光子驱动器和光子涡轮机的制作方法

背景技术：

1、利用激光和光学产生能量。光与物质的相互作用，以及光与物质耦合时的行为，即光穿过透明材料时的行为。

2、人们曾多次尝试通过在不同的装置中操纵电磁波来产生推进力。最著名的是所谓的电磁驱动和斯莱皮恩驱动。有关这一主题的更多信息，请参阅m.g.millis和nasa的论文：物理学突破性推进的前景，2004年5月。美国物理学会的布里托和埃拉斯卡也准备了类似的介绍：电磁惯性操纵推进理论与实验概述，2005年2月。最近，美国国家航空航天局于2017年对马赫效应推进器进行了研究。迄今为止，所有的尝试都没有结果，也没有成功的工作原型。

3、由y.k.bae公司建造的光子激光推进器提供了有用的理论和实验背景，正在产生预期结果。它利用了光子与镜面相互作用的特性，当我们在两面相对的镜面之间反弹光子时，光子会产生两倍的传递动量，从而使光子的能量从无到有增加一倍。这实际上是将反射镜推开。该公司声称，同一光子可实现1000多次反射，因此这被称为同一光子的再循环。同样的光子特性，但没有再循环，被用于太阳能帆的概念，也称为光帆或光子帆。

技术实现思路

1、利用量子层面的特性和无机械运动部件(这是本发明的两个重要特征)的实际工作应用是利用塞贝克效应发电。然而，这种效应的效率很低，需要大量的热差才能产生电能。因此，只有在特殊情况下才是经济的。与本发明相关的课题还有利用布朗运动从环境热量中提取有用能量。许多作者的论文arxiv：独立石墨烯的波动诱导电流：迈向纳米级能量采集，2020年2月25日，描述了将环境热量转化为电能的实验。作者证明，由于布朗运动，石墨烯会在电路中产生电荷流，并预先进行电功。这实际上是将无用的环境热量转化为有用功。与这一主题密切相关但目前还没有实际用途的，据其作者介绍，是由无限空间研究所于2021年创造的翘曲气泡。气泡利用微观尺度上的卡西米尔效应产生负能量密度分布，与阿尔库比耶尔驱动器的要求非常吻合，后者通过扭曲空间和时间产生推进力。这一概念目前还只是理论上的。

2、这项发明的核心是穿越透明介质的电磁波之间的相互作用。上述论文没有涉及这种设置。关于电磁波如何与透明介质相互作用的现有理论背景，在接下来两篇由多位作者撰写的论文中有所阐述：新物理学报：光的亚伯拉罕压力的实验证据，2015年5月22日和arxiv：介质中的光子质量阻力和光的动量，2017年6月29日。这两篇论文和其他许多论文研究了明考斯基光动量和亚伯拉罕光动量之间长达一个世纪的争论。从理论上讲，这两个动量都是从更基本的定律中推导出来的，而这些定律都得到了很好的验证。虽然描述的是同一件事，但两个动量却互不相容。与真空光动量相比，亚伯拉罕动量减小，而明考斯基动量增大。人们普遍认为它们都是正确的。它们都可以测量，但测量结果取决于实验装置的具体情况。试图解释它们的方法通常包括将它们分离为光动量(较低或亚伯拉罕动量)和与物质压力波耦合的光动量(较高或闵科夫斯基动量)。就本发明而言，这些论文的重要发现是，设置条件的微小变化会产生截然不同的结果。这就是为什么需要精确的微调，而本发明给出了设置的总体方向。

