Il curioso legame tra l'anomalia del fly-by e l'impossibile EmDrive Thruster

Circa 10 anni fa, un ingegnere aerospaziale poco conosciuto di nome Roger Shawyer fece un'affermazione straordinaria. Prendi un tronco di cono, disse, fai rimbalzare le microonde avanti e indietro al suo interno e il risultato sarà una spinta verso l'estremità più stretta del cono. Voilà... un propulsore rivoluzionario in grado di inviare veicoli spaziali sui pianeti e oltre. Shawyer lo chiamava EmDrive.

L'annuncio di Shawyer è stato estremamente controverso. Il sistema converte un tipo di energia in energia cinetica e ci sono molti altri sistemi che fanno qualcosa di simile. In questo senso è irrilevante.

I problemi concettuali sorgono con lo slancio. La quantità di moto totale del sistema aumenta quando inizia a muoversi. Ma da dove viene questo slancio? Shawyer non ha avuto una spiegazione convincente e i critici hanno affermato che questa era un'evidente violazione della legge di conservazione della quantità di moto.

Shawyer ha risposto con risultati sperimentali che mostrano che il dispositivo ha funzionato come ha affermato. Ma i suoi critici non erano impressionati. L'EmDrive, hanno detto, equivaleva a generare una spinta stando in piedi all'interno di una scatola e spingendo sui lati. In altre parole, era olio di serpente.

Da allora è successo qualcosa di interessante. Vari team in tutto il mondo hanno iniziato a creare le proprie versioni di EmDrive e a metterle alla prova. E con sorpresa di tutti, hanno iniziato a riprodurre i risultati di Shawyer. L'EmDrive, a quanto pare, produce davvero spinta.

Nel 2012, un team cinese ha affermato di aver misurato una spinta prodotta dalla propria versione di EmDrive. Nel 2014, uno scienziato americano ha costruito un EmDrive e ha convinto la NASA a testarlo con risultati positivi.

E l'anno scorso, la NASA ha condotto i propri test nel vuoto per escludere il movimento dell'aria come origine della forza. Anche la NASA ha confermato che l'EmDrive produce una spinta. In totale, sei esperimenti indipendenti hanno sostenuto le affermazioni originali di Shawyer.

Ciò lascia un importante enigma: come spiegare l'apparente violazione della conservazione della quantità di moto.

Oggi riceviamo una sorta di risposta grazie al lavoro di Mike McCulloch alla Plymouth University nel Regno Unito. La spiegazione di McCulloch si basa su una nuova teoria dell'inerzia che fa previsioni sorprendenti sul modo in cui gli oggetti si muovono con accelerazioni molto piccole.

Prima un po' di background. L'inerzia è la resistenza di tutti gli oggetti massicci ai cambiamenti di movimento o alle accelerazioni. Nella fisica moderna, l'inerzia è trattata come una proprietà fondamentale degli oggetti massicci soggetti ad un'accelerazione. In effetti, la massa può essere considerata come una misura dell'inerzia. Ma il motivo per cui esiste l'inerzia ha lasciato perplessi gli scienziati per secoli.

L'idea di McCulloch è che l'inerzia derivi da un effetto previsto dalla relatività generale chiamato radiazione Unruh. Questa è la nozione che un oggetto in accelerazione sperimenta la radiazione del corpo nero. In altre parole, l'universo si riscalda quando acceleri.

Secondo McCulloch, l'inerzia è semplicemente la pressione che la radiazione Unruh esercita su un corpo in accelerazione.

È difficile da testare alle accelerazioni che normalmente osserviamo sulla Terra. Ma le cose si fanno interessanti quando le accelerazioni coinvolte sono minori e la lunghezza d'onda della radiazione Unruh aumenta.

Ad accelerazioni molto piccole, le lunghezze d'onda diventano così grandi che non possono più adattarsi all'universo osservabile. Quando ciò accade, l'inerzia può assumere solo determinati valori di lunghezza d'onda intera e quindi salta da un valore all'altro. In altre parole, l'inerzia deve essere quantizzata a piccole accelerazioni.

McCulloch dice che ci sono prove osservative per questo nella forma della famosa mosca da anomalie. Questi sono gli strani salti di slancio osservati in alcuni veicoli spaziali mentre volano oltre la Terra verso altri pianeti. Quello è esattamente ciò che la sua teoria prevede .

Testare più attentamente questo effetto sulla Terra è difficile perché le accelerazioni coinvolte sono così piccole. Ma un modo per renderlo più semplice sarebbe ridurre la dimensione delle lunghezze d'onda consentite della radiazione Unruh. Questo è ciò che l'EmDrive potrebbe fare, afferma McCulloch.

L'idea è che se i fotoni hanno una massa inerziale, devono sperimentare l'inerzia quando riflettono. Ma la radiazione Unruh in questo caso è minuscola. Così piccolo infatti da poter interagire con l'ambiente circostante. Nel caso dell'EmDrive, questo è il tronco di cono.

Il cono consente una radiazione Unruh di una certa dimensione all'estremità grande ma solo una lunghezza d'onda più piccola all'altra estremità. Quindi l'inerzia dei fotoni all'interno della cavità deve cambiare mentre rimbalzano avanti e indietro. E per conservare lo slancio, questo deve generare una spinta.

McCulloch mette alla prova questa teoria usandola per prevedere le forze che deve generare. I calcoli precisi sono complessi a causa della natura tridimensionale del problema, ma i suoi risultati approssimativi corrispondono all'ordine di grandezza della spinta in tutti gli esperimenti fatti finora.

Fondamentalmente, la teoria di McCulloch fa due previsioni verificabili. Il primo è che posizionare un dielettrico all'interno della cavità dovrebbe aumentare l'efficacia del propulsore.

La seconda è che la modifica delle dimensioni della cavità può invertire la direzione della spinta. Ciò accadrebbe quando la radiazione Unruh corrisponde meglio alle dimensioni dell'estremità stretta rispetto all'estremità grande. La modifica della frequenza dei fotoni all'interno della cavità potrebbe ottenere un effetto simile.

McCulloch dice che ci sono alcune prove che esattamente questo accade. Questa inversione di spinta potrebbe essere stata vista in recenti esperimenti della NASA, dice.

È un'idea interessante. L'EmDrive di Shawyer ha il potenziale per rivoluzionare il volo spaziale perché non richiede propellente, il più grande fattore limitante nei sistemi di propulsione di oggi. Ma in assenza di una spiegazione convincente su come funziona, scienziati e ingegneri sono comprensibilmente diffidenti.

La teoria di McCulloch potrebbe aiutare a cambiarlo, sebbene non sia un'idea mainstream. Fa due ipotesi sfidanti. Il primo è che i fotoni hanno massa inerziale. La seconda è che la velocità della luce deve cambiare all'interno della cavità. Non sarà facile digerire per molti teorici.

Ma quando emergono conferme più sperimentali dell'EmDrive di Shawyer, i teorici sono costretti a trovarsi in una posizione difficile. Se non la spiegazione di McCulloch, allora cosa?

Rif: arxiv.org/abs/1604.03449 : Test dell'inerzia quantizzata su EmDrive

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