Tyske forskere bygger Nasas drømmemotor i optiske krystaller

Tyske forskere har vist, at to partikler kan omgå Newtons lov om aktion og reaktion, så de giver hinanden en acceleration i samme retning. En konceptuel idé, som Nasa tidligere har støttet økonomisk med henblik på udvikling af alternative raketmotorer.

Forskerne har benyttet fotoner til deres eksperiment og et lille, men afgørende trick:

Fotonerne bevæger sig ikke i det frie rum som masseløse partikler med ’lysets hastighed’, de er i eksperimentet bundet til at bevæge sig i to ringe af optiske fibre, der er forbundet med hinanden.

Når fotonerne bevæger sig rundt i ringene, sker det med en hastighed lavere end lysets hastighed i vakuum, det svarer til, at de har en 'effektiv masse'. Systemet er designet så snedigt, at denne 'effektive masse' både kan være positiv og negativ.

Ifølge Newtons tredje lov om aktion og reaktion vil to legemer udsættes for kræfter, der er lige store og modsatrettede F1 = - F2. Newtons anden lov siger, at kraft er lig masse gange acceleration: F = ma.

Hvis de to legemer har samme numeriske masse, men den ene er positiv og den anden negativ, fører det til, at de to legemer udsættes for den samme acceleration i samme retning.

En umiddelbar tanke vil være, at det lidt for meget ligner en evighedsmaskine, men da den samlede masse for systemet er nul, er både energien og bevægelsesmængden det også, så der er ingen omgåelse af fundamentale fysiske love.

Eksperimentet er gennemført af Ulf Peschels forskningsgruppe ved Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Tyskland, og beskrevet i en videnskabelig artikel i Nature Physics og på universitetets hjemmeside.

Ulf Peschel og Co. har dermed lavet den første eksperimentelle udgave af et diametrisk drev, som Nasa har haft som en drøm for en fremtidig raketmotor.

Det er dog næppe et skridt i retning af fremstillingen af en sådan raketmotor. Forskerne peger selv på, at princippet snarere kan finde anvendelse til optiske frekvensomformere og nye metoder til styring af lyspulse.

En idé fra 1957

For at forstå eksperimentet kan det dog være nyttigt at se på drømmen om at lave en raketmotor baseret på negativ masse.

Lad det med det samme være slået fast, at der ikke kendes partikler med negativ hvilemasse, og at der i dag er gode fysiske argumenter for, at sådanne ikke kan findes.

Tanken om negativ masse kan føres tilbage til Paul Dirac i 1928 og en analyse, som førte til forudsigelsen af antipartikler. Disse har dog også positiv masse, men adskiller sig fra deres respektive partnere ved at have modsat ladning.

Den britisk-østrigske matematiker og kosmolog Hermann Bondi var den første til seriøst at beskæftige sig med begrebet negativ masse.

Bondi er først og fremmest kendt for sammen med Fred Hoyle i 1948 at udvikle steady-state modellen for universet, som var en konkurrent til Big Bang teorien, indtil den kosmiske baggrundstråling, der er eftergløden fra Big Bang, blev opdaget i 1964.

Han skrev i 1957 en i artikel med titlen Negative Mass in General Relativity, der desværre ikke er frit tilgængelig, men en omtale findes også i en bog, der blev udgivet samme år.

John G. Cramer fra University of Washington i Seattle har forklaret, at Bondi i denne artikel redegjorde for, at massen ikke optræder direkte i den generelle relativitetsteori. Massen kommer først frem, når ligningerne løses på en måde beskrevet af den tyske fysiker Karl Schwartzschild, men denne masse kan i princippet være både positiv og negativ.

Bondi bemærkede også i sin artikel, at hvis en positiv og negativ masse med samme numeriske værdi placeres tæt ved hinanden, vil et sådant system være udsat for en konstant acceleration, hvor den positive masse konstant vil jage den negative masse.

I perioden mellem 1996 og 2002 støttede Nasa et forskningsprogram Breakthrough Propulsion Physics Project (BPP) ledet af Marc Millis, der bl.a. havde til formål at studere, hvordan man efter Bondis princip kunne lave et ’diametrisk drev’ (diametric drive) – projektet omfattede også en lang række andre alternative metoder til raketmotorer.

Marc Millis afsluttede projektet med at udgive bogen Frontiers in Propulsion Science i 2009 og et kortere sammendrag ved en konference i 2010.

Et optisk diametrisk drev

De tyske forskeres artikel har en titel, der viser forbindelserne til Hermann Bondi og Marc Millis arbejde: ’Optical diametric drive acceleration through action-reaction symmetry breaking’.

Forskerne bemærker, at det er velkendt, at i fotoniske strukurer kan man betragte fotonen som havende en effektiv masse, der både kan være positiv og negativ – alt efter formen for den tilknyttede dispersionsrelation for gruppehastigheden.

Gruppehastigheden er den hastighed, hvormed en lyspuls bevæger sig gennem den fotoniske struktur eller optiske fiber – denne hastighed er forskellig fra den såkaldte fasehastighed, der er den hastighed, hvormed fasen af lyset ændrer sig. Dispersionsrelationen angiver, hvorledes gruppehastighed er en funktion af lysets frekvens (eller bølgelængde).

I optiske gitre kan dispersionskurven krumme både opad og nedad (se den øverste figur), det svarer til henholdsvis positiv og negativ effektiv masse.

Forskerne har med to forbundne optiske ringe fremstillet et system, der minder om et optisk gitter.

De skriver i deres konklusion, at de eksperimentelt har demonstreret diametrisk drev-acceleration i tidsdomæne optiske gitre ved hjælp af to bølgepakker med numerisk samme effektive masse, men af modsat fortegn.

Omkring perspektiverne skriver forskerne:

'Det underliggende koncept er helt generelt og kan direkte overføres til andre fysiske situationer. Da effektiv masse er et generisk koncept inden for fysikken, kan diametriske drev inspirere til nye metoder til at regulere vekselvirkninger mellem partikler i krystalgitre.'

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

men da den samlede masse for systemet er nul, er både energien og bevægelsesmængden det også, så der er ingen omgåelse af fundamentale fysiske love.

Hvis dette er rigtigt, kan princippet da næppe bruges til fremdrift ?

  • 3
  • 0

men da den samlede masse for systemet er nul, er både energien og bevægelsesmængden det også, så der er ingen omgåelse af fundamentale fysiske love. Hvis dette er rigtigt, kan princippet da næppe bruges til fremdrift ?

Jeg tror, svaret paa det spoergsmaal skal findes her:

"Bondi bemærkede også i sin artikel, at hvis en positiv og negativ masse med samme numeriske værdi placeres tæt ved hinanden, vil et sådant system være udsat for en konstant acceleration, hvor den positive masse konstant vil jage den negative masse."

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten