反重力

反重力一詞常見於宇宙論和星體動力學。該詞的概念是希望能創造一個物體或者空間，可以不受重力影響。它並不是指一種失重狀態，例如自由落體或衛星運行，也不是指用別的力來平衡萬有引力，例如用電磁力或空氣動力；反重力的基礎緣由是指透過一種科技的干預，讓反重力的物體或者空間可以使引力場不復存在或者不會對物體或空間造成影響。反重力一般會在科學幻想中提及，特別是在太空飛行器推進這一內容中。這種概念首次在赫伯特·喬治·威爾斯的科幻作品《月球上最早的人類》中出現，從此反重力成為幻想科技中最受歡迎的部分。

在人類首個數學化描述引力的文獻：牛頓萬有引力定律中，引力被描述成未知介質傳遞的外力。然而，在20世紀早期，牛頓的模型被更普遍和完整描述的廣義相對論所替代。在廣義相對論中，引力不是傳統意義上的力，是空間維度自身的一種特徵。這種幾何演算法通常情況下會產生互相吸引的「力量」。在廣義相對論的範圍裡，反重力是非常不可能的，除非在非自然狀況下，但即使如此，反重力同樣不太可能產生。量子力學將重力設定為能夠傳遞力量並且無質量的基本粒子引力子，有沒有可能創造或消滅重力尚不得而知。

「反重力」具體來說通常亦可指被看作能夠反轉重力的設備，即使它是通過其他方式達到這一目的，例如：依靠電磁場運行的「飄升機」。

## 引力護盾

在一些科學幻想故事中，存在一種反重力設定，即存在一種設備能局部或完整的影響引力效應。把這種設備放在物體的下方則能減小或完全消除引力對該物體的影響，允許該物體使用很小的作用力就可以飄離地球表面。在牛頓引力定律中，引力是一種點對點作用力的傳輸，從這一點出發就很有可能；引力場會被另外一個場所屏蔽，同理，磁場可以被抗磁性物質所屏蔽。

目前有很強有力的理由相信，並沒有這種物質存在。考慮如下情況：將這種物質安裝在輪子的一側，安裝這種物質的一側將不會有重量，那麼另一側會持續「跌落」到軸的對側。這種運動會持續的產生能量卻沒有消耗，這很明顯違背的熱力學第一定律。更廣泛講，它會遵循高斯定律，靜態二次衰減場（例如地球引力場）是無法被屏蔽的（磁力是固定的，但立方衰減）。在廣義相對論下，整個命題是一個不合邏輯的推論。

1948年，一個成功的商人羅傑·巴布森（巴布森學院的創始人），建立了重力研究基金會，來研究可以阻隔重力的方法。基金會不時召開會議，參加會議的人包含發明急凍食品機的克拉倫斯·伯宰和發明直升機的塞考斯基。基金會初期研究如何阻隔重力，後來變為嘗試了解重力。基金會在羅傑·巴布森1967年去世之後曾一度消失。然而它的論文獎還一直在營運著，獎金金額可高達5000美金。到2007年基金會一直在馬薩諸塞州韋爾斯利鎮經營，由基金會原董事的兒子，小喬治·瑞得奧管理。最近的得獎者包含加利福尼亞天體物理學家喬治·斯穆特，後來他獲得2006年諾貝爾物理學獎。

## 20世紀50年代

廣義相對論是在20世紀的最初十年裡被引入到美國的，但是因為缺少合適的數學模型該理論發展非常緩慢。儘管反重力被廣義相對論視為異端，人們還是為實現反重力付出了巨大努力。

據稱美國空軍在整個20世紀50年代裡還進行了相關研究並持續到60年代。原中校安塞爾·塔貝特曽在報紙上寫過兩個系列的文章，聲稱大多數主要的航空製造企業都在20世紀50年代進行過重力控制推進的研究。然而，不僅外界很少有資料證實，而且這些資料都來自於「政策性洩密」時期的中期，這就導致了這些資料的可信性無法估量。

格倫·L·馬丁公司就被認為進行過反重力研究的嘗試，該公司曾經建立了先進技術研究所。主流的報紙宣稱馬丁公司和理論物理學家布克哈德·海姆就取得過聯繫。其他的私立機構通過成立場物理學研究所進行理解重力的嘗試，例如：北卡羅來納大學教堂山分校就在1956年由阿格魯·H·巴森成立了重力研究信託基金。

軍方對反重力項目的支持在1973年被曼斯費爾德修正案終止，原因是該修正案將美國國防部的開支限制在明確的軍事用途的研究領域。曼斯費爾德修正案專門用於終止收效甚微的長期項目。

## 負物質

根據廣義相對論，引力產生於由質量導致的空間幾何（普通空間形狀的改變）。這個理論認為，有質量的物體彎曲了空間，從而導致了「引力」，而引力只是彎曲空間的一種性質，並非一種真正的力。儘管方程一般不會產生一種「負幾何」，但利用「負物質」來製造卻是有可能的。這些方程並沒有排除負物質的可能性。

