Kan vi bruge kraftige lys til at fremdrive rumfartøjer med lysets hastighed?

At rejse gennem rummet med lysets hastighed kræver mere end blot Newtons tredje lov. Pixabay

Redaktørens notat 28/10 : Det originale svar på spørgsmålet i denne historie var forkert. Vi beklager fejlen, og vi har opdateret svaret i overensstemmelse hermed.

Hver uge læser vores rumnyhedsbrev, Luftslusen , send deres spørgsmål ind, som rumreporter Neel V. Patel kan svare på. Denne uge: rejse med let hastighed.

Læserspørgsmål

Her er et spørgsmål, jeg har haft siden barndommen. Hvorfor bruger vi ikke Newtons tredje bevægelseslov (hver handling har en lige og modsat reaktion) til at hjælpe os med at rejse gennem rummet med lysets hastighed? Brug blot kraftige lys som vores fremdriftssystem til vores raketter – da fotoner bevæger sig med lyshastighed, skal vi skubbes i den modsatte retning med samme hastighed. Hvorfor virker dette ikke? –– Kiran

Neels svar

For at besvare dette spørgsmål, lad os tage et skridt tilbage. Du siger korrekt, at Newtons tredje lov siger, at enhver handling har en lige og modsat reaktion. En anden måde at udtrykke dette på er at sige det momentum bevares . I Newtons mekanik er momentum produktet af masse og hastighed. En tung genstand, der bevæger sig langsomt, har meget momentum, og det samme gør en let genstand, der bevæger sig hurtigt. Dette betyder dog ikke, at alle de involverede hastigheder annullerer. Når en pistol affyrer, for eksempel, er der et rekyl, men fordi pistolen er mere massiv end kuglen, er rekylen meget langsommere end kuglens hastighed.

Fotoner, lysets partikler, har ingen masse, men paradoksalt nok har de stadig momentum. En fotons momentum er omvendt proportional med dens bølgelængde. Længere bølgelængde fotoner, ligesom radiobølger, har mindre momentum, mens kortere bølgelængde fotoner, som synligt lys eller røntgenstråler, har mere momentum.

Så ja, i princippet kan du fremdrive et rumfartøj ved at skyde et kraftigt lys ud bagved.

Men fremdriften af ​​hver foton er meget, meget lille. (Det er et tal kaldet Plancks konstant, som er lille, divideret med fotonens bølgelængde.) Du ville have brug for en hel masse fotoner.

Dette har ikke stoppet fysikere og ingeniører fra at overveje designet af sådan en fotonraket. Det her 1960 papir er den ældste oversigt, vi kunne finde. Paul Glister giver et godt overblik over denne historie her . Ideen ville være at bære anti-stof på dit rumskib. Når stof og antistof kombineres, frigives en enorm mængde energi i form af fotoner. Hvis du kunne guide disse fotoner i én retning, ville du have en fotonraket, hvilket i sandhed ville være en fantastisk måde at komme rundt i rummet på. Du ville ikke rejse med lysets hastighed, men du kunne komme op på høje hastigheder meget hurtigt.

Men der er et par problemer med denne idé: For det første er det meget svært at skabe og opbevare antistof. Kun minimale mængder er blevet skabt, og der er ingen praktisk måde at opbevare det ombord på et rumfartøj på nuværende tidspunkt. Og selvom man kunne finde på en masse antistof, med nutidens teknologi, ville det stadig være næsten umuligt at styre de fotoner, der skabes i en bestemt retning. Du ville sandsynligvis bare dræbe dig selv i en strålingsflamme.

Det betyder ikke, at det er udelukket at bruge lys til fremdrift i rummet. Men at drage fordel af det momentum, der frembringes af lys, kræver at man gentænker designet af dit rumfartøj. I stedet for at skabe lyset selv, reflekter i stedet lys, der skinner mod dit rumfartøj, uanset om det kommer fra solen eller fra en kunstig kilde, som en laser, der peger mod dit rumfartøj fra Jorden.

Dette er princippet bag solsejl, som er afhængige af reflekteret sollys. Tricket er at bruge et materiale, der er ekstremt let og reflekterende. Når lys rammer og preller af dette materiale, giver det momentum til det. Hvis lyset ikke er særlig stærkt, producerer dette kun en lille mængde kraft. Men fordi du ikke behøver at bære brændstof med dig, kan accelerationen forårsaget af denne kraft akkumuleres over tid. Dette gør solsejl (og laser- eller maser-sejl) yderst tiltalende.

En håndfuld solsejl er blevet testet i rummet af NASA, den japanske rumfartsorganisation og Planetary Society, en privat gruppe. Hvis du kan skabe meget reflekterende materialer, så kan du udsætte dine sejl for højere energier, enten ved at placere dem tæt på solen eller ved at skinne meget kraftige lasere mod dem. (Hvis materialet ikke er meget reflekterende, ville skarpt lys, hvad enten det er naturligt eller kunstigt, bare smelte det.) Det er ideen bag ambitiøse projekter som Starshot, der søger at bruge en laser på Jorden til at accelerere små, lette, reflekterende rumfartøjer til at meget som ti procent af lysets hastighed.

Du tager altså ikke helt fejl, når du tænker på lys som en potentiel form for fremdrift. Det er bare, at du sandsynligvis ikke ville generere lyset på selve rumskibet.

For at se vores læserspørgsmål først, skal du sørge for at tilmelde dig The Airlock her. Det er gratis - og det sendes ud hver onsdag.

skjule