驗，而不是一個未來的推進系統。伍德沃德的裝置有一個用螺栓固定的天平，一側有一個金屬籠，電線來回穿梭，另一側有平衡砝碼。“你只需推一下東西，就能產生一些非常大的引力效應，”伍德沃德向她保證——特別是金屬盒子裡面的東西。

他聲稱他可以誘導物體質量的微小、超快速變化，使其先變輕，然後再變重。然後，透過在其質量變化時有策略地來回拉動和推動它，他可以產生推力。他給她看了輸出圖上的小尖峰，每一個都是嗖的一聲。是嗎，費恩心想。但她每天都會斜眼看那張圖。“每次我走過，尖峰似乎都越來越大，”她說。最終，伍德沃德問她是否願意幫忙。

她有終身教職，而且她喜歡星際迷航，所以她說“好吧，當然”。從那時起，這對奇怪的搭檔一直在共同開發MEGA：馬赫效應重力輔助驅動器。儘管它仍然處於主流科學的邊緣，但它已經獲得了可信度。其他三個實驗室已經從模仿裝置中看到了類似的推力，MEGA已經獲得了美國宇航局兩項最具競爭力的撥款。

但這些不僅僅是普通的撥款。它們來自該機構最空想的部門：美國宇航局創新先進概念（NIAC）計劃，該計劃資助“如果成真將是巨大的”研究。在2017年和2018年，先進推進技術——在更少的時間內使用更少的燃料，將更多的質量透過更多的空間傳送出去，而不是傳統的火箭——約佔獎勵的20%。這些專案從真正奇異到僅僅是古怪，但它們都偏離了傳統路徑，目標是新的方向。

科幻小說的邊緣

NIAC撥款試圖彌補推進技術自20世紀中期以來相對停滯不前的事實。大多數航天器使用化學推進劑，這是太空版的汽油。在傳統火箭中，這些化學物質結合並相互反應以加熱和膨脹。由於體積太大而超出其腔室的範圍，它們從航天器的後部噴射出來，產生推力。推力只是在一個方向上使用力，以在相反方向上產生相等的力。當你推向游泳池的牆壁時，推力就是將你推回來的力量。

然而，燃料既重又效率低下。為了獲得真正巨大的推力，飛行器需要攜帶如此多的氣體，以至於永遠無法起飛。對於前往其他太陽系的任務，甚至是在我們太陽系內以更快的速度旅行，化學燃料都無法勝任。“這些推進劑中的能量是有限的，”美國宇航局噴氣推進實驗室（JPL）的約翰·布羅菲說。他領導著另一個NIAC資助的專案，名為“星際先驅任務的突破性推進架構”。“無論你有多聰明，無論你製造多大的噴嘴，你都無法克服這個問題，”布羅菲指出。

一些深空專案，如美國宇航局的“黎明號”小行星帶探測任務，轉而使用了電力推進。這種系統通常使用電力來加速帶電粒子，然後這些粒子可以以比傳統燃料快20倍的速度從火箭中射出。但是，這些系統也陷入了停滯。“事實證明，幾乎所有已發明的電動推進器都是在20世紀50年代和60年代發明的，”JPL的高階研究科學家丹·M·戈貝爾說。“似乎從那時起就幾乎沒有新想法了。”

然而，NIAC完全是為了新想法。該計劃充當美國宇航局的風險投資部門，因為它支援可能會取得巨大成功的技術。NIAC計劃執行官傑森·德萊斯說，是“瘋狂”的東西。“我所說的‘瘋狂’是指沒有人會想到的東西，”德萊斯說。比當前技術好10倍的東西，突然出現以推動遲緩的現狀。在創業界的行話中，這被稱為“顛覆”。

德萊斯以加州大學聖巴巴拉分校的菲利普·盧賓的工作為例。幾年前，盧賓提出了一個名為“星晶片企業號”的專案：一顆配備“光帆”（一個早於該專案的想法的新迭代）的微型衛星。從地球軌道上，強大的雷射將射向光帆。當它們擊中時，光帆將反射光，其動量將推動航天器前進。NIAC在2015年和2016年向盧賓授予了撥款，他現在正與“突破性倡議”的一個專案合作，將雷射驅動的光帆送往最近的恆星。這就是NIAC喜歡的好處。“它只是足夠瘋狂，以至於可能會奏效，”德萊斯說。“NIAC是為了走向科幻小說的邊緣，但不會跨越過去。”他補充說，“我們盡力不跨越過去。”