廣義相對論和牛頓萬有引力理論都預言，負物質將會產生相斥的引力場。赫爾曼·邦迪爵士在1957年指出，負引力質量和負慣性質量和廣義相對論的等效原理以及牛頓力學的線性動量守恆和能量守恆定律是相容的。邦迪的證明為廣義相對論方程得到了一個沒有奇點的解。1988年6月，羅伯特·L·佛瓦德在AIAA/ASME/SAE/ASEE的24屆共同推進大會上展示了一篇論文，提出了一種負引力質量推進系統。

每一個質點都對其他質點產生一個沿著兩個質點的連線的吸引力。這個力和兩個質點的質量的積成正比，和兩個質點的距離的平方成反比：

$$\mathbf{F_{12}} = G \frac{(-m_1) m_2}{r^2}\mathbf{r_{12}} = G \frac{m_1 m_2}{r^2}\mathbf{r_{21}} = \mathbf{-F_{21}},$$

其中：

- $F_{12}$是兩個質點之間引力的大小。
- G是引力常數。

- m2 >0是第二個質點的質量。
- r是兩個質點之間的距離。

邦迪指出，一個負質量的物體會靠近（而不是遠離）一個「正常」質量的物體，這是因為即使引力場是互斥的，負質量（根據牛頓定律，F=ma）會朝與力相反的方向產生加速度。相反，正常質量的物體會遠離負質量。他指出，兩個質量一樣，但一正一負的物體，如果放在一起的話，將會自己沿著二者連線產生加速，負質量一直追著正質量。因為負質量擁有負動能，這兩個物體的總能量仍然是零。佛瓦德指出，自己產生加速度的現象的原因是負慣性質量，不需要二者之間的引力。

粒子物理的標準模型描述了所以已知形式的質量，但是並沒有把負物質包括進來。儘管宇宙中的暗物質可能是由標準模型以外的粒子組成，它們的質量卻是已知的，因為其質量是由他們對周圍物質的引力效應推導出來的，毫無疑問是正質量。（然而，宇宙中的暗能量卻更加複雜，因為根據廣義相對論，它的能量密度和它的負壓強都是其引力效應的因素。）

## 第五種力

廣義相對論認為任何形式的能量都要與時空相匹配，以此創造出提供重力的空間幾何形態。一個長期存在的疑問是：這些公式是否都適用於反物質？這個問題被認為於1960年得到解決，解決方法來自CPT對稱研究，這個理論證明了反物質與正物質遵循相同的物理定律。也就是說反物質擁有正能量還能夠如同正物質一樣帶來引力並引起其變化（見反物質的引力作用）。

20世紀的最後25年裡，物理學界被捲入到建立統一場論的大潮中。統一場論要解釋四種基本力：引力、電磁力、強力和弱力（後兩者存在於原子核內部）。物理學家已經在統一三種量子力上取得了進展，然而引力經過每一次嘗試後仍然處於「問題階段」。但是，這並沒有阻止他們的嘗試。

一般來說，這些嘗試通過假設一種粒子來「量化」引力，這種粒子被稱為「引力子」，引力子如同光子攜帶電磁力一般攜帶引力。雖然這個方向上的簡單嘗試都失敗了，但是得到了更多的試圖解釋這些問題的複雜案例。其中的兩個案例就是超對稱性和超引力的相對性。兩者都需要極弱力的參與，這種極弱力就是「第五力」，為引力光子所攜帶的力。這個問題與一些量子力學領域「未了結的」問題糾結在一起成為一種問題組合。不止這兩個理論，所有的理論都需要「第五種力」通過類似於反重力的方式對反物質產生影響，因為跟質量太不搭，而附帶怪異感。在20世紀90年代有一些實驗展開以測量這種效應，然而並沒有積極的結果。

2013年CERN在研究反氫原子的能量水平的實驗中找到了一種反重力作用。這個反重力測量的只是一個「有意思的附帶事件」，而且並不確定。

## 廣義相對論中的「扭曲效應」

廣義相對論的場方程有一些描述「扭曲效應」（如阿庫別瑞度規）和穩定、可通過的蟲洞理論的解，但是，這些解自身並不重要，因為任何時空幾何形態就是一個描述應力-能量張量（見廣義相對論的精確解）的場方程的解。廣義相對論並不限制空間的幾何形態，除非引力張量有外部限制。扭曲效應和可通過蟲洞的幾何形態在大多數區域可以運用得很好，但是前提條件是這些區域需要異常物質的參與。如果引力張量只是用於了解物質，那麼扭曲效應和可通過的蟲洞將作為解被排除掉。人們對暗物質和暗能量的了解不夠，以至於現在還不能對如何應用扭曲效應作出大致的說明。

## 突破性推進物理計劃

20世紀末期，美國太空總署在1996年至2002年間為突破性推進物理計劃（BPP）提供了資金。這個項目旨在研究大量「激進」的太空推進設計，這些設計都是無法通過普通院校與商業渠道獲得資金援助的項目。反重力之類的概念就被歸到「正相反的推進」名下。物理學在推進領域的突破性研究在獨立的狀態下進行，不隸屬於太空總署，而隸屬於Τ0基金。