3、更基本的理论背景在于理解光在透明材料中的折射率。我们对这一现象有经典的电动力学和量子力学解释。经典解释认为，光在材料中的速度较慢是由于材料中的电子受激产生了额外的电场。正如1963年《费曼物理学讲座》(feynman lectures on physics)第一卷第31章：《折射率的起源》(the origin of the refractive index)中所述，光的电场加速了材料中的电子，这些电子辐射出次级电场，两个电场结合在一起产生了传播速度较慢的电场。上述讲座中介绍的折射率公式表明，折射率与材料中的电子密度成线性关系。我们知道，玻璃可以由结合到分子中的不同原子组合而成。原子包含不同外壳中的电子，每个外壳以不同的方式将电子与原子核结合在一起。更不用说电子数与质子数相对应，而中子的实际数目则因元素和同位素而异。电子键的强度决定了电子对光的反应速度。因此，我们有理由认为，所有电子对光的反应并不相同。通过实验我们知道，玻璃密度和折射率之间是线性关系。玻璃密度越大，折射率越高。由于玻璃的密度和等效电子的密度不呈线性关系，因此基于此公式的经典解释不可能是正确的。这个公式还有更多的改进，包含了从偶极子到不同极化类型的每种材料的特性。这些额外的因素都不是来自基本定律，相反，它们都是经过测量后改装到公式中的。最终的结果并不取决于电子的密度，而是取决于整个材料的密度，这在《费曼物理学讲座》第二卷第11章：电介质的内部(1964年)，中有所阐述。电子确实决定了原子核的密度，从而决定了物质的密度。电子只是密度的代表。真正的密度来自原子核。因此，密度无疑是折射率的唯一共同点。众所周知，所有经典公式都只是量子力学的粗略替代，这一点在很多场合都得到了强调。同时，量子力学也无法解释氢原子以外的原子核的行为。

4、如果我们更详细地研究一下经典描述，就会发现传入的波会激发新的辐射。而这种新的辐射波与传入波的相位不同，因此相位被延迟。这一新的延迟波取代了旧的波，并与下一个电子相互作用，再次延迟并取代了原来的波。这就产生了同步性问题。为了延迟原始波前，新辐射波必须立即出现。否则，它就无法赶上原波的波前。由于电子是有质量的粒子，而且只有加速电荷才会辐射，因此满足这种同时性是不可能的。任何有质量的物体都不可能瞬间移动。任何东西都不可能瞬间移动。

5、还有其他一些原因让人对经典解释产生怀疑。有时，这种新辐射出的反相波被表示为一个反平衡电场。电场是有方向的，而输入电场的方向会随着材料中感应出的新电场的方向而改变。这个过程应该就是光进入材料后发生弯曲的原因。由于电场具有方向性，而电子辐射出的电场具有平衡性，因此光的弯曲取决于入射光的偏振与入射角之间的关系。但事实并非如此。它与某些特殊材料(如冰岛薄片)的偏振无关。

6、此外，从光电效应开始，我们就知道光是量子化的，这意味着带电粒子不存在部分激动。光子和带电粒子之间要么存在相互作用，要么不存在。我们从双缝实验中得知，任何与光子的相互作用都会使光子的波函数坍缩，我们观察不到干涉模式。这就意味着，光穿过物质时，由于其速度减慢，会与物质发生相互作用，因此应该遵守与穿过真空的光不同的规律。然而，在这两种情况下只有一个工作波函数，因此很难接受光与透明材料中的电子之间存在任何相互作用。

7、此外，经典的解释称，光被电子吸收，而电子被激发后无法达到更高的稳定轨道，因此几乎瞬间就会重新发射光。这个过程据说会导致光的延迟，但由于光是直线传播的，这意味着电子总是排列在直线上，并且它们之间的间距相同，这样才能保证光的速度持续稳定地减慢。事实显然并非如此，不仅是恒定的时间延迟，光的直线辐射也给这一概念带来了问题。然而，当原子中的电子被束缚时，这种过程就会发生，就像空气分子一样。但在这种情况下，光会发生散射。因此，这不是发生在固体透明材料中的过程。