但是，在這些低“技術就緒水平”（TRL）下，科學與小說之間的差距是很小的，TRL是美國宇航局用於評估創新成熟度的評級系統。其“洞察號”火星著陸器上的太陽能電池板的評級為TRL 9，這意味著已經在外太空工作。然而，NIAC尋求TRL 1、2，有時甚至3——需要在現實世界中部署之前進行更多烘烤的早期專案。

每年大約有200個小組提交NIAC第一階段提案，該機構僅批准15到18個提案。科學家們每人獲得12.5萬美元，有九個月的時間進行“快速轉動曲柄，看看某件事是否真的可行，”德萊斯說。如果沒有出現任何交易破壞者，研究人員可以申請50萬美元的第二階段撥款。“這是最難撰寫的提案之一，也是航空航天領域中標率最低的提案，”他說。“我認為這些人通常是精英中的精英。”

在過去兩年資助的47個專案中，有8個專案和3個第二階段入選專案涉及先進推進技術。但是，NIAC正在對每個專案進行賭博——希望至少有一些專案代表真正的外部力量，可以推動推進技術朝著新的方向發展。

慣性原理

“這並非是由天才和深刻洞察力指導的探索，”伍德沃德在二月份的一天透過視訊會議電話說。他和費恩正坐在已成為他們聯合總部的辦公室裡，那裡有一盒紙巾和一把鑷子放在一起。費恩空蕩蕩的辦公室顯示在一個螢幕上，背景中高聳的金屬書架用高空彈跳繩綁在一起。他們一起——費恩宣稱該專案屬於伍德沃德，而伍德沃德則以相等且相反的力量抗議——描述了MEGA可能如何工作。這一切都始於慣性。

這是一個簡單的原理，你每天都會體驗到：事物傾向於保持它們已經運動的方向，或者如果它們靜止不動，則保持靜止不動。但是科學家們缺乏對慣性存在原因的可靠解釋。它只是有點……存在。在19世紀80年代後期，奧地利物理學家恩斯特·馬赫提出了一個想法的種子：慣性是宇宙中所有物質的引力影響的結果。

那麼，航天器發動機內部的任何東西都會感受到來自附近物質以及數十億光年之外物質的引力。並且物體的質量每次相對於所有這些物質加速或減速時都會發生一些變化。大約在同一時間，包括本篤·弗裡德蘭德和奧古斯特·弗普爾在內的其他物理學家也持有類似的相對論思想。

但實際上是阿爾伯特·愛因斯坦在閱讀了恩斯特·馬赫早期關於該主題的思考後，將此命名為“馬赫原理”。包括已故的唐納德·林登-貝爾在內的更現代的物理學家也接受了這個事業，林登-貝爾在1969年首次提出星系中心包含超大質量黑洞。作為一名學生，林登-貝爾對這個想法很感興趣，他的導師給了他物理學家丹尼斯·西阿瑪在1953年發表的一篇論文，該論文闡述了馬赫思想最完整的版本。西阿瑪的工作也啟發了伍德沃德。儘管林登-貝爾在他的整個職業生涯中都保持著興趣，但這只是一個副業；他信奉一種幾乎與伍德沃德相反的研究哲學：“進行麵包和黃油科學，直接擴充套件已知知識以闡明新現象是主要工作，”他在2010年寫道。“我們不應該把所有時間都花在摸索可能超出我們能力範圍的重大問題上。”

伍德沃德不同意，他更傾向於“要麼大幹一場，要麼回家”的理念。因此，他一直在嘗試將馬赫原理應用於航天器發動機。曾任美國宇航局突破性推進物理學專案負責人的工程師馬克·米利斯看到了其中的希望。“與其他說法不同，[馬赫效應推進器]……根植於物理學中的開放性問題，”他說。

基於馬赫原理的推進器的想法是這樣的：透過使物體變形，你可以加速其內部（想象一下揉皺一張紙——當你壓碎它時，你正在移動它的各個部分）。當你加速某物時，你會改變它的能量。如果你改變了它的能量——根據愛因斯坦的發現E = mc²——你改變了它的質量。如果你改變了它的質量，你就會影響它的慣性。如果你搞亂了慣性，你就是在搞亂物體與整個宇宙其餘部分的關係。