## 實驗觀察和商業效應

人們不僅進行了大量建造反重力設備的嘗試，而且還在科學文獻上發了少量反重力之類效應的文章，但是還沒有一個可以複製的樣品能夠採用。

### 陀螺儀

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陀螺儀在旋轉的時候使得自身「脫離平面」，看上去是在用力將自己舉起以抵抗重力。雖然牛頓模型已經完全證明這個力是虛無的，但是陀螺儀仍然證明反重力設備和許多專利設備發明的可行性。這些設備中沒有一台被證明能在可控條件下工作，還常反而被認為是陰謀。一個著名的案例就來自於倫敦帝國大學的埃里克·萊思韋特教授，該案例1974年在英國皇家研究所被公布出來。

或許最有知名的例子是提供給通用電氣公司的一系列專利，收到這些專利的是位於費城的重返系統研究所和通用電氣的航太工程師亨利·威廉·沃雷思，他所在的公司位於賓夕法尼亞州瓦利福奇村。他建造了一些設備，包括可以高速旋轉的「黃銅」碟，這種碟主要由一個帶有完整半整數自旋核的材料製成。他聲稱由這種材料製成的高速旋轉的碟子中，自旋核將成為一條直線，從而產生出「重引力」場,大致類似於巴尼特效應產生的磁場。這些設備沒有獨立的測試或公開示範。

哈雅薩卡和特克奇曾經報告但是尼奇克和維馬斯卻在測驗中得出否定的結論。幾年後，又有要求進行深入驗證的建議出現。

1989年，據報導，重力會在右旋陀螺儀的軸向上減小。但是一年後的測驗中得到零結果。1999年AIP會議建議進行進一步的測試。

### 托馬斯·湯森德·布朗的反重力器

1921年，仍在上高中的托馬斯·湯森·布朗發現高電壓庫利奇管在平衡規模的方向似乎能決定它質量的改變。在20世紀20年代，布朗製造了一台名為「反重力器」的裝置。他聲稱將高壓電加在高電容率的材料（基本上是大電容）上後，就有一種未知力量會產生反重力效應。雖然他一直聲稱這個操作過程沒有使用工作質量，但是他還是在這方面受到了公開的指責。布朗在以後的幾年匯中繼續他的工作並製造了一系列的更加成功的高壓設備。

不管早期的這些批評，今天不依靠反應物的推進方式正在得到認可，別費爾德-布朗效應仍然使得人們對追求更好太空推進技術存有興趣。1956年，一份分析報告聲稱別費爾德-布朗效應被歸於電子重力學的範疇。這份分析報告來自重力研究小組和一名匿名作者，匿名作者的筆名是「英特爾」，在英特吾娜雜誌社工作。電子重力學是一個初級理論，在20世紀50年代很多從事航空宇航的公司進行過重力研究，也測試過這個理論。但是需要注意的是「英特爾」是一個筆名，其本人可能不是一個可靠的目擊者。

電子重力學和離子起重機都是飛碟學裡面很流行的研究主題。離子起重機需要氣體（離子風）的參與，並且用不到新的物理知識。但是布朗專門在真空中測試了他的不對稱電容器，還得了支持自己說法的結果。另外，實驗員在進行離子起重機實驗時一般都會盡力減少（被抬舉物體的）質量，而布朗強調高密度和高電容率是使他的「反重力器」取得更好成績的因素。

### 重力電子耦合

1995年，俄羅斯研究員尤金·博德克勒洛夫聲稱發現了快速旋轉的超導體降低了重力效應。很多研究人員試圖重複博德克勒洛夫的實驗，但是都沒有成功。

1989年，阿拉巴馬大學亨茨維爾分校的李寧理論上證明了一個不定常的磁場如何讓超導體中的格構離子旋轉，從而產生可探測的重力電場和重力磁場，1991和1993年，系列論文發表。1999年，李寧和她的團隊在《大眾機械》上聲稱他們已經構思好了一個可以產生她所謂的「AC重力」的藍圖。然而還沒有更進一步的證據證明這個藍圖的可行性。

## 參考文獻

- Cady, W. M. (1952, September 15). "Thomas Townsend Brown: Electro-Gravity Device" (File 24-185). Pasadena, CA: Office of Naval Research. Public access to the report was authorized on October 1, 1952.
- Li, N., & Torr, D. (1991). Physical Review, 43D, 457.
- Li, N., & Torr, D. (1992a). Physical Review, 46B, 5489.
- Li, N., & Torr, D. (1992b). Bulletin of the American Physical Society, 37, 441.

## 參閱

- 反物質之間的引力效應
- 人工重力
- 巴克哈德·海姆
- 異常物質
- 海姆理論
- 哈奇森效應
- 迪安引擎
- 陀螺引擎在科學幻想小說中的詹姆斯·布利許
- 靜電漂浮
- 磁力漂浮
- Apergy
- Mitre公司
- 李寧
- 尤金·波德克萊特諾夫

## 外部連結

- Responding to Mechanical Antigravity, a NASA paper debunking a wide variety of gyroscopic (and related) devices
- History of Antigravity and many significant contributors, scientists, and resources.