سپهر نوروزی
24th May 2013, 01:23 PM
دانشمندان چینی ماشین عجیبی اختراع کرده‌اند که با قانون سوم نیوتن می‌جنگد. این ماشین بدون هیچ نیروی عکس‌العملی و از طریق مایکروویو پیشرانش ایجاد می‌کند. اگر چنین چیزی عمومیت پیدا کند، کاربرد آن بسیار گسترده خواهد شد. نه تنها در پرتاب ماهواره‌ها بلکه در کاربردهایی بسیار ساده‌تر مثل ماشین‌های پرنده هم می‌توان از EmDrive استفاده کرد. در ادامه با ماهمراه باشید تا در مورد این ایده‌ی شگفت‌انگیز دانشمندان و نتایج آن بیشتر بدانیم.
در این پروژه یک تیم تحقیقاتی از دانشگاه پلی‌تکنیک شمال غرب در ژیان و به رهبری یانگ یوآن شرکت داشتند. نتیجه‌ی کار ماشینی به نام EmDrive است که قانون سوم نیوتن را نقض می‌کند، البته سازنده‌ی اصلی آن چنین اعتقادی ندارد. بارها شده که افراد مختلف سعی کردند ماشینی بدون نیروی عمل و عکس‌العمل بسازند ولی قانون سوم نیوتن سد محکمی در برابر ایده‌های آنها بوده است. اما این پیشران مایکروویو به مرحله‌ی ساخت و آزمایش هم رسیده است و همین موضوع، آن را شگفت‌انگیز می‌کند.
بگذارید بیشتر توضیح دهیم. موتور یک ماشین عادی را در نظر بگیرید. سوخت درون محفظه یا اصطلاحاً سیلندر مشتعل می‌شود. می‌سوزد و گازهای حاصل از احتراق فشار زیادی به دیواره‌ها وارد می‌کنند. تمام دیواره‌ها به جز پیستون ثابت هستند و تنها پیستون است که حرکت می‌کند. قانون سوم نیوتن می‌گوید عکس‌العمل نیروی پیستون باید وجود داشته باشد، وجود هم دارد و به سطح بالای سیلندر که روبروی پیستون است وارد می‌شود.
مثال دیگر، یک موتور جت یا موشک را در نظر بگیرید، سوخت مشتعل می‌شود و موشک را به جلو هدایت می‌کند. اما عکس‌العمل نیروی پیشرانی که به موشک سرعت می‌دهد کجاست؟ بله، همان گاز پرفشاری است که در جهت مخالف وارد هوا می‌شود. اصطلاحاً به اینگونه عکس‌العمل‌ها می‌توان جرم عکس‌العمل هم گفت، جرمی که با سرعت در جهت مخالف پرتاب می‌شود و ماشین را به جلو هدایت می‌کند.
http://gadgetnews.ir/images/uploads/Image/91/11/23/emdrive-1.jpg (http://www.gadgetnews.ir/)اما EmDrive با قانون سوم نیوتن میانه‌ی خوبی ندارد. اگر دقیق‌تر بگوئیم، ایده‌ی تولید ماشینی که بدون نیروی محرک کار کند، بیشتر یک شوخی علمی به حساب می‌آید تا ایده‌ای جدید و جنجالی. اما بهتر است نگاهی به داخل ماشین مخروطی شکل چینی‌ها بیندازیم و نحوه‌ی کارش را بررسی کنیم.