從實際意義上講，這意味著什麼很難說。但是伍德沃德和費恩試圖將這些想法付諸實踐。在他們的太空驅動器內部，堆疊著“壓電盤”，這是一種陶瓷，當受到電壓衝擊時會膨脹和收縮（就像紙張揉皺和展開一樣）。一些加速度會改變圓盤的內部能量，然後改變它們的質量：它們變得更重、更輕、更重、更輕。如果你在它們變輕時拉動它們，並在它們變重時推開它們，你就會獲得推力——而無需使用任何燃料。“想象一下，你自己站在滑板上，身上透過高空彈跳繩連線著一塊10磅重的磚頭，”伍德沃德的前研究生湯姆·馬胡德寫道，他試圖讓這一切稍微容易理解一些，這篇文字於2012年4月釋出在他的網站上。“如果你把磚頭扔離你，你和滑板將朝一個方向移動，磚頭將朝相反的方向移動。”推力！伍德沃德指出，這不是一個完美的類比——但他承認，他從未能想出一個既有意義又完全正確的物理隱喻。

這聽起來很可疑，一些科學家認為這違反了動量守恆原理，但一些研究（以及伍德沃德和費恩）不同意。然而，這個想法引起了太空研究所主席加里·哈德森的注意，太空研究所是一個總部位於加利福尼亞州的組織，曾經由著名的理論物理學家弗里曼·戴森領導。該小組於2013年成立了一個奇異推進倡議，第一筆資金用於資助伍德沃德和費恩。

伍德沃德很快開始將他的裝置的副本傳送給其他實驗室的人員，以便他們可以嘗試複製推力。費恩和當時在加利福尼亞州埃爾塞貢多的航空航天公司（一家聯邦政府資助的研發中心）工作的科學家蘭斯·威廉姆斯建議太空研究所舉辦一次先進推進器研討會。

由於威廉姆斯住在科羅拉多州，並且知道即使所有參與者都食言，那裡也是一個非常適合隱居的地方，因此該小組選定了2016年秋季的埃斯蒂斯公園，當時陡峭山坡上的白楊變成了（傳統）火箭的紅色-橙色-火焰色。會議的座右銘“化干戈為玉帛”敦促競爭對手之間進行合作，會議甚至還有一個官方的翻領別針：一把斧頭和一把鏟子交叉成X形。

複製結果

第一天，哈德森站在聚集的人群面前，身後是木鑲板和白板。“過去，我們的工作非常紮實地立足於工程和物理學，”他說，“當然，奇異推進是一個非常有爭議的課題。”但是，他繼續說道，它已經引起他很長時間的興趣。科幻小說作家亞瑟·C·克拉克曾經告訴他，如果他想遠離這個星球——並返回——他需要一件東西：“一位物理學家，他會給你一個關於‘什麼是慣性？’的直接答案。”

“我記住了這些話，”哈德森說。“我遇到的第一位給我直接答案的物理學家是吉姆·伍德沃德。”

隨著會議的進行，其他人的結果似乎——至少在某種程度上——支援了伍德沃德和費恩的測量結果。他們顯示，當推進器開啟時，MEGA裝置產生了推力，而當推進器關閉時則沒有。第三天，奧地利工程公司FOTEC研究與技術轉移公司的內姆博·布林德里尼走到了房間的前面。他通常評估電動推進器的效果，但在幾年前，伍德沃德給他寄來了一個馬赫效應裝置。

布林德里尼展示了一張圖，並排顯示了他的結果以及伍德沃德和費恩的結果。“首先顯而易見的是曲線的形狀，”他說。的確，兩者都顯示出裝置開啟時的下降、裝置通電時的恆定推力，然後在裝置關閉時出現偏移尖峰。推力數值相差一個數量級——布林德里尼說，這可能是校準問題。也可能不是。（伍德沃德還指出，平衡裝置的不同可能會導致量級差異。）

另外兩個小組也獲得了類似的資料和類似的推力模式。德累斯頓工業大學的馬丁·泰馬爾只有初步結果，但經營自己的諮詢公司的電氣工程師喬治·哈撒韋擁有更多資料。在他的演講中，他沒有穿鞋——只穿了襪子，上面濺滿了彩虹色的愛因斯坦面孔。他說，他的實驗室是在防震臺上完成工作的，以確保地球的震動不會擾亂地球外的旅行結果。推力持續存在。

