DARPAは量子化された慣性を研究しています。これは多くの人が疑似科学だと考える理論です。

DARPAは、光を燃料とするプロトタイプエンジンを構築するために、研究者に130万ドルを提供しました。
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    最近、国防高等研究計画局(DARPA) 130万ドルの契約を獲得 量子化された慣性を研究するための国際的な研究者チームに、一部の物理学者が疑似科学として却下するという物議を醸す理論。

    量子化された慣性(QI)は、慣性の代替理論であり、加速に対するオブジェクトの抵抗を表す物質の特性です。 QIは 最初に提案された 2007年にプリマス大学の物理学者MikeMcCullochによって作成されましたが、今日でもほとんどではないにしても多くの物理学者によってフリンジ理論と見なされています。マッカロックはこの理論を使って暗黒物質を必要とせずに銀河の回転速度を説明しましたが、いつの日かそれが燃料なしで宇宙船を打ち上げるための基礎を提供するかもしれないと彼は信じています。

    DARPAの助成金により、マッカロックとドイツとスペインの共同研究者のチームは、実験室で初めてQIを適用する一連の実験を行うことができます。これには、実験的なQIエンジンを作成し、非常に感度の高い検出器を使用して推力を生成できるかどうかを確認することが含まれます。これにより、恒星間航行、軌道上で減衰しない衛星、その他の不可能なアプリケーションへの扉が開かれます。



    マッカロック氏は、QIは確かに物議を醸していると語ったが、DARPAは、大きな見返りが得られる可能性がある場合、広く受け入れられていないことにチャンスをつかむことで有名だとも付け加えた。

    実験は、ある意味で、過去10年間にQIを却下してきた物理学者にとって中指です。 疑似科学 または、私がバックグラウンドで話したある物理学者が私にそれを説明したように、流行語とでたらめの連結。

    暗黒物質が必要なのは誰ですか?

    質量はすべての問題の基本的な特性ですが、それを定義するさまざまな方法があります。 1つの方法は、オブジェクトの加速度に対する抵抗を表す、オブジェクトの慣性質量を参照することです。これについて直感的に考える方法は、車を殴るのではなく、コップ一杯の水を殴るのを想像することです。両方のオブジェクトに加えられる力(パンチ)が同じであると仮定すると、質量の小さいオブジェクト(水のガラス)は、質量の大きいオブジェクトよりもはるかに大きな加速度を経験します。質量を定義するもう1つの方法は、他のオブジェクトを引き付けるオブジェクトの能力によるものです。これは、オブジェクトの重力質量として知られています。

    物理学の歴史において、すべての実験は、物体の慣性質量がその重力質量に等しいことを示しています。この関係は、20世紀初頭にアルバートアインシュタインによって成文化されました。 等価原理 、これは基本的に、観測者は一定の重力場と一定の加速度の効果の違いを区別できないと述べています。

    窓のないエレベーターに立っている人の場合を考えてみましょう。エレベータが地球の表面に配置されている場合、人は毎秒9.8メートルの2乗に等しい一定の重力を経験します。しかし、誰かがロケットブースターをエレベーターに取り付けて、毎秒9.8メートルの二乗に加速した場合、エレベーター内の人は、彼らが宇宙をロケットで飛んでいるのか、地球の表面にしっかりと植えられているのかを判断できません。

    等価原理は、アインシュタインの一般相対性理論の出発点であり、古典的なニュートン物理学の基盤です。しかし、20世紀になると、この原理を宇宙論的観測と調和させることがますます困難になりました。

    左側は、目に見える物質によってのみ影響を受けた場合に予想される星の動きです。銀河の郊外では、星の回転がどのように遅いかに注目してください。右側は、銀河内で実際に観測された星の動きです。回転速度は、銀河中心からの距離に関係なく、実質的に同じです。 。画像: アリゾナ大学

    特に、銀河の回転の何千もの観測は、これらの銀河の動きを説明するのに十分な目に見える物質がないことを示しています。古典ニュートン物理学によれば、重力の影響も減少しているため、星の回転速度は、ホスト銀河の中心からの距離に比例して減少するはずです。しかし、1970年代にヴェラルービンの銀河観測が示したように、星の自転速度は低下せず、同じままでした。

    この奇妙な観察は、宇宙論的物理学者の間に深い亀裂を生み出しました。ほとんどの物理学者は、銀河の回転が暗黒物質と呼ばれる一種の理論的粒子の存在に起因すると考えたルービンの説明を採用しました。

