Химические ракеты не доставят нас к другим звездам. Они слишком медленные. Поэтому мы рассматриваем сам свет в качестве топлива. Идея элегантна и даже проста: гигантское отражающее полотно, солнечный парус, движимое фотонами. Добавьте мощные лазеры, установленные на Земле, и вы сможете достичь скоростей, на фоне которых обычные космические аппараты будут выглядеть как улитки.
Но есть один нюанс. Странного порядка.
Новая статья Чжао Шэня (Chao Shen) и Цзяцзе Ли (Jiaze Li) из Харбинского технологического университета, опубликованная на arXiv, указывает на неприятный факт. Чем выше ваша скорость, тем сильнее сам источник вашего движения начинает вас тормозить.
Фотоны — это не кирпичи
Чтобы понять природу сопротивления, нужно разобраться, как работает тяга. В статье сила, создаваемая фотонами, разделена на три составляющие:
- Падающий свет. Прямая передача импульса от фотонов, ударяющих о парус.
- Зеркальное отражение. Фотоны, отскакивающие от поверхности чисто и предсказуемо, подобно шарикам в пинболе.
- Диффузное рассеяние. Фотоны, которые поглощаются и затем излучаются обратно в случайных направлениях.
В обычных условиях это помогает вам ускоряться. Но обычные условия перестают работать на релятивистских скоростях. Вы стремительно удаляетесь от своего лазерного источника. Свет, достигающий вашего паруса, растягивается. Это проявление эффекта Доплера: частота падает, энергия снижается.
Чем интенсивнее вы ускоряетесь, тем слабее становится толчок от каждого из этих трех механизмов.
Когда свет превращается в стену
На скорости 75% от скорости света ситуация становится еще страннее.
Вступает в силу явление, называемое релятивистской аберрацией света. Для наблюдателя, стоящего на Земле, свет, который диффузно рассеивается парусом, начинает направляться вперед. Прямо в «лицо» паруса. Закон Ньютона по-прежнему против вас: действуют равные и противоположные реакции. Эта слабая сила диффузного рассеяния превращается в сопротивление.
Активное сопротивление, создаваемое собственным светом двигателя.
Чистая сила, создаваемая основным лазером, все еще остается положительной. Вы продолжаете двигаться вперед. Но эффективность системы катастрофически падает.
Шэнь и Ли рассматривают только радиационную динамику. Они игнорируют пыль межзвездного пространства. Они игнорируют газ. Они игнорируют вопрос, не расплавится ли парус под воздействием мощных лучей, превратившись в лужу дорогого плазмы. Материал паруса в их модели считается идеальным зеркалом.
Которого не существует.
Тем не менее, физика здесь интригует. Инженеры-аэрокосмонавты уже экспериментируют с метаматериалами и фотонными кристаллами, настроенными на определенные длины волн. Можно ли использовать этот эффект аберрации во благо? Возможно, для управления парусом или самовосстановления траектории, чтобы оставаться в центре лазерного луча.
Разрыв между теорией и реальностью
Мы пока не строим такие аппараты. Не по-настоящему. Мы не можем этого сделать. Слишком много переменных, которые мы просто отмели в симуляциях. Например, искривление пространства-времени, которое в этих статьях часто упрощается. Смоделировать полет паруса сквозь галактики непросто.
Но нам нужны эти модели. Каждое уравнение имеет значение. Потому что когда мы наконец примем решение отправить что-то за пределы Солнечной системы по-настоящему, у нас не будет права на ошибки и сюрпризы. Математика должна выдерживать проверку.
Заставляет ли это задуматься: а не слишком ли быстро мы хотим лететь?
Или мы просто включим лазеры на полную мощность и посмотрим, что сгорит?
Тот же самый свет, который разгоняет парус, на высоких скоростях становится значительным источником сопротивления.
Мы разберемся. В конце концов. Во Вселенной много времени.
Источник
Shen C. & Li J. «Relativistic Lightsail Propulsion Dynamics» [Релятивистская динамика тяги светового паруса]. arXiv: 2 июня 2025 г. DOI: 10.487770/arXiv.10448/2024