在研討會早期的複製之後，NIAC注意到了這一點，並在2017年向伍德沃德和費恩提供了第一階段撥款。當然，這並不是說推力肯定是真實的，而不是某種系統誤差——或者，即使它是真實的，馬赫效應也會導致它。2018年，泰馬爾展示了一篇論文，作為其“太空驅動”專案的一部分，該專案旨在嘗試複製或排除奇妙（的）推進說法。事實上，該研究顯示了異常高的推力——這意味著尖峰可能根本不是推力，而是一個錯誤或其他某種現象。在太空研究所2018年的研討會上，一位名叫傑米·喬姆佩利克的軟體工程師展示了一個模擬，顯示系統中的振動如何偽裝成推力。

此外，在2019年5月，泰馬爾在網上發表了另一篇“太空驅動”論文，當他減去可能偽裝成推力的其他影響時，看不到任何推力。“我們的結果挑戰了馬赫效應推進器上真實推力說法的有效性，”泰馬爾說。“但是，還需要進一步研究才能最終證實這一點。”伍德沃德說，他認為裝置配置不正確。該團隊計劃在今年晚些時候展示新資料，泰馬爾說，即使推力再次出現，他也不認為潛在的理論是正確的。

米利斯傾向於同意——既同意團隊可能看到假陽性，也同意，如果不是這樣，該裝置也不一定在演示馬赫效應。但在某些方面，潛在的理論不如經驗演示重要。正如蘭斯·威廉姆斯在2016年推進研討會上所說，“如果你能在我們面前懸浮一個炮彈，我們不在乎理論是什麼。”

“懷疑是健康的，解決懷疑的唯一方法是無可辯駁的證據，”米利斯說，他最近在泰馬爾的實驗室花了三個月的時間來追尋證據。“儘管進行了複製，但[推力]仍然可能被證明是一種常見的測量偽影，”他說。“但話又說回來，它也可能是一種真正的新現象。”儘管科學遠未定論，但MEGA的第一階段成果給美國宇航局留下了深刻印象，以至於該機構在2018年向該小組提供了第二階段撥款。

雷射、反物質和核武器

伍德沃德和費恩的實驗是NIAC推進撥款中最奇異的。並非所有其他獲得NIAC資助的研究人員都同意“奇異”是正確的方向。

布羅菲的“星際先驅任務的突破性推進架構”將希望寄託在雷射上。在某些方面類似於盧賓的光帆雷射，布羅菲的雷射將從軌道上發射，將光束射向面板，這些面板像太陽能電池板一樣，將光能轉化為電能。然後，電力被輸入到充滿鋰的推進系統中。電壓將電子從鋰原子上敲掉，使它們帶正電荷。然後，電場加速它們，並將它們引匯出航天器的後部。布羅菲希望它的速度能比“黎明號”航天器的離子推進系統快20倍——他領導了該系統的開發——速度約為每秒200公里。

但該專案仍然是一個遙遠的夢想。該團隊不確定它是否能夠足夠準確地指向雷射，或者它是否能夠在太空中組裝如此大的雷射陣列，或者製造出能夠產生必要6000伏電壓的光轉換面板。“這就是為什麼這是一個完美的NIAC研究，”布羅菲說。“[NIAC實驗]有意處於可行或不可行的邊緣。”

有些人正試圖完全擺脫電力軌跡。另一個NIAC專案的目標是反物質發動機，方法是“冷卻”正電子，正電子的質量與電子相同，但電荷相反。在其自然狀態下，這些反物質粒子的溫度高於太陽表面，因此難以處理和儲存。但冷卻後，它們可以被儲存和控制，並且——正如這個專案所做的那樣——被砸入電子。由此產生的伽馬射線可以為聚變反應提供燃料，然後推動航天器。

另一個想法是將中子束和雷射光子束編織在一起，這樣粒子就不會像在太空中傳播時那樣擴散或衍射。中子束透過折射光子或彎曲其路徑來控制光子，雷射束的電場“捕獲”中子。該團隊聲稱，用50吉瓦雷射束製成的光束，射到航天器上的帆上，可以將一個一公斤重的探測器加速進行為期42年的最近恆星系統任務。