یک محفظه‌ی بسته که از بیرون شبیه یک مخروط ناکامل است، در کنار محفظه محلی برای وارد شدن موج مایکروویو قرار گرفته است. موج وارد می‌شود و به دیواره‌ها ضربه می‌زند. بازتاب می‌شود و باز هم ضربه‌ها تکرار می‌شوند. در نهایت نیروی پیشران در جهت سطح دایروی بزرگ مخروط ایجاد می‌شود.از قانون سوم نیوتن می‌توان نتیجه گرفت که یک سیستم بسته که با دنیای خارج از خود رابطه‌ی عمل و عکس‌العمل ندارد، نمی‌تواند پیشرانش ایجاد کند. در واقع برآیند تمام نیروهایی فشاری که از برخورد مایکروویو با دیواره‌های حفره ایجاد می‌شود، صفر است. لذا در مجموع هیچ پیشرانشی نخواهیم داشت. با این وجود EmDrive کار می‌کند چرا که مایکروویوها یک سرعت جمعی دارند که با تغییر شعاع مخروط، تغییر می‌کند. در نهایت همین سرعت گروهی امواج الکترومغناطیسی که در یک جهت خاص بیشتر از دیگر جهات است، پیشرانشی به سمت سطح بزرگ مخزن ایجاد خواهد کرد. اینجا جایی است که قانون نسبیت اینشتین وارد می‌شود و کارکرد چنین ماشینی را توجیه می‌کند. به همین علت است که نام دیگر این ماشین Reletivity Drive یا رانش نسبیتی است.
مهندسی انگلستانی به نام رابرت شاویر در سال 2001 مرکز تحقیقات پیشرانش ماهواره‌ها را بازگشایی کرد و در همان سال ایده‌ی پیشران بدون نیروی عکس‌العمل را مطرح نمود. در حقیقت خالق واقعی EmDrive همین مهندس انگلستانی است که برای اثبات ایده‌ی خود پیشران‌هایی هم ساخت. او به سختی تلاش کرد تا نشان دهد که اندازه‌گیری‌ها کاملاً دقیق هستند و نتیجه‌ی عجیب ایده‌اش تحت تأثیر عواملی مثل اصطکاک، یونیزه شدن، جریان هوا، آثار الکترومغناطیسی و تداخل شکل نگرفته است. در نهایت در سال 2003 عدد 16 میلی‌نیوتن را به عنوان نیروی پیشران ثبت کرد. عدد بسیار کوچکی است ولی نشان می‌دهد که ایده‌ی تخیلی وی کاملاً هم تخیلی نبوده است.
رابرت شاویر انگلستانی به خاطر ایده‌ی عجیب و خنده‌دارش مورد انتقاد شدید قرار گرفت و کم‌توجهی‌ها را تحمل کرد تا امروز، امروزی که تیمی از دانشمندان دانشگاه پلی‌تکنیک شمال غرب چین EmDrive را ساختند و نیروی پیشرانی در حد 720 میلی‌نیوتن به دست آوردند. البته توجه کنید که چند کیلووات انرژی برای ایجاد همین نیروی کوچک استفاده می‌شود.
http://gadgetnews.ir/images/uploads/Image/91/11/23/emdrive-2.jpg (http://www.gadgetnews.ir/)تحلیل دانشمندان علوم نسبیت و فیزیک و مکانیک این است که هیچ ماشینی نباید قانون سوم نیوتن یا به عبارتی پایستگی مومنتوم را نقض کند. البته خود شاویر بر این باور است که ماشین وی این قانون را نقض نمی‌کند! او در بخش سوالات متداولی که در مورد ماشینش پرسیده می‌شود، می‌گوید مومنتومی (یا به عبارتی حرکت) که امواج مایکروویو از دست می‌دهند، همان مومنتومی است که باعث حرکت ماشین می‌شود. بنابراین در مجموع مومنتوم سیستم ثابت باقی می‌ماند. اما برخی مخالفین مصرانه می‌گویند ماشین وی دارای خطاست و قانون سوم نیوتن را نقض می‌کند. مخالفین می‌گویند ماشین او در عمل نمی‌تواند حرکت کند و مومنتومی نخواهد داشت. همه‌ی نیروی‌های داخلی با هم خنثی می‌شوند. به همین علت او در سال 2006 ویدیویی منتشر کرد که نشان می‌داد ماشین وی واقعاً کار می‌کند اما تنها یک ویدیو آن هم بدون ناظر چندان علمی به حساب نمی‌آید.
به هر حال یا نظر وی درست است و یا قانون سوم نیوتن یا در حقیقت مکانیک نیوتونی، روابط ماکسول، نسبیت خاص و مکانیک کوانتومی همه تحت تأثیر آن قرار می‌گیرند و اثبات می‌شود که همه دارای خطا بوده و کامل نیستند.
