Kan vi bruke kraftige lys til å drive romfartøy med lysets hastighet?

Å reise gjennom rommet med lysets hastighet krever mer enn bare Newtons tredje lov. Pixabay

Redaktørens notat 28/10 : Det opprinnelige svaret på spørsmålet i denne historien var feil. Vi beklager feilen, og vi har oppdatert svaret deretter.

Hver uke leser leserne av vårt romfartsnyhetsbrev, Luftslusen , send inn spørsmålene deres som romreporter Neel V. Patel kan svare på. Denne uken: reise i lyshastighet.

Leserspørsmål

Her er et spørsmål jeg har hatt siden barndommen. Hvorfor bruker vi ikke Newtons tredje bevegelseslov (hver handling har en lik og motsatt reaksjon) for å hjelpe oss å reise gjennom verdensrommet med lysets hastighet? Bare bruk kraftige lys som fremdriftssystem for rakettene våre – siden fotoner beveger seg med lyshastighet, må vi skyves i motsatt retning med samme hastighet. Hvorfor fungerer ikke dette? –– Kiran

Neels svar

For å svare på dette spørsmålet, la oss ta et skritt tilbake. Du sier riktig at Newtons tredje lov sier at hver handling har en lik og motsatt reaksjon. En annen måte å uttrykke dette på er å si det momentum er bevart . I Newtons mekanikk er momentum produktet av masse og hastighet. En tung gjenstand som beveger seg sakte har mye fart, og det samme gjør en lett gjenstand som beveger seg raskt. Dette betyr imidlertid ikke at alle de involverte hastighetene avbryter. Når en pistol skyter, for eksempel, er det en rekyl, men fordi pistolen er mer massiv enn kulen, er rekylen mye langsommere enn kulens hastighet.

Fotoner, lyspartiklene, har ingen masse, men paradoksalt nok har de fortsatt fart. Momentumet til et foton er omvendt proporsjonalt med dets bølgelengde. Fotoner med lengre bølgelengde, som radiobølger, har mindre momentum, mens fotoner med kortere bølgelengde, som synlig lys eller røntgenstråler, har mer momentum.

Så ja, i prinsippet kan du drive et romfartøy ved å skyte et kraftig lys ut baksiden.

Men momentumet til hvert foton er veldig, veldig lite. (Det er et tall som kalles Plancks konstant, som er liten, delt på fotonets bølgelengde.) Du vil trenge en hel masse fotoner.

Dette har ikke stoppet fysikere og ingeniører fra å tenke på utformingen av en slik fotonrakett. Dette 1960 papir er det eldste sammendraget vi kunne finne. Paul Glister gir en god oversikt over denne historien her . Ideen ville være å bære anti-materie på romskipet ditt. Når materie og antimaterie kombineres, frigjøres en enorm mengde energi i form av fotoner. Hvis du kunne lede disse fotonene i én retning, ville du ha en fotonrakett, som virkelig ville vært en fantastisk måte å komme seg rundt i verdensrommet. Du vil ikke reise med lysets hastighet, men du kan komme opp i høye hastigheter veldig raskt.

Men det er noen problemer med denne ideen: For det første er det veldig vanskelig å lage og lagre antimaterie. Bare små mengder er laget, og det er ingen praktisk måte å lagre det ombord på et romfartøy for øyeblikket. Og selv om du kunne komme opp med en haug med antimaterie, med dagens teknologi, ville det fortsatt være omtrent umulig å styre fotonene som skapes i en bestemt retning. Du vil sannsynligvis bare drepe deg selv i en strålingsflamme.

Det betyr ikke at det er utelukket å bruke lys til fremdrift i verdensrommet. Men å dra nytte av momentumet som produseres av lys krever å tenke nytt om utformingen av romfartøyet ditt. I stedet for å lage lyset selv, reflekter i stedet lyset som skinner mot romfartøyet ditt, enten det kommer fra solen eller fra en kunstig kilde, som en laser rettet mot romfartøyet ditt fra jorden.

Dette er prinsippet bak solseil, som er avhengig av reflektert sollys. Trikset er å bruke et materiale som er ekstremt lett og reflekterende. Når lys treffer og spretter av dette materialet, gir det fart til det. Hvis lyset ikke er veldig sterkt, produserer dette bare en liten mengde kraft. Men fordi du ikke trenger å bære drivstoff med deg, kan akselerasjonen forårsaket av den kraften akkumuleres over tid. Dette gjør solseil (og laser- eller maserseil) ekstremt tiltalende.

En håndfull av solseil har blitt testet i verdensrommet, av NASA, den japanske romfartsorganisasjonen og Planetary Society, en privat gruppe. Hvis du kan lage svært reflekterende materialer, kan du utsette seilene dine for høyere energier, enten ved å plassere dem nær solen eller skinne veldig kraftige lasere mot dem. (Hvis materialet ikke er veldig reflekterende, vil sterkt lys, enten det er naturlig eller kunstig, bare smelte det.) Det er ideen bak ambisiøse prosjekter som Starshot som søker å bruke en laser på jorden for å akselerere bittesmå, lette, reflekterende romfartøyer til et mye som ti prosent av lysets hastighet.

Du tar altså ikke helt feil når du tenker på lys som en potensiell form for fremdrift. Det er bare det at du sannsynligvis ikke ville generere lyset på selve romskipet.

For å se våre leserspørsmål først, sørg for at du registrerer deg for The Airlock her. Det er gratis – og det sendes ut hver onsdag.

gjemme seg