當然，還有核武器。美國宇航局馬歇爾太空飛行中心的羅伯特·亞當斯有一個名為“脈衝裂變-聚變（PuFF）”的NIAC專案，該專案結合了兩種核戰略。“我們開發任何與聚變相關的技術的唯一方法是使用裂變觸發器，”他說——換句話說，使用更容易製造的裂變反應來創造足夠極端的條件以啟動聚變。但是裂變-聚變觸發器很像炸彈，因此亞當斯開始構想無法被罪犯濫用的系統，他偶然發現了一個名為Z箍縮的概念。如果你在等離子體（在這種情況下，由鋰製成）中產生電流，你可以使用它感應的磁場來壓縮或箍縮某些東西——在這種情況下，目標是由鈾和氘-氚製成。

被擠壓的鈾達到臨界狀態，其裂變會為氘-氚提供足夠的能量以開始聚變。聚變產生中子，中子參與更多的裂變，這提高了恆溫器的溫度，從而提高了聚變速率。兩級爆炸的威力相當於幾公斤TNT炸藥。不足以毀滅世界——但足以使一艘25公噸的飛船在37天內到達火星（相比之下，使用化學發動機大約需要9個月或更長時間），如果穩定地應用並使用大量並行裝置。在申請了五次之後，亞當斯終於在2018年獲得了第二階段撥款。

你可以用一個奶油夾心蛋糕來思考亞當斯最大的問題。嘗試均勻地擠壓奶油夾心蛋糕——即裂變-聚變目標。不可能！海綿狀的黃色麵包滲入白色餡料中；餡料從側面噴出來。在PuFF中，這種洩漏意味著擠出的能量，使你沒有足夠的能量來加速聚變。過去，這個問題是研究人員的盡頭。“他們放棄了它，開始走其他道路，”他說。然而，這些道路都沒有導致太空推進技術的巨大飛躍。

新的方向

亞當斯專案的歷史平行提供了一個關於推進技術停滯不前的原因的教訓。從1958年到1964年，軍方和美國宇航局花費了1100萬美元（按今天的美元計算為9300萬美元），用於弗里曼·戴森領導的一項名為“獵戶座”的核動力推進系統的開發工作，該系統與PuFF非常相似。該專案的座右銘是？“1965年到達火星，1970年到達土星。”它並不完全是軍事用途，但對於美國宇航局來說，它幾乎太具爆炸性了，因此這兩個組織在承諾方面都猶豫不決。最終，當美國在1963年簽署《核試驗條約》，宣佈必要的實驗為非法時，它成為了一個禁區。“這是現代歷史上人類技術的主要擴張首次因政治原因而被壓制，”戴森當時說。

因此，優點並不是決定哪些技術成為現實的唯一因素。我們傳送到太空的任何東西都來自地球，地球上有法律、未解決的爭端、知之甚少的物理學和未知的未知數，這些未知數似乎太冒險而無法放在昂貴的宇宙飛船上。這些是導致眾所周知的慣性的因素之一——即繼續使用相同的技術並繼續走我們一直在走的路的趨勢。但是，將該領域指向新方向的外部推動力可能隨時到來。

關於MEGA的結論尚未最終確定，即使它永遠有用，這個概念仍然離實用還很遙遠。目前的裝置僅提供微小的推動力——以“微牛頓”為單位計算——一個蘋果在廚房櫃檯上施加的力比這大幾個數量級。而蘋果不會接近半人馬座α星。但是，每一次推動都必須從某個地方開始。藉助第二階段撥款，費恩和伍德沃德希望增加他們的推力，並將多個裝置並排放置，以便它們加起來達到可用的程度。然後，憑藉他們希望在接下來獲得的任何資金，他們將發射一顆微型衛星，配備微型MEGA驅動器。藉助它，他們將嘗試改變衛星的軌道，表明馬赫效應可以作用於現實世界。

今年，NIAC開闢了一條新的資助線——總額為200萬美元的第三階段獎勵。2019年的兩項獎勵頒給了太空採礦和勘探專案，幫助該機構實現其太陽系探索目標。然而，在未來，獎勵可能會更深入太空，更深入未來——針對像MEGA這樣的專案，前提是其結果能夠實現。但首先，費恩說，“美國宇航局正在確保這並非南方加利福尼亞州的幾個人在浪費時間的某些虛假事物”——事實上，它是那種好處的古怪。