Идея использования солнечного света для приведения в движение космических аппаратов заинтересовала многих. Солнечный парус - это технология, при которой космический корабль раскрывает большой парус, чтобы захватить давление солнечных лучей для создания движущей силы, аналогично тому, как ветер толкает парусные судна.
Читатели часто задают вопросы о солнечных парусах, и одна из главных загадок касается способности безмассовых фотонов оказывать давление на парус. Давайте попробуем понять этот процесс вместе.
Иоганн Кеплер в XVII веке первым высказал предположение о давлении света, заметив, что хвосты комет изменяют направление, проходя мимо Солнца. В XIX веке Джеймс Клерк Максвелл предоставил теоретическое обоснование этого явления, после чего Петр Лебедев экспериментально подтвердил существование давления света.
Вопрос о том, как свет может передавать импульс без массы, становится очевидным, если обратиться к определению импульса, которое утверждает, что импульс - это результат умножения массы на скорость. Так как же действует свет?
По законам ньютоновской физики концепция давления света кажется невозможной, однако ограниченность ньютоновской физики делает эту идею осуществимой, что и подтверждается работой солнечных парусов. В качестве подтверждения - зонд IKAROS успешно достиг Венеры в 2010 году, используя солнечный парус.
В рамках специальной теории относительности Эйнштейна, концепции, такие как импульс и скорость, моделируются через векторы в четырехмерном пространстве Минковского - так называемый 4-импульс и 4-скорость, которые обладают свойством Лоренц-ковариантности и не изменяются при смене системы отсчета.
В соответствии с преобразованиями Лоренца, 4-импульс показывает, что импульс и энергия являются взаимосвязанными, и эта связь сохраняется независимо от точки зрения наблюдателя.
Согласно теории относительности, пространство и время существуют как единое целое - пространство-время, и в этом же контексте энергия и импульс объединяются. Из-за этой взаимосвязи разные наблюдатели могут по-разному интерпретировать энергию и импульс объекта. Отношение между импульсом и энергией для любой системы отсчета выражается следующим образом:
Когда мы принимаем во внимание, что масса фотона равна нулю, мы приходим к выводу, что фотон все равно обладает импульсом, что важно для работы солнечных парусов.
Когда фотон встречается с парусом, он передает ему свой импульс в соответствии с принципом сохранения импульса, тем самым оказывая на него давление. Но какое количество света необходимо для ускорения космического аппарата?
Величина импульса одиночного фотона невелика и зависит от его частоты. Если взять, например, фотон монохроматического света с частотой 5*10¹⁴ Герц, его импульс будет равен приблизительно 1.11 * 10⁻²⁷ килограмм-метров в секунду. Солнце испускает достаточно фотонов для того, чтобы обеспечить значительную тягу. Для создания силы тяги в 10 ньютонов необходимо, чтобы около 9 * 10²⁷ фотонов в секунду падали на парус.
Вы можете поддержать наш проект финансово через Юmoney: 5599002038791291
Ставьте палец вверх, чтобы видеть в своей ленте больше статей о космосе и науке!