اما اهمیت EmDrive در صنعت ماهواره چیست؟ همان‌طور که می‌دانید ماهواره‌ها با مصرف سوختی بسیار زیاد، به مدار مورد نظر خود پرتاب می‌شود. غالباً بیش از 90 درصد وزن یک پرتابگر ماهواره را سوخت تشکیل می‌دهد. اگر بتوان از EmDrive استفاده کرد، ممکن است هزینه‌ی پرتاب ماهواره‌ها نصف شود و این یک پیشرفت بنیادی در علوم هوافضا به حساب می‌آید.
ممکن است در ذهنتان این سوال مطرح شود که ایجاد نیروی 720 میلی‌نیوتن با استفاده از 2.5 کیلووات مصرف انرژی اصلاً به صرفه نیست. اما در دنیای فضاپیماها چنین ارقامی چندان عجیب هم نیستند، به عنوان مثال ناسا در مأموریت JIMO می‌خواست از پیشران یونی به نام HiPEP استفاده کند که با مصرف 25 تا 50 کیلووات انرژی، تنها 460 الی 670 میلی‌نیوتن پیشرانش ایجاد می‌کرد. و مشکل دیگر اینکه این پیشران از گاز زنون به عنوان جرم عکس‌العمل استفاده می‌کرد و اگر گاز تمام می‌شد، پیشران دیگر کار نمی‌کرد.
یکی دیگر از طرح‌های عجیب شاویر، پیشرانی مبتنی بر مافوق هادی‌هاست و شاید تا سال 2016 آماده شود. این روش یک فاکتور مربوط به حفره به نام Q که مقدار نیروی پیشرانش تولید شده را تعیین می‌کند، افزایش می‌دهد. او مدعی است که با به کارگیری روش جدیدش نیروی پیشران تولید شده در حد چند هزار برابر افزایش می‌یابد و لذا با استفاده از هر کیلووات توان، نیرویی در حد چند تن به دست خواهد آمد.
به نظر شما شاویر قانون سوم نیوتن را نقض کرده و یا طبق ادعای خودش، فقط یک ماشین با به کارگیری ایده‌ی بازتاب مایکروویو در محفظه‌ی بسته که اولین بار در سال 1950 مطرح شده بود، ساخته است؟ آیا طرح بعدی‌اش را تا سال 2016 حاضر می‌کند و آیا کار خواهد کرد؟منبع : wikipedia (http://go.gadgetnews.ir/index.php?url=http://en.wikipedia.org/wiki/EmDrive)
©
در این پروژه یک تیم تحقیقاتی از دانشگاه پلی‌تکنیک شمال غرب در ژیان و به رهبری یانگ یوآن شرکت داشتند. نتیجه‌ی کار ماشینی به نام EmDrive است که قانون سوم نیوتن را نقض می‌کند، البته سازنده‌ی اصلی آن چنین اعتقادی ندارد. بارها شده که افراد مختلف سعی کردند ماشینی بدون نیروی عمل و عکس‌العمل بسازند ولی قانون سوم نیوتن سد محکمی در برابر ایده‌های آنها بوده است. اما این پیشران مایکروویو به مرحله‌ی ساخت و آزمایش هم رسیده است و همین موضوع، آن را شگفت‌انگیز می‌کند.
بگذارید بیشتر توضیح دهیم. موتور یک ماشین عادی را در نظر بگیرید. سوخت درون محفظه یا اصطلاحاً سیلندر مشتعل می‌شود. می‌سوزد و گازهای حاصل از احتراق فشار زیادی به دیواره‌ها وارد می‌کنند. تمام دیواره‌ها به جز پیستون ثابت هستند و تنها پیستون است که حرکت می‌کند. قانون سوم نیوتن می‌گوید عکس‌العمل نیروی پیستون باید وجود داشته باشد، وجود هم دارد و به سطح بالای سیلندر که روبروی پیستون است وارد می‌شود.
