Китайские учёные выявили физические ограничения для разгона космических зондов с помощью светового паруса, сообщается в исследовании Харбинского технологического института. Согласно расчётам, при движении на околосветовых скоростях эффективность передачи импульса от света к парусу резко падает, а один из механизмов толкания превращается в торможение. Это открытие ставит под вопрос перспективы использования простых световых парусов для межзвёздных путешествий.
Световой парус — одна из самых многообещающих технологий для разгона космических аппаратов до скоростей, измеряемых долями скорости света. Идея проста: гигантское зеркало, на которое с Земли или из космоса направляют мощный лазерный луч. Фотоны (частицы света) ударяются о зеркало и передают ему свой импульс, постепенно разгоняя парус с прикреплённым зондом до огромных скоростей. Теоретически, такой аппарат мог бы достичь ближайших звёзд за десятилетия, а не за тысячи лет.
Три способа, как свет толкает парус
Согласно исследованию, свет воздействует на парус тремя способами. Первый — прямая передача импульса от фотонов к парусу, когда частицы света буквально «врезаются» в поверхность. Второй — отражение: фотоны отскакивают от зеркальной поверхности, передавая ей двойной импульс (как теннисный мяч, отскакивающий от ракетки). Третий — диффузное рассеяние: фотон поглощается материалом паруса, а затем переизлучается в произвольном направлении.
Наибольший вклад в разгон даёт прямой импульс. Меньший — отражение. А рассеяние, как выяснили учёные, при достижении определённой скорости превращается из движущей силы в тормозящую.
Красное смещение и потеря тяги
Проблема номер два — эффект Доплера. Когда парус разгоняется до околосветовых скоростей, свет от лазера, который толкает его сзади, начинает смещаться в красную область спектра. Это явление аналогично тому, как сирена приближающейся машины звучит выше, а удаляющейся — ниже. Для света это означает, что частота излучения падает, а энергия фотонов уменьшается. Соответственно, ослабевают и все три механизма передачи импульса.
Фотоны разворачиваются назад
Но самое неприятное открытие ждало учёных при анализе диффузного рассеяния. При достижении скорости в семьдесят пять процентов от скорости света этот механизм начинает не толкать парус вперёд, а тормозить его. Причина в том, что при таких скоростях частицы света преимущественно рассеиваются вперёд — по направлению полёта паруса. Представьте, что вы бежите вперёд, а кто-то бросает вам в спину теннисные мячики, которые, ударившись, отскакивают от вас вперёд же. Они будут не ускорять вас, а замедлять. То же самое происходит с фотонами на околосветовых скоростях.
Вывод: простые зеркала не годятся
Таким образом, эффективный разгон с помощью светового паруса возможен только на начальном этапе, пока скорость не превысила некоторого порога. Дальше парус начинает терять эффективность, а потом и вовсе тормозится собственным рассеянием света. Учёные приходят к выводу, что будущие световые паруса должны быть не простыми зеркальными плёнками, которые использовались в первых экспериментах, а сложными фотонными структурами — метаматериалами (искусственными материалами с необычными электромагнитными свойствами) или фотонными кристаллами (структурами с периодическим изменением диэлектрической проницаемости), настроенными под определённые длины волн и режимы движения.
Чего не учли
Исследование пока не учитывает два важных фактора: искривление пространства-времени, которое становится существенным на околосветовых скоростях, и межзвёздную пыль. Столкновения даже с микроскопическими частицами на таких скоростях могут разрушить парус, и это отдельная большая проблема. Но даже без них, как показывает работа китайских учёных, у простого светового паруса есть фундаментальный физический потолок.
Значит ли это, что межзвёздные зонды на световых парусах невозможны? Нет, не значит. Но они будут устроены гораздо сложнее, чем гигантское зеркало. Им потребуются «умные» поверхности, способные управлять рассеянием фотонов и компенсировать эффект Доплера. Возможно, такие паруса будут не гладкими, а рифлёными, не однородными, а слоистыми. И возможно, их разгон будет происходить не непрерывно, а импульсами, с паузами для перенастройки. Природа редко даёт простые решения. Но она даёт возможность их найти — если достаточно хорошо понять её законы.
