Физический закон не писан: полетит ли EmDrive?
В 2016 году мир облетела новость: революционный космический двигатель EmDrive, не требующий топлива, прошёл успешные испытания в вакууме. Причём испытывали его не где-нибудь, а в NASA. И статья в научном журнале прилагается.
12 сентября 2017 года появилось новое известие: китайские исследователи планируют испытать этот двигатель в космосе. Опубликованы первые кадры рабочего образца устройства.
Между тем многие физики отнеслись к новинке, мягко говоря, весьма скептически. Кто же прав – скептики или оптимисты? Чьи аргументы весомее в этом споре? И что это вообще за двигатель, вокруг которого столько шума?
Согласно поговорке, всё гениальное просто. Вот и схема нового двигателя чрезвычайно проста. Это практически излучатель от бытовой микроволновки, помещённый в медный корпус. Когда включается излучатель, прибор должен приходить в движение. По мысли авторов, ему не требуется дорога под колёсами или реактивная струя позади – он будет двигаться сам в полном вакууме, подчиняясь только своим внутренним силам.
Изобретатель двигателя Роджер Шайер (Roger Shawyer) первоначально утверждал, что тяга возникает просто оттого, что фотоны излучения давят на одну поверхность корпуса и не давят на другую. Группа Гарольда Уайта (Harold White) из NASA, которая испытала двигатель и измерила его тягу, предлагала более изощрённые объяснения.
Проблема в том, что само существование такого двигателя нарушает закон сохранения импульса. Этот закон говорит нам, что система не может прийти в движение, не взаимодействуя с внешним миром. Автомобилю требуется цепляться колёсами за асфальт, а ракете – выбрасывать из сопла двигателя раскалённые газы. Иначе никак – это только Мюнхгаузен рассказывал, что вытащил себя за волосы из болота. Но он, как известно, был фантастический враль.
При этом закон сохранения импульса – один из фундаментальных законов сегодняшней физики. Он крепко увязан со свойствами пространства и времени. Его нельзя "взять и отменить", как понедельники в известной песенке – придётся перекраивать всё здание современной науки.
Но инженеры NASA измерили тягу. Как быть с этим? Это экспериментальный факт. А факт, как сказано у классика, самая упрямая вещь в мире.
Маленькая история на эту тему. В XIX веке в Европе свирепствовала так называемая "родильная горячка". От неё умирала, по разным данным, каждая третья или даже каждая вторая роженица, которой довелось рожать в больнице, а не у себя дома. И вот Игнац Земмельвайс высказал гениальную догадку: дело в частицах трупов, которые остаются на руках врача после вскрытий. Он заставил персонал своей больницы обрабатывать руки хлорной известью, и смертность стремительно пошла на убыль.
Но этот экспериментальный факт в то время не объясняла ни одна существующая теория. Работы Пастера, доказавшие микробную природу многих заболеваний, ещё не увидели свет. И коллеги очень неохотно перенимали нововведение Земмельвайса, а он сам, прозванный теперь "спасителем матерей", закончил свои дни в сумасшедшем доме.
Трагическая история. Наука отделилась от философских словопрений тогда, когда нашла в себе смелость поставить факты над догмами. Когда признала: если есть экспериментальный результат, его надо объяснять, а не отрицать. Считается, что это произошло примерно в семнадцатом–восемнадцатом веке. Но, как видим, ещё и век-другой спустя слишком многим не хватало мужества сказать: "Я не могу это объяснить, но я вижу это".
Так, стало быть, дело в фактах? Хорошо, поговорим о них. Закон сохранения импульса не просто проверен – он проверяется ежесекундно и на каждом шагу. Проверяется автомобилями, самолётами, дверными ручками, клавишами компьютера — любым устройством, у которого есть хоть какие-то движущиеся детали. Все они рассчитаны и спроектированы, исходя из трёх законов: сохранения импульса, сохранения момента импульса и сохранения энергии. Всё равно, говорим ли мы о путях звёзд в Галактике или о нанотурбине, вырабатывающей электроэнергию благодаря движению человеческой крови – где есть механика, там есть и сохранение импульса. Иначе автомобили перестали бы ездить, а самолёты – летать. Вот каковы наблюдаемые факты.
