Чтобы достичь другой звезды за приемлемое время, потребуется нечто гораздо более мощное, чем химические ракеты. Одна из ведущих идей — солнечный парус, большая отражающая структура, которую может разгонять свет. Если направить на такой парус мощные лазеры, он может разогнаться до скоростей, недостижимых для современных двигателей. Однако есть неожиданная проблема. Когда парус достигает значительной доли скорости света, тот же свет, который его толкает, может начать его тормозить. К такому выводу пришли исследователи из Харбинского технологического института.
Как свет толкает парус
Исследователи разделяют силы, создаваемые фотонами, на три категории. Основной вклад даёт падающий свет — импульс фотонов, ударяющих в парус. Затем идёт зеркальное отражение — импульс, передаваемый при идеальном отскоке фотонов. Самый слабый вклад — диффузное рассеяние — импульс от фотонов, которые поглощаются парусом и переизлучаются в случайных направлениях. На относительно низких скоростях все эти эффекты толкают парус вперёд. Но ситуация становится гораздо сложнее на релятивистских скоростях.
Эффект Доплера ослабляет толчок
Когда парус удаляется от источника лазера, свет, достигающий его, испытывает всё более сильное доплеровское смещение. Частота падающего света уменьшается, снижая мощность всех трёх компонентов. В результате ускорение становится всё менее эффективным. Чем быстрее движется парус, тем труднее лазеру продолжать увеличивать его скорость.
Когда рассеянный свет начинает создавать сопротивление
Ситуация меняется ещё более радикально, когда парус достигает примерно 75 процентов скорости света. На этой скорости релятивистская аберрация света становится значительной. С точки зрения неподвижного наблюдателя на Земле, диффузно рассеянный свет начинает направляться вперёд, по направлению движения паруса. Поскольку каждое действие имеет равное и противоположное противодействие, это излучение создаёт силу, направленную назад. Это означает, что диффузное рассеяние — хотя и самый слабый из трёх эффектов — начинает действовать как сопротивление, когда парус превышает примерно 75 процентов скорости света. Лазер по-прежнему толкает парус вперёд, так что суммарная сила не становится отрицательной. Однако эффективность двигательной системы значительно падает.
Реальные паруса столкнутся с ещё большими проблемами
Исследование сосредоточено на радиационной динамике. Оно не учитывает нерадиационные эффекты — столкновения и сопротивление от межзвёздного газа и пыли. Также не учтены тепловые ограничения реальных материалов. Парус, подвергающийся воздействию мощного лазера, может перегреться и даже расплавиться. Для простоты исследователи моделируют парус как идеальное зеркало. Настоящий космический аппарат, вероятно, будет использовать гораздо более сложные материалы. Инженеры уже исследуют метаматериалы и фотонные кристаллы, оптимизированные для конкретных лазерных длин волн. В принципе, такие материалы могли бы даже использовать описанные эффекты аберрации, чтобы автоматически корректировать ориентацию и стабилизировать траекторию паруса, удерживая его в центре лазерного луча.
Дорога к межзвёздному полёту ещё очень длинна. Пересечение межзвёздных расстояний добавляет множество дополнительных сложностей, включая искривление пространства-времени, которое исследователи также опустили. Но понимание этих высокоскоростных эффектов — важная часть пути к созданию такого аппарата. Если человечество когда-нибудь отправит зонд к другой звезде, инженерам потребуется детальное понимание каждой силы, которая может повлиять на его путешествие. Даже такой, как сопротивление от света, который должен был толкать его вперёд. И, возможно, именно это понимание станет ключом к тому, чтобы преодолеть барьер, о котором мы даже не подозревали. Или, наоборот, откроет новые возможности. Которые мы пока не можем предвидеть. Но которые, возможно, уже ждут нас за пределами нашей Солнечной системы. Или, по крайней мере, за пределами нашего понимания. Которое, как и скорость света, имеет свой предел. И который, возможно, мы только начинаем осознавать.