8、另一方面，当我们拥有自由电子时，经典理论也声称，进入的光子会加速这些电子，并通过密集地组合电荷来造成区域电荷不平衡。当电排斥力恢复电荷平衡时，也会加速电荷。据称，所有这些加速都是新波辐射的原因。平流层中的自由电子对调幅无线电波的反射就是这种情况。这一概念的问题在于，电荷平衡的恢复是一个渐进的过程，与在高层大气中被稀释的自由电子的运动速度相比，传入的无线电波具有较高的频率。指望电子能快速恢复电荷平衡，从而产生连续的无线电信号，并准确地反射回地球是不合理的。如果电子是反射的主要原因，那么无线电信号就会更加分散，而不是有用的无线电波。

9、不仅是反射，量子解释在材料的光传输方面也有问题。该解释认为，光子作为一种波以光速传播，但由于与物质的相互作用，它遵循多条路径。最短的路径会产生破坏性干扰，而较长的路径则会产生建设性干扰，从而产生速度明显较慢的光。这是量子解释的一个主要障碍，因为我们很难相信物质的结构总是会给光子提供完全相同的路径，从而产生建设性的干涉。根据这种解释，我们会认为表面上相似的玻璃会由于其内部原子结构而产生不同的折射率。但事实并非如此。

10、在量子解释中，光子散射电子，可以在材料中往返多次。散射有时被理解为光子的吸收和再发射，这种解释有时包括吸收的延迟，有时不包括。使用这种模型，每次相互作用都会改变光波的路径，使其向各个方向散射，但不会改变其连续波函数形式的相位演化。连续的相位演化与吸收产生的时间延迟是量子理论的内在矛盾。在吸收和再发射的情况下，我们本以为相位演化会中断；但事实并非如此，因为只有连续相位演化才能让我们在理论和实验之间达成一致。连续相演化模型也有其自身的问题，因为根据该模型，每次反射都会对最终结果产生影响，尽管很明显反射是在不同时间到达探测器的。但这一点在干涉实验中得到了很好的证实，当单个光子经过两条路径时，其中一条路径要长得多，但光子本身仍然会发生干涉。因此，人们普遍认为，光以不同的速度经过许多路径，所有这些路径加在一起，在光速下看起来只是一条直线路径。这种观点不仅限于固体材料中的光，也适用于反射镜，因此也包括真空中的光传播。这种观点明显违背了光在真空中始终以光速直线传播的既定事实。

11、或者，我们可以接受量子力学只是一个数学模型，而包含电子吸收光子的模型更接近现实，初始光子会刺激两个或更多相邻的电子，并在此过程中被吸收。这种观点认为，光的作用只是在真空中以光速直行，而真空一词也包括物质粒子之间的空隙。两个电子发出两个新的光子，由于路径较长，它们结合成一个新的光子，但速度较慢。或者说，由于吸收和发射，速度更慢。虽然这个概念比光从一个电子传播到另一个电子的概念要好，但它仍然有局限性。一个光子激发更多电子的概念是有问题的。此外，使用这种吸收模型，我们得到的光在离开玻璃后永远不可能完全恢复光速，因为它的路径总是稍长一些，因为它是由两个或更多光源的建设性干涉产生的。这些光源距离未来任何一点的距离总是比这些光源之间的中点更远。中点和未来点是最短路径。其他路径都比较长，至少有一部分从玻璃中射出的光线会经过这条较长的路径。由于光一旦离开玻璃就会完全恢复光速，因此无法观测到这一现象。第二个问题是经典的杨氏干涉图。要构建一个中间只有一次建设性干涉，其余都是破坏性干涉的干涉图案是很难的。而要在每一种透明材料和所有波长的可见光中创建这样的图案则更加困难。如果干涉是减缓玻璃中光线的过程，那么玻璃就会使画面模糊，但事实并非如此。