    暗黒物質は肉眼では見えず、通常の物質とは弱くしか相互作用しません。それでも、その膨大な量(物理学者は暗黒物質が宇宙の物質の85%を占めると推定しています)は、それが大きな物体に顕著な重力効果を引き起こす可能性があることを意味します。暗黒物質は主に銀河の周りのハローに集中していると考えられており、暗黒物質ハローの重力の影響は、星の回転速度が銀河の中心と比較して銀河の端で減少しない理由を説明するために使用されます。

    続きを読む: イタリアの山の下で暗黒物質の新しい狩りが行われている

    過去50年間で、これまでに構築された中で最も感度が高く洗練された科学機器のいくつかは、暗黒物質の検出に専念してきました。これらのデバイスのほとんどはにあります 深部地下研究所 それらを宇宙線から保護するためですが、これまでのところ、仮定された暗黒物質粒子はどれも検出されていません。結果として、暗黒物質は次のような理論です 等価原理をそのまま維持します 、ただし、誰も検出したことのない粒子が必要です。

    一部の物理学者は、これは間違った種類の粒子を探していたためだと信じていますが、他の物理学者は、より優れた検出器が必要だと示唆しています。しかし、もっと物議を醸す意見は、暗黒物質が検出されなかった理由は、暗黒物質が存在しないためだということです。

    量子化された慣性とは何ですか?

    これは修正ニュートン力学(MOND)の前提であり、1980年代初頭に最初に提案された理論であり、特定の加速度を下回ると重力と距離の関係が線形になることを示唆しています。この点を下回ると、等価原理はもはや成り立たなくなります。

    MONDは興味深い理論ですが、その主な弱点の1つは、ニュートンダイナミクスが崩壊する遷移点を観測データに合うように調整する必要があり、遷移点のこの調整について十分な正当性がまだ与えられていないことです。

    これに応えて、マッカロックは、重力質量とは無関係に物体の慣性質量を説明する量子化慣性理論を提案しました。マッカロックは、物体の慣性質量と重力質量を分離することにより、観測された銀河の回転を説明できると主張しています。 目に見えるものだけを使って 。これは、1976年に物理学者のビル・ウンルーによって最初に理論化されたウンルー効果を呼び出すことによって行われます。

    QIの重要な意味、およびそれが非常に物議を醸している主な理由の1つは、等価原理を放棄することです。物体の慣性質量は、もはやその重力質量とは結合しておらず、代わりに、物体に対するウンルー放射の影響によって説明されます。

    ウンルー効果は、加速している物体が、同じ場所にある物体が一定の速度で移動していることに気付かないような温度の上昇(ウンルー放射)を感知することを示しています。

    QI理論では、左に加速するオブジェクトは右に地平線を生成します。この地平線は、情報の移動速度、つまり光速のために、それを超えると情報がオブジェクトに到達できない限界です。地平線は、右側のこの放射を減衰または抑制する限り、ウンルー放射の壁のように機能します。抑制効果により、放射線の不均衡が生じ、右側(冷たいウンルー風呂)よりも左側(暖かいウンルー風呂)の方が多くの放射線が発生します。この過剰な放射線は、物体の初期加速度に逆らって作用します。 前髪に 左に移動するオブジェクト。

    理論のさらなる難しさは、物理学者がウンルー効果がこれまでに観察されたことがあるかどうかで分かれていることです。マッカロックは かなり確か それが見られたこと 過去の実験 。しかし、DARPA契約では彼と彼の同僚が 申し込み 実験エンジンのウンルー効果。

    QIは初めて慣性を説明します、マッカロック 前記 今年初めのTEDトークで。ある意味で、それは物理学を統一します。私は相対性理論に由来する地平線を使用していますが、量子物理学に由来する量子波を使用しています。非常に高い加速度が必要になり、量子波を減衰させる方法がまだよくわかっていないため、実際にラボでこれを実証することは非常に困難になります。そうすれば、燃料なしでカプセルを発射できるはずです。

    QI、EmDrive、および星間スターシップ

    では、暗黒物質の代替となる理論をどのように利用して、電磁放射(読み取り:光)を動力源とする新しいタイプの推進システムを作成できるでしょうか。基本的なアイデアは、高度に加速されたオブジェクトによって生成されるUnruh放射を減衰させて、オブジェクトの加速を妨げるのではなく、増加させる一種のシールドを作成することです。したがって、たとえばロケットの上に配置されたシールドは、その加速度を垂直方向に増加させるのに役立ちます。