مثال دیگر، یک موتور جت یا موشک را در نظر بگیرید، سوخت مشتعل می‌شود و موشک را به جلو هدایت می‌کند. اما عکس‌العمل نیروی پیشرانی که به موشک سرعت می‌دهد کجاست؟ بله، همان گاز پرفشاری است که در جهت مخالف وارد هوا می‌شود. اصطلاحاً به اینگونه عکس‌العمل‌ها می‌توان جرم عکس‌العمل هم گفت، جرمی که با سرعت در جهت مخالف پرتاب می‌شود و ماشین را به جلو هدایت می‌کند.
http://gadgetnews.ir/images/uploads/Image/91/11/23/emdrive-1.jpg (http://www.gadgetnews.ir/)اما EmDrive با قانون سوم نیوتن میانه‌ی خوبی ندارد. اگر دقیق‌تر بگوئیم، ایده‌ی تولید ماشینی که بدون نیروی محرک کار کند، بیشتر یک شوخی علمی به حساب می‌آید تا ایده‌ای جدید و جنجالی. اما بهتر است نگاهی به داخل ماشین مخروطی شکل چینی‌ها بیندازیم و نحوه‌ی کارش را بررسی کنیم.
یک محفظه‌ی بسته که از بیرون شبیه یک مخروط ناکامل است، در کنار محفظه محلی برای وارد شدن موج مایکروویو قرار گرفته است. موج وارد می‌شود و به دیواره‌ها ضربه می‌زند. بازتاب می‌شود و باز هم ضربه‌ها تکرار می‌شوند. در نهایت نیروی پیشران در جهت سطح دایروی بزرگ مخروط ایجاد می‌شود.از قانون سوم نیوتن می‌توان نتیجه گرفت که یک سیستم بسته که با دنیای خارج از خود رابطه‌ی عمل و عکس‌العمل ندارد، نمی‌تواند پیشرانش ایجاد کند. در واقع برآیند تمام نیروهایی فشاری که از برخورد مایکروویو با دیواره‌های حفره ایجاد می‌شود، صفر است. لذا در مجموع هیچ پیشرانشی نخواهیم داشت. با این وجود EmDrive کار می‌کند چرا که مایکروویوها یک سرعت جمعی دارند که با تغییر شعاع مخروط، تغییر می‌کند. در نهایت همین سرعت گروهی امواج الکترومغناطیسی که در یک جهت خاص بیشتر از دیگر جهات است، پیشرانشی به سمت سطح بزرگ مخزن ایجاد خواهد کرد. اینجا جایی است که قانون نسبیت اینشتین وارد می‌شود و کارکرد چنین ماشینی را توجیه می‌کند. به همین علت است که نام دیگر این ماشین Reletivity Drive یا رانش نسبیتی است.
مهندسی انگلستانی به نام رابرت شاویر در سال 2001 مرکز تحقیقات پیشرانش ماهواره‌ها را بازگشایی کرد و در همان سال ایده‌ی پیشران بدون نیروی عکس‌العمل را مطرح نمود. در حقیقت خالق واقعی EmDrive همین مهندس انگلستانی است که برای اثبات ایده‌ی خود پیشران‌هایی هم ساخت. او به سختی تلاش کرد تا نشان دهد که اندازه‌گیری‌ها کاملاً دقیق هستند و نتیجه‌ی عجیب ایده‌اش تحت تأثیر عواملی مثل اصطکاک، یونیزه شدن، جریان هوا، آثار الکترومغناطیسی و تداخل شکل نگرفته است. در نهایت در سال 2003 عدد 16 میلی‌نیوتن را به عنوان نیروی پیشران ثبت کرد. عدد بسیار کوچکی است ولی نشان می‌دهد که ایده‌ی تخیلی وی کاملاً هم تخیلی نبوده است.
