Můžeme použít výkonná světla k pohonu kosmických lodí rychlostí světla?

Cestování vesmírem rychlostí světla vyžaduje více než jen třetí Newtonův zákon. Pixabay

Poznámka redakce 28. 10 : Původní odpověď na otázku položenou v tomto příběhu byla nesprávná. Omlouváme se za chybu a odpovídajícím způsobem jsme aktualizovali odpověď.

Každý týden čtenáři našeho vesmírného zpravodaje, Přechodová komora , pošlete své otázky, aby na ně odpověděl kosmický reportér Neel V. Patel. Tento týden: cestování rychlostí světla.

Otázka čtenáře

Tady je otázka, kterou si kladu od dětství. Proč nepoužijeme třetí Newtonův pohybový zákon (každá akce má stejnou a opačnou reakci), aby nám pomohl cestovat vesmírem rychlostí světla? Jednoduše použijte výkonná světla jako náš pohonný systém pro naše rakety – protože fotony se pohybují rychlostí světla, musíme být stejnou rychlostí tlačeni opačným směrem. proč to nefunguje? –– Kiran

Neelova odpověď

Abychom na tuto otázku odpověděli, udělejme krok zpět. Správně říkáte, že třetí Newtonův zákon říká, že každá akce má stejnou a opačnou reakci. Jiný způsob, jak to vyjádřit, je říci to hybnost je zachována . V Newtonově mechanice je hybnost součinem hmotnosti a rychlosti. Těžký předmět pohybující se pomalu má velkou hybnost, stejně jako lehký objekt se pohybuje rychle. To však neznamená, že se všechny zahrnuté rychlosti zruší. Když například vystřelí zbraň, dojde k zpětnému rázu, ale protože je zbraň masivnější než kulka, je zpětný ráz mnohem pomalejší než rychlost kulky.

Fotony, částice světla, nemají žádnou hmotnost, ale paradoxně stále mají hybnost. Hybnost fotonu je nepřímo úměrná jeho vlnové délce. Fotony s delší vlnovou délkou, jako rádiové vlny, mají menší hybnost, zatímco fotony s kratší vlnovou délkou, jako je viditelné světlo nebo rentgenové záření, mají větší hybnost.

Takže ano, v zásadě můžete kosmickou loď pohánět vystřelením silného světla zezadu.

Ale hybnost každého fotonu je velmi, velmi malá. (Je to číslo zvané Planckova konstanta, které je malé, děleno vlnovou délkou fotonu.) Potřebovali byste spoustu fotonů.

To nezabránilo fyzikům a inženýrům přemýšlet o návrhu takové fotonové rakety. Tento papír z roku 1960 je nejstarší souhrn, který jsme mohli najít. Paul Glister podává dobrý přehled o této historii tady . Cílem by bylo nést antihmotu na vaší vesmírné lodi. Při spojení hmoty a antihmoty se uvolňuje obrovské množství energie ve formě fotonů. Pokud byste mohli vést tyto fotony jedním směrem, měli byste fotonovou raketu, což by byl skutečně skvělý způsob, jak se pohybovat ve vesmíru. Necestovali byste rychlostí světla, ale mohli byste se velmi rychle dostat do vysokých rychlostí.

Ale s touto myšlenkou je několik problémů: za prvé je velmi obtížné vytvořit a uložit antihmotu. Bylo vytvořeno pouze nepatrné množství a v současné době neexistuje žádný praktický způsob, jak jej uložit na palubu kosmické lodi. A i kdybyste mohli přijít s hromadou antihmoty, pomocí současné technologie by bylo stále téměř nemožné nasměrovat vytvořené fotony určitým směrem. Pravděpodobně byste se jen zabili v plameni radiace.

To neznamená, že použití světla pro pohon ve vesmíru je vyloučeno. Ale využití hybnosti vytvářené světlem vyžaduje přehodnocení designu vaší kosmické lodi. Místo toho, abyste světlo vytvářeli sami, místo toho odrážejte světlo, které svítí na vaši kosmickou loď, ať už ze slunce nebo z umělého zdroje, jako laser namířený na vaši kosmickou loď ze Země.

To je princip solárních plachet, které se spoléhají na odražené sluneční světlo. Trik spočívá v použití materiálu, který je extrémně lehký a reflexní. Když světlo dopadá na tento materiál a odráží se od něj, dodává mu hybnost. Pokud světlo není příliš jasné, vytváří to jen nepatrné množství síly. Ale protože s sebou nemusíte vozit palivo, zrychlení způsobené touto silou se může časem akumulovat. Díky tomu jsou solární plachty (a laserové nebo maserové plachty) extrémně přitažlivé.

Hrst solární plachty byly testovány ve vesmíru NASA, Japonskou kosmickou agenturou a soukromou skupinou Planetary Society. Pokud dokážete vytvořit vysoce reflexní materiály, můžete své plachty podrobit vyšším energiím, ať už je rozmístíte blízko slunce, nebo na ně posvítíte velmi výkonnými lasery. (Pokud materiál není příliš reflexní, jasné světlo, ať už přirozené nebo umělé, by ho prostě roztavilo.) To je myšlenka, která stojí za ambiciózními projekty, jako je Starshot, které se snaží použít laser na Zemi k urychlení malých, lehkých, reflexních kosmických lodí. až deset procent rychlosti světla.

Nemáte tedy úplně pravdu, když uvažujete o světle jako o potenciální formě pohonu. Jen byste pravděpodobně nevygenerovali světlo na samotné vesmírné lodi.

Chcete-li nejprve vidět naše čtenářské otázky, nezapomeňte se zaregistrovat do The Airlock zde . Je to zdarma – a je rozesíláno každou středu.

skrýt