12、还有一种量子和经典的混合解释。根据这种观点，光子在自由传播时是波。它们没有被量子化，并充满了所有空间。但在吸收点，从场到物质的能量转移是量子化的。发射也是如此。它认为构成物质的粒子是离散的，因此我们只能通过这些特定的单个粒子来观察电磁场。事实上，我们只能看到单个电子受到电磁场的刺激。但这本身并不能证明光子在传播时没有被量化。如果光子没有被量化，而我们所拥有的只是一个连续的场，那么我们就会观察到来自两个独立来源的干涉模式。即使光源产生的波长不同，情况也是如此。但事实并非如此，电磁场也是量子化的，光子总是以能量的量子形式传播。

13、有些解释补充说，单光子总是以光速传播，而光子束则以较慢的速度传播。在这种情况下，光子束就是以光束形式进入材料的光子。这种解释带有吸收的概念，通常的解释是，后进入的光子会刺激被吸收的光子沿光束的相同方向再次发射。如果没有吸收，再发射的方向就会是随机的。虽然受激发射过程产生了激光，但必须指出的是，激光是单色光。激光的产生过程会破坏单个光子所携带的信息，而玻璃的情况并非如此。在玻璃中，每个光子都保持着自己的特性。如果是受激发射，我们透过玻璃看到的图片就会模糊不清。此外，我们还可以用单光子做实验，因为单光子总是延迟的。此外，实验还告诉我们，当光线穿过一块玻璃时，光子从玻璃表面反射的概率取决于两块玻璃表面的位置，因此也取决于玻璃的厚度，这意味着每个单光子即使从正面反射，也知道两块玻璃表面的情况。这使得对受激发射的解释难以令人接受。

14、更具挑战性的是一束可见光中许多光子之间的干涉。理论上普遍认为，光子不会与其他光子发生相互作用，尽管我们有实验声称可以做到这一点。同时，这些实验很难构建，而且三光子干涉也是最近，即2017年才测量到的，因此自然界不太可能经常这样做。我们在解释粒子发射新光子时也面临类似的问题。这里同样存在多重光子干扰的问题，而且这些新光子无法赶上产生它们的原始光子。由于我们可以探测到单光子，所以我们会看到其中一些原始光子仍然以光速穿过物质，而大部分光子则会因为与光束中其他光子的干涉而延迟，这些光子是在最初的光子之后产生的。但我们在实验中并没有看到这样的结果。实验总是告诉我们，对于单个光子来说是正确的，对于一束光来说也一定是正确的。因此，现代科学无法提供对光的一致、完整和可信的理解。

15、为了更好地利用本发明，下文将对介电材料中光的特性进行正确但简化的理论解释。

16、说到光的反射，即使是r.费曼也将他的路径积分公式推到了适用的极限。引自他的著作qed：光与物质的奇异理论(the strange theory of light and matter)，1988年10月21日，一书中的一段话：玻璃前后表面对光的部分反射只是一种简化。费曼接着说，光实际上不受表面的影响。进入的光子被玻璃内部原子中的电子散射，然后一个新的光子又回到探测器。费曼总结说，有趣的是，我们不需要把代表玻璃内部所有电子对射入光子进行散射的振幅的数十亿个小箭头加起来，而只需要把"前表面"和"后表面"反射的两个箭头加起来，就能得出相同的答案。虽然所有数十亿电子的位置都有可能产生与两个表面相同的结果，但这种情况极不可能发生。事实上，两个表面才是真实的东西，而数十亿电子产生的无限路径并没有多大作用。从理论上讲，你总是可以在材料中放置粒子，让它们产生预期的结果。但是，所有粒子都能始终处于正确位置的可能性很小。同时，每次实验的结果都是一样的。实验告诉我们，表面很重要。

17、因此，am无线电波在高层大气中的反射过程，就像我们在灼热的沥青路面上看到天空的影像时产生的海市蜃楼一样。人们普遍认为，海市蜃楼的产生与自由电子无关。am无线电波在高层大气中的反射也是如此。空气层之间的边界与层与层之间的密度差一样大。