    QIは、宇宙科学の真のゲームチェンジャーになる可能性があると信じています、McCulloch 前記 DARPA契約を受け取った後の声明で。光を推力に変換するのに使えるといつも思っていましたが、その推力を高める方法も提案しています。今それをテストする機会を持つことは非常にエキサイティングです。

    マッカロックと彼のチームが成功すれば、それは推進システムにおける前例のない突破口となるでしょう。これは、脱出速度に到達するために必要な速度を達成するために通常大量の化学推進剤を必要とする宇宙で特に適用可能です。 (もちろん、これの欠点は、ロケットが旅の途中で推進剤を運ぶ必要があることです。宇宙にもっと持ち上げたい場合は、より多くの燃料が必要になります。より多くの燃料を運ぶためには、より多くの燃料が必要になるなど。)

    従来のロケットエンジンとは異なり、QIベースのスラスターは単に電気コアに燃料を供給するのに十分な電力を必要とします。このコアは高度に加速され、ウンルー波を減衰させるために導電性シールドを使用して推進に利用できるウンルー放射を生成します。 QIベースのエンジンの正確な設計はまだ解明されていませんが、それはMcCullochと彼の同僚がDARPA契約で調査することの一部です。

    NASAの研究者によって開発されたEmDrive。画像:NASA

    これは急進的なアイデアですが、エキゾチックな推進システムを研究している物理学者はマッカロックだけではありません。昨年は NASAの研究者がEmDriveを構築していることを明らかにした 、いわゆる不可能なエンジンで、高周波の電波を使って推力を発生させます。 NASAの研究者たちは、実験用エンジンでごくわずかな推力を生み出したと主張しましたが、 結果を複製する試みは手ぶらで判明しました

    マッカロックは彼のアプリケーションを見ていますが EmDriveの開発に使用されているQI理論 、エキゾチックな推進力を調査している他の研究者は誇大広告を購入していません。これまでのところ、EmDriveに関する最も説得力のある作業のいくつかは、マッハ効果に焦点を当てています。これは、1990年代初頭にコールステートフラートンの物理学者ジェームズウッドワードによって最初に提唱された加速理論です。

    ウッドワードの理論によると、物体が加速されると、生成された力の一部は運動エネルギーに変換されず、位置エネルギーとして物体に蓄えられます。物体の加速度が変化すると、物体の内部エネルギーも変化します。これは、その物体の静止質量の変化として現れます。

    続きを読む: NASAEmDriveリークの事実とフィクション

    ウッドワードは、慣性は宇宙のすべての物体の引力によって生じると言います。その重力はそれらの質量に関係しています。力の一部がオブジェクトに一時的に保存されているために、加速中にオブジェクトの質量が変化すると、その慣性、つまりその加速に対する抵抗も変化します。プロセスで作成されたこの不均衡は、理論的には無反応エンジンの基盤を提供し、物質を放出することなくオブジェクトを前進させます。

    NASAのEmDriveテストの場合、ウッドワードは 伝えられるところによると、研究者によって観測された推力 マッハ効果の彼の理論によって説明されるように、テストチャンバーの内部に適用されるマイクロ波放射によって生成される可能性があります。

    私がウッドワードに、QIが観察されたEmDrive推力の代替説明になると思うかどうか尋ねたところ、彼はその理論を強く拒否しました。

    慣性の起源についてのマッカロックの推測は、加速する基準座標系における電磁波の出現に依存します。これは、20年以上前に最初に提案された推測であり、ウッドワードは私に電子メールで語りました。

    ウッドワードによれば、慣性が電磁波によって説明される場合、電磁場が電荷と結合する方法のために、中性子は陽子の質量の3分の2にすぎないはずです。しかし実際には、中性子は陽子よりもわずかに大きいだけです。 QIは電磁波の種類(ウンルー放射)にも依存するため、ウッドワードは、同じ数学的不一致に悩まされていると主張しました。

    ウッドワード氏によると、彼の計画が推進力の飛躍的進歩につながるという見通しは非常に暗い。しかし、DARPAは、非常にありそうもない計画に資金を提供する事業を行っています。