رابرت شاویر انگلستانی به خاطر ایده‌ی عجیب و خنده‌دارش مورد انتقاد شدید قرار گرفت و کم‌توجهی‌ها را تحمل کرد تا امروز، امروزی که تیمی از دانشمندان دانشگاه پلی‌تکنیک شمال غرب چین EmDrive را ساختند و نیروی پیشرانی در حد 720 میلی‌نیوتن به دست آوردند. البته توجه کنید که چند کیلووات انرژی برای ایجاد همین نیروی کوچک استفاده می‌شود.
http://gadgetnews.ir/images/uploads/Image/91/11/23/emdrive-2.jpg (http://www.gadgetnews.ir/)تحلیل دانشمندان علوم نسبیت و فیزیک و مکانیک این است که هیچ ماشینی نباید قانون سوم نیوتن یا به عبارتی پایستگی مومنتوم را نقض کند. البته خود شاویر بر این باور است که ماشین وی این قانون را نقض نمی‌کند! او در بخش سوالات متداولی که در مورد ماشینش پرسیده می‌شود، می‌گوید مومنتومی (یا به عبارتی حرکت) که امواج مایکروویو از دست می‌دهند، همان مومنتومی است که باعث حرکت ماشین می‌شود. بنابراین در مجموع مومنتوم سیستم ثابت باقی می‌ماند. اما برخی مخالفین مصرانه می‌گویند ماشین وی دارای خطاست و قانون سوم نیوتن را نقض می‌کند. مخالفین می‌گویند ماشین او در عمل نمی‌تواند حرکت کند و مومنتومی نخواهد داشت. همه‌ی نیروی‌های داخلی با هم خنثی می‌شوند. به همین علت او در سال 2006 ویدیویی منتشر کرد که نشان می‌داد ماشین وی واقعاً کار می‌کند اما تنها یک ویدیو آن هم بدون ناظر چندان علمی به حساب نمی‌آید.
به هر حال یا نظر وی درست است و یا قانون سوم نیوتن یا در حقیقت مکانیک نیوتونی، روابط ماکسول، نسبیت خاص و مکانیک کوانتومی همه تحت تأثیر آن قرار می‌گیرند و اثبات می‌شود که همه دارای خطا بوده و کامل نیستند.
اما اهمیت EmDrive در صنعت ماهواره چیست؟ همان‌طور که می‌دانید ماهواره‌ها با مصرف سوختی بسیار زیاد، به مدار مورد نظر خود پرتاب می‌شود. غالباً بیش از 90 درصد وزن یک پرتابگر ماهواره را سوخت تشکیل می‌دهد. اگر بتوان از EmDrive استفاده کرد، ممکن است هزینه‌ی پرتاب ماهواره‌ها نصف شود و این یک پیشرفت بنیادی در علوم هوافضا به حساب می‌آید.
ممکن است در ذهنتان این سوال مطرح شود که ایجاد نیروی 720 میلی‌نیوتن با استفاده از 2.5 کیلووات مصرف انرژی اصلاً به صرفه نیست. اما در دنیای فضاپیماها چنین ارقامی چندان عجیب هم نیستند، به عنوان مثال ناسا در مأموریت JIMO می‌خواست از پیشران یونی به نام HiPEP استفاده کند که با مصرف 25 تا 50 کیلووات انرژی، تنها 460 الی 670 میلی‌نیوتن پیشرانش ایجاد می‌کرد. و مشکل دیگر اینکه این پیشران از گاز زنون به عنوان جرم عکس‌العمل استفاده می‌کرد و اگر گاز تمام می‌شد، پیشران دیگر کار نمی‌کرد.
یکی دیگر از طرح‌های عجیب شاویر، پیشرانی مبتنی بر مافوق هادی‌هاست و شاید تا سال 2016 آماده شود. این روش یک فاکتور مربوط به حفره به نام Q که مقدار نیروی پیشرانش تولید شده را تعیین می‌کند، افزایش می‌دهد. او مدعی است که با به کارگیری روش جدیدش نیروی پیشران تولید شده در حد چند هزار برابر افزایش می‌یابد و لذا با استفاده از هر کیلووات توان، نیرویی در حد چند تن به دست خواهد آمد.
به نظر شما شاویر قانون سوم نیوتن را نقض کرده و یا طبق ادعای خودش، فقط یک ماشین با به کارگیری ایده‌ی بازتاب مایکروویو در محفظه‌ی بسته که اولین بار در سال 1950 مطرح شده بود، ساخته است؟ آیا طرح بعدی‌اش را تا سال 2016 حاضر می‌کند و آیا کار خواهد کرد؟منبع : wikipedia (http://go.gadgetnews.ir/index.php?url=http://en.wikipedia.org/wiki/EmDrive)
©