Vai mēs varam izmantot spēcīgas gaismas, lai virzītu kosmosa kuģi ar gaismas ātrumu?

Lai ceļotu pa kosmosu ar gaismas ātrumu, ir nepieciešams vairāk nekā tikai Ņūtona trešais likums. Pixabay

Redaktora piezīme 28.10 : Sākotnējā atbilde uz šajā stāstā uzdoto jautājumu bija nepareiza. Mēs nožēlojam kļūdu un esam attiecīgi atjauninājuši atbildi.

Katru nedēļu mūsu kosmosa biļetena lasītāji, Gaisa slūza , nosūtiet savus jautājumus, lai atbildētu kosmosa reportieris Nīls V. Patels. Šonedēļ: vieglā ātruma ceļojumi.

Lasītāja jautājums

Šis ir jautājums, kas man ir bijis kopš bērnības. Kāpēc mēs neizmantojam Ņūtona Trešo kustības likumu (katrai darbībai ir vienāda un pretēja reakcija), lai palīdzētu mums pārvietoties telpā ar gaismas ātrumu? Vienkārši izmantojiet jaudīgas gaismas kā mūsu raķešu piedziņas sistēmu — tā kā fotoni pārvietojas gaismas ātrumā, mums ir jābūt stumtam pretējā virzienā ar tādu pašu ātrumu. Kāpēc tas nedarbojas? –– Kirans

Nīla atbilde

Lai atbildētu uz šo jautājumu, spersim soli atpakaļ. Jūs pareizi sakāt, ka Ņūtona trešais likums nosaka, ka katrai darbībai ir vienāda un pretēja reakcija. Vēl viens veids, kā to izteikt, ir tā teikt impulss tiek saglabāts . Ņūtona mehānikā impulss ir masas un ātruma reizinājums. Smagam priekšmetam, kas kustas lēni, ir liels impulss, tāpat arī vieglam objektam, kas kustas ātri. Tomēr tas nenozīmē, ka visi iesaistītie ātrumi tiek atcelti. Kad, piemēram, šauj ierocis, notiek atsitiens, bet, tā kā lielgabals ir masīvāks par lodi, atsitiens ir daudz lēnāks nekā lodes ātrums.

Fotoniem, gaismas daļiņām, nav masas, bet paradoksālā kārtā tiem joprojām ir impulss. Fotona impulss ir apgriezti proporcionāls tā viļņa garumam. Garāka viļņa garuma fotoniem, piemēram, radioviļņiem, ir mazāks impulss, savukārt īsāka viļņa garuma fotoniem, piemēram, redzamajai gaismai vai rentgena stariem, ir lielāks impulss.

Tātad, jā, principā jūs varat virzīt kosmosa kuģi, izšaujot spēcīgu gaismu no aizmugures.

Bet katra fotona impulss ir ļoti, ļoti mazs. (Tas ir skaitlis, ko sauc par Planka konstanti, kas ir niecīga, dalīta ar fotona viļņa garumu.) Jums būs nepieciešams daudz fotonu.

Tas nav atturējis fiziķus un inženierus prātot par šādas fotonu raķetes dizainu. Šis 1960. gada papīrs ir vecākais kopsavilkums, ko varējām atrast. Pols Glisters sniedz labu pārskatu par šo vēsturi šeit . Ideja būtu pārvadāt antimatēriju savā kosmosa kuģī. Kad matērija un antiviela apvienojas, fotonu veidā izdalās milzīgs enerģijas daudzums. Ja jūs varētu virzīt šos fotonus vienā virzienā, jums būtu fotonu raķete, kas patiešām būtu lielisks veids, kā pārvietoties kosmosā. Jūs nepārvietotos ar gaismas ātrumu, bet jūs varētu ļoti ātri sasniegt lielu ātrumu.

Taču šai idejai ir dažas problēmas: pirmkārt, ir ļoti grūti izveidot un uzglabāt antimateriālu. Ir izveidoti tikai nelieli daudzumi, un pašlaik nav praktiska veida, kā to uzglabāt kosmosa kuģī. Un pat tad, ja jūs varētu izdomāt virkni antimatērijas, izmantojot mūsdienu tehnoloģijas, tik un tā būtu gandrīz neiespējami vadīt radītos fotonus noteiktā virzienā. Jūs, iespējams, vienkārši nogalinātu sevi starojuma liesmās.

Tas nenozīmē, ka gaismas izmantošana dzinējspēkam kosmosā ir izslēgta. Taču, lai izmantotu gaismas radīto impulsu, ir jāpārdomā kosmosa kuģa dizains. Tā vietā, lai radītu gaismu pats, atspoguļojiet gaismu, kas tiek spīdēta uz jūsu kosmosa kuģi neatkarīgi no tā, vai tā ir no saules vai mākslīga avota, piemēram, lāzers, kas vērsts uz jūsu kosmosa kuģi no Zemes.

Šis ir saules buru princips, kas balstās uz atstaroto saules gaismu. Viltība ir izmantot materiālu, kas ir īpaši viegls un atstarojošs. Kad gaisma sitas un atlec no šī materiāla, tas piešķir tam impulsu. Ja gaisma nav ļoti spilgta, tas rada tikai nelielu spēku. Bet, tā kā jums nav jānēsā līdzi degviela, šī spēka radītais paātrinājums laika gaitā var uzkrāties. Tas padara saules buras (un lāzera vai maser buras) ārkārtīgi pievilcīgas.

Saujiņa no saules buras NASA, Japānas Kosmosa aģentūra un privāta grupa Planetary Society ir pārbaudījusi kosmosā. Ja jūs varat izveidot ļoti atstarojošus materiālus, varat pakļaut savas buras augstākām enerģijām, vai nu novietojot tās tuvu saulei, vai apstarojot tās ar ļoti jaudīgiem lāzeriem. (Ja materiāls nav īpaši atstarojošs, spilgta gaisma, neatkarīgi no tā, vai tā ir dabiska vai mākslīga, to vienkārši izkausētu.) Tā ir ideja par tādiem vērienīgiem projektiem kā Starshot, kuru mērķis ir izmantot lāzeru uz Zemes, lai paātrinātu mazu, vieglu, atstarojošu kosmosa kuģu darbību. pat desmit procentus no gaismas ātruma.

Tātad jūs neesat pilnīgi nepareizi, domājot par gaismu kā potenciālu dzinējspēka veidu. Vienkārši jūs, iespējams, neradītu gaismu uz paša kosmosa kuģa.

Lai vispirms redzētu mūsu lasītāju jautājumus, noteikti reģistrējieties pakalpojumam The Airlock šeit. Tas ir bezmaksas, un tas tiek izsūtīts katru trešdienu.

paslēpties