    QIの約束について懐疑的な見方をしているのはウッドワードだけではありません。で 論文 のために書かれた フォーブス 昨年、ロチェスター工科大学の物理学者ブライアン・コバラインは、QIが物理法則に違反していると主張しました。特にEmDriveに適用された場合はそうです。

    時変慣性により、EmDriveは加速することができます、とコベルラインはQIに関するマッカロックの論文の評価で述べています。このアイデアは、ニュートンの第3運動法則に違反するだけでなく、特殊相対性理論、一般相対性理論、およびネーターの定理にも違反します。これらはそれぞれ、他の無数の理論の基礎を形成する十分にテストされた理論であるため、それらの違反は現代物理学のすべてを完全に覆すでしょう。

    QIに対する反対意見を理解することはできませんでした。誰もその理論に反する証拠を示したことがありません。

    マッカロックは、QIがどのように機能するかについての誤解として批判を却下しました。ウッドワードの主張に関する限り、マッカロックは、QIは電磁界だけでなく、粒子場にも依存していると述べました。

    私が提案しているのは電磁的ではありません。それは量子力学的効果だとマッカロックは私に言った。これは、量子力学と相対性理論のエレガントな組み合わせです。電磁気学とは何の関係もありません。

    コベルラインの批評については、マッカロックは私にポイントバイポイントを紹介してくれました 応答 彼はに書いた フォーブス 論文。マッカロックは、彼の回答の中で、ウンルー放射は非常に小さいため慣性力を発生させることができないと記事が主張していると述べていますが、著者は私の論文を理解していません。相対論的な地平線であるウンルーは、適切な量の力を生み出します。

    マッカロック氏は電話で、QIに対する反対意見を理解できなかったと語った。誰もその理論に反する証拠を示したことがありません。

    彼が疑似科学について理論化しているという主張に対して、マッカロックは、何十年も疑似科学に滑り込んできたのは暗黒物質を呼び出す物理学者であり、暗黒物質主義者が気づかなかった唯一の理由は、彼ら全員が一緒に幸せに落ちていることであると主張します。そのため、自己修正は不可能になりました。彼は、暗黒物質の理論でよく見られる絶え間ない調整を​​必要とせずに、QIを使用して正確な予測を行う17の論文を指摘しています。

    嫌いな人のためのいくつかの実験

    物理学のコミュニティは、量子化された慣性の現実について深く分かれていますが、解決をそれほど長く待つ必要はありません。今後4年間で、McCullochと彼の同僚は、ラボで初めてQIを生成することを試みる実験を設計する予定です。

    助成金の最初の1年半の間、マッカロックは実験の設計に情報を与える理論モデルに取り組んでいます。次に、ドイツとスペインのチームは、QIを使用して推力を生成しようとするシステムを構築します。

    ドイツでは、研究者は実験装置を使用します 提案 昨年、米陸軍宇宙ミサイルの物理学者トラビス・テイラーによる。マッカロックが私に説明したように、実験には2つの非対称ミラー間でレーザー光を反射させることが含まれます。システムは10ワットの電力の入力を受け取り、それが成功した場合、1ニュートンの推力のピークを生成します。 (これを概観すると、SpaceX Falcon 9ロケットは約750万ニュートンの推力を発生します。)

    スペインでは、最近英国でマッカロックと6か月間働いた物理学者のホセ・ルイス・ペレス・ディアスが率いる研究者グループが、マイクロ波の代わりに光を使用してEmDriveを複製しようとします。このセットアップでは、2ワットのレーザービームが、浮揚する超電導トラックに取り付けられた光ファイバーループに供給されます。光ファイバループ内で急速に加速された光子は、金属導体を使用して推力を生成することで減衰できるウンルー放射を生成すると予想されます。

    マッカロックの計算によると、この実験では約0.001ニュートンの推力(ほとんど検出できない量の力)が発生する可能性がありますが、マッカロックは、推力が発生した場合、超電導レールがエンジンの動きを記録できると教えてくれました。

    もちろん、マッカロックと彼の共同研究者がファンタジーを追いかけていて、彼らの実験では何も生み出されない可能性があります。それでもマッカロックは、QIの背後にある数学に自信を持っており、それは彼の理論を実験的な設定に変換するだけの問題だと私に言いました。これは、関係するすべての物理学者にとって大きな賭けですが、成功した場合、宇宙探査における前例のない突破口となるでしょう。それはリスクに見合う価値があるようです。