Но разве не случалось, что новые эксперименты ставили под сомнения столь незыблемые законы? Ещё как случалось. В 1920-х годах в экспериментах физиков нарушался ни много ни мало закон сохранения энергии. Электрон при бета-распаде имел совсем не ту энергию, которая ему полагалась. Тогда Нильс Бор высказал смелую мысль: что, если закон сохранения энергии всего лишь статистический? Что, если он выполняется не в каждом микроскопическом явлении, а только в среднем по очень большому числу таких явлений? Естественно, что в своих опытах "с дверными ручками" мы не могли этого обнаружить – ведь окружающие тела состоят из колоссального числа частиц. Множество микроскопических актов усредняется, вот и выполняется известный нам закон. А тут добрались до масштабов атомного ядра, и вот, пожалуйста.
Закон сохранения в тот раз устоял: оказалось, что недостающая энергия приходится на новую частицу – нейтрино. Но разве авторитет великого Бора не показывает, что и самые проверенные истины можно и нужно подвергать сомнению, если они противоречат новым экспериментам?
Безусловно. И более того, их уже приходилось пересматривать. Например, пришлось отказаться от простого положения "время для всех течёт одинаково", стоило перейти к достаточно большим скоростям и достаточно точным хронометрам. Сейчас даже часы на спутниках GPS и ГЛОНАСС идут с учётом эйнштейновского замедления времени, иначе навигационные системы перестанут работать.
Но тут, как водится, есть нюанс. Всякий раз, когда основополагающим законам физики устраивали ревизию, это было связано с вторжением в новую, неисследованную область. Например, в физику отдельных электронов и атомов, или в область околосветовых скоростей, или мощнейших полей тяготения. В микроволновке, помещённой в медное ведро, ничего нового и неисследованного наукой нет. Даже если запустить этот агрегат в космос.
И всё-таки инженеры NASA получили результат. Упрямые приборы показали наличие тяги. Эти приборы не учились в школе и не знали, что не должны этого показывать. Они также не имели понятия, что на этих масштабах времени, пространства и напряжённости всевозможных полей физики давно не ожидают получить ничего нового. Не подозревали приборы и о том, что их показания противоречат результатам ежесекундно выполняемых проверок закона сохранения импульса – иначе, конечно, забились бы под лавку. Они просто показали то, что измерили, ведь для этого они и предназначены – измерять. Экспериментальный факт налицо. И что же теперь сказать ему: "Брысь, ты неправильный! У нас есть куча правильных фактов!"?
Большинство учёных считает именно так. И, как ни странно, имеет для этого основания. Приборы – приборами, но эксперимент ставят люди. Даже если отбросить возможность сознательной мистификации и банальной некомпетентности, никто не застрахован от добросовестной ошибки. А при измерении таких малых величин, как тяга EmDrive, очень трудно исключить все возможные источники помех.
Эксперименты со странными результатами не впервые появляются в науке. Есть прекрасное средство – попытаться воспроизвести опыт. Есть же, например, скандально известные результаты Сералини и Ермаковой о якобы обнаруженном вреде от ГМО-продуктов. И, с другой стороны, есть обзор, в котором рассмотрено 1783 исследования, проведённых за 10 лет. И ни в одном из них не обнаружилось никакого вреда от ГМО. Ну и каким экспериментальным результатам надо верить?
И всё-таки – разве не будет догматизмом категорически утверждать, что ни на что не опирающийся двигатель (напоминаем, что тест проводился в вакууме) невозможен? Разумеется, будет. Так же как догматизмом было бы категорически отрицать, что мир появился секунду назад таким, каков он сейчас, и мы появились вместе с ним с багажом готовых воспоминаний. Можно придумать очень много утверждений, которые теоретически могут оказаться верны. На какие-то из них неизбежно придётся махнуть рукой. И учёные, которых регулярно заваливают проектами вечных двигателей и безопорных движителей, свой выбор сделали.
Кажется, космические инженеры Китая решили иначе. Если EmDrive действительно запускают в космос, то кто-то достаточно сильно верит в эту идею, чтобы выделить место на ракете-носителе (а это, вообще говоря, удовольствие не из дешёвых).
Что ж, новый эксперимент никогда не повредит. Не помешает выяснить точно, будет ли вообще устройство двигаться в космосе. А если создателям EmDrive и впрямь удастся сделать из него двигатель, который поможет пересечь Солнечную систему за несколько месяцев, как они обещают, – это и будет последним и решающим доказательством. И тогда наука будет просто обязана объяснить, что же такого она не углядела в микроволновке, засунутой в ведро. Несомненно, это стало бы началом новой научной революции.