[论文解读] Preliminary Energy Considerations in a Relativistic Engine

Asher Yahalom|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2013

Experimental and Theoretical Physics Studies参考文献 4被引用 11

一句话总结

本文研究了一种基于时变电流环的相对论性引擎，由于信号传播存在有限时间，导致牛顿第三定律失效，从而产生净机械力。通过严格考虑电磁场动量和能量交换，研究发现当计入场的贡献时，动量和能量总体上是守恒的，机械系统获得的能量等于电磁能变化的一半，表明存在一种无需抛射质量的自推进机制。

ABSTRACT

In a previous paper \cite{MTAY1} we have shown that Newton'n third law cannot strictly hold in a distributed system of which the different parts are at a finite distance from each other. This is due to the finite speed of signal propagation which cannot exceed the speed of light at vacuum, which in turn means that when summing the total force in the system the force does not add up to zero. This was demonstrated in a specific example of two current loops with time dependent currents, the above analysis led to suggestion of a relativistic engine \cite{MTAY3,AY1}. Since the system is effected by a total force for a finite period of time this means that the system acquires mechanical momentum and energy, the question then arises if we need to abandon the law of momentum and energy conservation. The subject of momentum conversation was discussed in \cite{MTAY4}. Here some preliminary aspects of the exchange of energy between the mechanical part of the relativistic engine and the electromagnetic field are discussed. We also refer briefly to the material composition, structure and properties of metals that should be used in a relativistic engine.

研究动机与目标

• 研究时变电流环系统中延迟电磁相互作用对牛顿第三定律的影响。
• 通过引入电磁场贡献，解决相对论性引擎中动量和能量守恒看似被违反的问题。
• 探讨时变配置下机械系统与电磁场之间的能量传递动力学。
• 识别适合构建低损耗实用相对论性引擎的材料，如超导体和稀土永磁体。

提出的方法

• 使用杰菲缅科方程建模电流环产生的时变电场和磁场，引入延迟势。
• 应用洛伦兹力定律计算每个环所受的净力，考虑有限信号传播速度。
• 使用球坐标系对环的几何结构进行显式积分，以评估场相互作用积分。
• 推导系统的机械动量增量，并与电磁场携带的动量进行比较。
• 计算由于相互作用导致的电磁能变化，并将其与机械系统的动能增量相关联。
• 考虑材料特性，如超导性和永磁体成分，以最小化欧姆损耗和辐射损耗。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在有限信号传播的相对论性系统中，牛顿第三定律是否能严格成立，特别是在空间分离的部分之间？
• RQ2 当延迟效应导致净机械力非零时，动量如何守恒？
• RQ3 机械系统获得的能量与电磁场损失的能量之间存在何种定量关系？
• RQ4 在实际相对论性引擎中，哪些材料特性对于最小化能量损耗至关重要？
• RQ5 能否通过利用场动量实现无需抛射质量的自推进引擎？

主要发现

• 由于有限信号传播，牛顿第三定律在相对论性系统中不严格成立，导致双环系统受到非零净机械力。
• 由于净力作用，机械系统随时间获得动量和能量，但当计入电磁场动量时，此过程并不违反守恒定律。
• 相互作用导致的电磁能变化量是机械系统获得动能的两倍，表明一半能量存储于场中。
• 显式计算表明，机械系统获得的动量恰好被电磁场携带的动量所平衡，从而证实了动量守恒。
• 系统的能量平衡在很大程度上取决于材料特性：超导环可最小化欧姆损耗，而稀土永磁体可降低功耗需求。
• 相对论性引擎的机制依赖于场动量交换而非机械反作用质量，提供了一种新颖的推进原理。