Многие слышали об альтернативном способе ускорения космических кораблей, как солнечный парус. Смысл в том, что космический корабль разворачивает парус, для использования давление солнечного света для создания тяги, так же как обычные парусники используют давление ветра.
От нескольких читателей я получил вопросы о таких парусах и главный момент, который вызывает вопросы, это то, как фотоны могут давить на парус, ведь они не имеют массы. Давайте разбираться в этом вместе.
Первым идею о том, что свет может оказывать давление высказал в 17-м веке Иоганн Кеплер: на эту мысль его навело отклонение хвостов проходящих рядом с Солнцем комет. В 19-м веке Джеймс Клерк Максвелл создал теоретическое объяснение давления света, а затем давление света было изучено в ходе опытов русским физиком Петром Лебедевым.
Ветры давящие на паруса обычных кораблей передают парусу импульс, но если мы загуглим определение импульса, то легко заметим, что импульс — это произведение массы и скорости. Стало быть как свет может передать импульс, если у него нет массы?
В ньютонианской физике давление света и световые паруса невозможны. Хорошая новость в том, что ньютонианская физика имеет ограниченную область применения и поэтому все-таки световые паруса работают. Кстати в 2010-м году космический корабль на солнечном парусе IKAROS достиг Венеры. Ответ на вопрос как же свет может передавать импульс лежит в специальной теории относительности.
В теории относительности физические величины, такие как импульс, скорость и т.д. представлены векторами в четырёхмерном пространстве Минковского, они называются 4-импульс, 4-скорость и т.п. Использование этих векторов крайне удобно для релятивистских расчётов, так как они инвариантны при переходе из одной системы отсчёта в другую (см. Лоренц-ковариантность).
То, как изменяется 4-импульс в ходе лоренцовых преобразований при переходе от одной системы отсчёта к другой демонстрирует, что импульс неразрывно связан с энергией.
Аналогично тому, как пространство и время в теории относительности рассматриваются как одна сущность: «пространство-время», так же объединяются энергия и импульс.
Следствием этого является то, что разные наблюдатели могут трактовать энергию и импульс объекта по разному. То, что с точки зрения одного наблюдателя является энергией может восприниматься другим, как энергия и импульс и наоборот. Независимо от системы отсчёта наблюдателя взаимосвязь импульса и энергии определяется следующим соотношением:
Если в формулу выше подставить массу фотона — ноль, то окажется, что фотон все же имеет импульс, который можно выразить как:
Поэтому при столкновении фотона с парусом он, согласно закону сохранения импульса, передаёт ему свой импульс или, иными словами, оказывает давление.
Сколько же нужно света, чтобы придать ускорение космическому кораблю?
Один фотон имеет совсем маленький импульс. Энергия фотона зависит от частоты света. Легко посчитать, что к примеру один фотон в луче монохроматического света с частотой 5*10¹⁴ Герц создаст импульс равный примерно 1.11 * 10⁻²⁷ кг * м /с. К счастью Солнце испускает огромное количество фотонов, т.е. чтобы создать тягу в 10 ньютонов на поверхность паруса должно будет падать примерно 9 * 10²⁷ фотонов в секунду.
Ставьте палец вверх, чтобы видеть в своей ленте больше статей о космосе и науке!
Подписывайтесь на мой канал здесь, а также на мой канал на youtube. Каждую неделю там выходят видео, где я отвечаю на вопросы о космосе, физике, футурологии и многом другом!