Kan vi använda kraftfulla ljus för att driva fram rymdfarkoster med ljusets hastighet?

Att resa genom rymden med ljusets hastighet kräver mer än bara Newtons tredje lag. Pixabay

Redaktörens anmärkning 28/10 : Det ursprungliga svaret på frågan som ställdes i denna berättelse var felaktigt. Vi beklagar felet och vi har uppdaterat svaret därefter.

Varje vecka, läsarna av vårt rymdnyhetsbrev, Luftslussen , skicka in sina frågor för rymdreportern Neel V. Patel att svara. Denna vecka: resor i lätt hastighet.

Läsarfråga

Här är en fråga jag har haft sedan barnsben. Varför använder vi inte Newtons tredje rörelselag (varje handling har en lika och motsatt reaktion) för att hjälpa oss att resa genom rymden med ljusets hastighet? Använd helt enkelt kraftfulla lampor som vårt framdrivningssystem för våra raketer – eftersom fotoner rör sig med ljushastighet måste vi skjutas i motsatt riktning med samma hastighet. Varför fungerar inte detta? –– Kiran

Neels svar

För att svara på denna fråga, låt oss ta ett steg tillbaka. Du säger helt korrekt att Newtons tredje lag säger att varje handling har en lika och motsatt reaktion. Ett annat sätt att uttrycka detta är att säga det momentum bevaras . I Newtons mekanik är momentum produkten av massa och hastighet. Ett tungt föremål som rör sig långsamt har mycket fart, och det gör även ett lätt föremål som rör sig snabbt. Detta betyder dock inte att alla inblandade hastigheter avbryts. När en pistol skjuter, till exempel, finns det en rekyl, men eftersom pistolen är mer massiv än kulan är rekylen mycket långsammare än kulans hastighet.

Fotoner, ljuspartiklarna, har ingen massa, men paradoxalt nog har de fortfarande fart. En fotons rörelsemängd är omvänt proportionell mot dess våglängd. Längre våglängdsfotoner, som radiovågor, har mindre rörelsemängd, medan fotoner med kortare våglängd, som synligt ljus eller röntgenstrålar, har mer rörelsemängd.

Så ja, i princip kan du driva en rymdfarkost genom att skjuta ett kraftfullt ljus bakifrån.

Men rörelsemängden för varje foton är väldigt, väldigt liten. (Det är ett tal som kallas Plancks konstant, som är liten, dividerat med fotonens våglängd.) Du skulle behöva en hel massa fotoner.

Detta har inte hindrat fysiker och ingenjörer från att fundera över designen av en sådan fotonraket. Detta 1960 tidning är den äldsta sammanfattningen vi kunde hitta. Paul Glister ger en bra översikt över denna historia här . Tanken skulle vara att bära antimateria på ditt rymdskepp. När materia och antimateria kombineras frigörs en enorm mängd energi i form av fotoner. Om du kunde styra dessa fotoner i en riktning, skulle du ha en fotonraket, vilket verkligen skulle vara ett fantastiskt sätt att ta sig runt i rymden. Du skulle inte resa med ljusets hastighet, men du kan komma upp i höga hastigheter mycket snabbt.

Men det finns några problem med denna idé: för det första är det väldigt svårt att skapa och lagra antimateria. Endast små mängder har skapats, och det finns inget praktiskt sätt att lagra det ombord på en rymdfarkost för närvarande. Och även om man kunde komma på en massa antimateria, med dagens teknik, skulle det fortfarande vara nästan omöjligt att styra de fotoner som skapas i en viss riktning. Du skulle sannolikt bara ta livet av dig i en flamma av strålning.

Det betyder inte att det är uteslutet att använda ljus för framdrivning i rymden. Men att dra nytta av den fart som skapas av ljus kräver att du omprövar designen av din rymdfarkost. Istället för att skapa ljuset själv, reflektera istället ljus som lyser mot din rymdfarkost, oavsett om det kommer från solen eller från en konstgjord källa, som en laser som pekar mot din rymdfarkost från jorden.

Detta är principen bakom solsegel, som är beroende av reflekterat solljus. Tricket är att använda ett material som är extremt lätt och reflekterande. När ljus träffar och studsar från detta material, ger det fart till det. Om ljuset inte är särskilt starkt, producerar detta bara en liten mängd kraft. Men eftersom du inte behöver bära bränsle med dig, kan accelerationen som orsakas av den kraften ackumuleras med tiden. Detta gör solsegel (och laser- eller masersegel) extremt tilltalande.

En handfull av solsegel har testats i rymden av NASA, den japanska rymdorganisationen och Planetary Society, en privat grupp. Om du kan skapa mycket reflekterande material kan du utsätta dina segel för högre energier, antingen genom att placera dem nära solen eller genom att lysa mycket kraftfulla lasrar mot dem. (Om materialet inte är särskilt reflekterande, skulle starkt ljus, oavsett om det är naturligt eller artificiellt, bara smälta det.) Det är tanken bakom ambitiösa projekt som Starshot som försöker använda en laser på jorden för att accelerera små, lätta, reflekterande rymdskepp till en mycket som tio procent av ljusets hastighet.

Du har alltså inte helt fel när du tänker på ljus som en potentiell form av framdrivning. Det är bara det att du förmodligen inte skulle generera ljuset på själva rymdskeppet.

För att se våra läsarfrågor först, se till att du registrerar dig för The Airlock här. Det är gratis – och det skickas ut varje onsdag.

Dölj