18、电介质的密度与折射率之间呈线性关系。原子核密度与材料密度呈线性关系，因此决定了观察到的折射率。电子只起到开关作用。它们要么吸收并反射光线，要么让光线通过。如果材料的结构决定了电子会让光线通过，那么电子在进一步的相互作用中就只起很小的作用。只有在某些特殊情况下，透明材料中的电子才会吸收光线并重新发射，但一般情况下不会出现这种情况。因此，电磁波在透明材料中的主要相互作用是与原子核的相互作用。

19、假设材料对光没有吸收，那么也就不存在有效电场。当光穿过透明介质时，我们实际上看到的是光的电场和磁场脱钩，只剩下类似磁场的东西。这种新磁场与经典磁场有一些不同之处。这种新磁场对物质施加的力与光的运动方向一致。另一方面，光感受到的这种力是一种阻力。原子核比电子更能感受到这种力，因为力并不取决于粒子的电荷，而是取决于粒子的质量。对于相对于原子核运动的电子来说，这种力有时会使它们加速，有时会使它们减速。

20、在上述论文中，我们看到水在激光照射下开始运动。如果水没有移动的条件，因为与摩擦力相比，作用力太弱，那么水就会向上鼓起，就好像被激光照射的部分压力升高一样。电子吸收也会产生一些影响。还有反射的影响，这是由于表面物质的分布与内部物质的分布不同。但主要的影响来自原子核和电子对电磁波的感受不同。这种差异使分子的对称性降低，并增加了总体积，因为它们不能像以前那样紧密地挤在一起。结果就是在浅水中观察到隆起。虽然水不是刚性的，但同时力也足够小，所以水不会开始在内部流动。

21、如果光能够使水运动起来，那么最初的撞击及其巨大的动量传递就起着重要作用。一旦光在水中传播，它就会试图加速，但会不断被水减速。这种二次撞击也会传递能量，但由于速度较低，这种传递要比在水面上小得多。不过，这种二次撞击会产生持续的动量传递。光会逐渐加速，并在获得巨大动量之前被阻止。因此，这种微小的传递仍然存在。所有这些都会对水或其他电介质产生定向压力。经典的磁相互作用不会改变运动电荷的能量，只会改变其运动方向，我们可以用类似的方法来看待这种相互作用。光与物质的相互作用可以看作是将物质的随机运动重新分配为定向运动。因此，相互作用将热能转化为动能，从而将无用的能量转化为有用的能量。如果我们使用这些能量，那么物质就会在此过程中被有效冷却，从而从周围环境中重新获得能量。即使在周围环境具有宇宙微波背景温度的情况下，这一过程也是有效的。

22、以上解释并没有解决目前理论中存在的所有难题，因为完整的理论解释并不是本文的目的。这只是让人们更好地理解光的真正本质，从而有助于在实际应用中利用光的真正本质。

23、需要解决的技术问题是外太空的推进问题，我们受到燃料数量的限制。首先，你必须使燃料脱离地球引力，穿过厚厚的大气层。其次，飞船上的燃料越多，质量越大，加速度就越小。因此，通过某种方式回收相同的能量来减少燃料的用量，甚至无需在飞船上携带任何燃料，是一个值得解决的问题。

24、外太空推进问题的解决方案，如果足够有效，通过额外的技术补充，最终可以产生能量。通过将线性加速度转化为环形加速度，可以制造出涡轮机，为传统发电机提供动力。

25、远场自由传播的电磁波通常是可见光(本文中有时称为光)，当它进入透明电介质介质时，会表现出两种不同的行为。一种情况是获得动量(即闵科夫斯基动量)，另一种情况是失去动量(即亚伯拉罕动量)。虽然这些动量并不能正确反映现实，但它们确实描述了一般行为。看起来条件几乎相似，但光的行为却不同。微小的瑕疵甚至会让同一束光在两个动量之间切换，从而导致无法产生一致的净力。这就是为什么需要对工作原型进行微调。