När ljuset vänder sig mot dig

Har du någonsin funderat på vad som händer när själva kraften som driver din rymdfarkost framåt plötsligt börjar arbeta emot dig?

Forskare vid Harbin Institute of Technology har nyligen grävt i just den här frågan. Och ärligt talat – det är en av de upptäckter som får en att inse hur konstig universum egentligen är när man börjar röra sig riktigt, riktigt fort.

Grunden: Så fungerar solsegel

Låt mig börja med att förklara hur solsegel egentligen fungerar, för det är genuint häftigt. Du känner solens värme på huden, eller hur? Jo, den där strålningen bär faktiskt med sig rörelsemängd. När fotoner träffar en yta så trycker de – bara extremt svagt.

Ett solsegel är i grunden en jättestor reflekterande duk, ungefär som en enorm spegel tillverkad av tunnaste möjliga material. När solljus studsar mot den ändrar alla de där fotonerna riktning, och den förändringen skapar en liten knuff. Inte mycket ens för sig, men i rymdens friktionslösa vacuum så växer det på sig med tiden. En rymdfarkost med tillräckligt stort segel kan bygga upp ordentlig fart utan att behöva släpa på något bränsle alls.

Nu blir det lite mer ambitiöst: vissa forskare vill använda kraftfulla lasrar istället för solljus. Genom att rikta extremt fokuserade strålar mot ett ljussegel skulle vi teoretiskt kunna accelerera en liten rymdfarkost till en ansenlig del av ljushastigheten – kanske till och med nå fram till närliggande stjärnor inom en människolivstid istället för att vänta i tusentals år.

Men det finns en hake. Och den är lite konstig.

När ljuset sviker dig

Forskarna upptäckte att ljuset faktiskt trycker på ett segel på tre olika sätt:

För det första har du själva kollisionen när inkommande fotoner träffar seglet – det är den huvudsakliga knuffen. För det andra finns rörelsemängden från ljus som studsar av – perfekt reflektion ger mer knuff än när det studsar huller om buller. Och för det tredje finns något som kallas diffus spridning, där en del ljus absorberas av seglet och sedan återutsänds i slumpmässiga riktningar.

I normala hastigheter hjälper alla tre till att driva dig framåt. Men så fort du börjar komma upp i riktigt höga hastigheter – relativistiska hastigheter – blir det konstigt.

Här är det första problemet: Dopplereffekten. När seglet susar iväg från lasern blir ljuset som når det rödare, alltså dess frekvens sjunker. Det betyder att varje foton har mindre kraft, så knuffen blir svagare. Ju fortare du kör, desto svårare har lasern att hålla dig i acceleration.

Men sedan finns det en andra effekt som börjar spela in runt 75 procent av ljushastigheten. Och det är här det blir riktigt motintuitivt.

Bromsproblemet i hög fart

Vid 75 procent av ljushastigheten blir något som kallas relativistisk ljusaberration viktig. Från vår synpunkt här på jorden börjar det diffust spridda ljuset stråla framåt – mot den riktning seglet färdas – istället för att spridas åt alla håll.

Kom ihåg att varje handling har en lika och motsatt reaktion? Jo, när allt det där spridda ljuset går framåt så trycker det bakåt på seglet. Det skapar ett luftmotstånd – inte nog för att stoppa rymdfarkosten helt, men tillräckligt för att göra hela systemet sämre.

Tänk dig att du simmar och vattnet du trycker bakåt plötsligt börjar rinna runt och trycka dig framåt istället. Du skulle fortfarande röra dig, men dina simtag skulle inte fungera lika bra.

Riktiga material gör det ännu svårare

Jag bör nämna att den här forskningen tittade på ett idealiserat, perfekt reflekterande segel. Riktiga segel skulle få hantera extra komplikationer som rapporten inte täcker.

För det första finns det interstellära mediet – atomer och damm som flyter omkring mellan stjärnorna. I de här hastigheterna kan även glesa partiklar orsaka skador eller bromsverkan. Sedan finns det den lilla detaljen med temperaturgränser: att rikta en extremt kraftfull laser mot ett tunt material kan få det att smälta eller förångas.

Ingenjörer tänker redan på avancerade material som metamaterial och fotoniska kristaller som skulle kunna designas för att klara specifika laservåglängder. Vissa konstruktioner kanske till och med kan vända aberrationseffekterna till sin fördel och hjälpa seglet automatiskt att stabilisera sin orientering.

Varför det här fortfarande spelar roll

Jag vet vad du kanske tänker: "Okej, så det finns ett problem vid 75 procent av ljushastigheten. Vi kör helt enkelt långsammare, eller hur?"

Men grejen är – resor mellan stjärnor är svåra nog utan att lägga till godtyckliga hastighetsbegränsningar. Hela poängen med de här teoretiska rymdfarkosterna är att nå relativistiska hastigheter så att resan tar årtionden istället för årtusenden. Om vi försöker skicka en sond till Proxima Centauri vill vi att den ska anlända inom en människolivstid, inte efter att civilisationen har uppstått och fallit flera gånger.

Så att förstå de här subtila effekterna spelar roll. De är den typ av grej som kan avgöra om en mission precis fungerar eller faktiskt når sin destination.

Det är också ett vackert exempel på hur fysiken blir konstigare ju fortare du rör dig. Vi tror att vi förstår ljus och rörelse från vardagserfarenheter, men så fort du börjar röra dig i betydande delar av ljushastigheten dyker det upp nya effekter som känns nästan paradoxala.

Universum visar sig alltså ha lite inbyggda farthinder på vägen till stjärnorna. Att lista ut hur vi ska ta oss runt dem är det som gör interstellära resor till sådan fascinerande utmaning.

Vem vet? Kanske en dag kommer ingenjörer att lösa de här problemen och vi får se ett ljussegel försvinna mot Alpha Centauri, med våra hopp till en annan stjärna. Fram till dess fortsätter vi att räkna och förundras över hur mycket vi fortfarande har att lära oss.