Kosmické plachty narážejí na paradox světla. A je toho víc, než byste čekali
Představte si, že vás žene vpřed něco, co najednou začne fungovat proti vám. Přesně tohle objevili vědci z Harbinského technologického institutu. A upřímně? Je to jeden z těch momentů, kdy člověk ocení, jak podivný vesmír doopravdy je.
Jak fungují sluneční plachty
Než se dostanu k tomu podivnému paradoxu, vysvětlím, o co vlastně jde. Sluneční světlo, které cítíte na kůži, není jen teplo. Fotony, ze kterých se skládá, mají svůj vlastní hybnost. Když dopadají na povrch, tlačí na něj. Jemně, téměř neznatelně, ale tlačí.
Sluneční plachta je vlastně obří zrcadlo – velmi tenká odrazivá fólie. Když na ni dopadne světlo a odrazí se, změna směru všech těch photonů vytvoří tah. V běžném životě byste to nepoznali. Ale ve vesmíru, kde nic netře, se to postupně nabaluje. Dostatečně velká plachta může urychlit sondu na značnou rychlost, aniž byste s sebou museli vozit palivo.
Teď ta ambicióznější část: někteří vědci chtějí místo slunečního světla použít lasery. Mířili by přesně zaměřeným paprskem na plachtu a teoreticky by mohli urychlit malou sondu na zlomek rychlosti světla. Cesta k sousedním hvězdám by pak netrvala tisíce let, ale mohla by se vejít do lidského života.
Problém je, že tohle všechno má háček. A ten háček je pořádně zvláštní.
Tři způsoby, jak světlo tlačí
Vědci zjistili, že existují tři různé mechanismy, jak světlo působí na plachtu:
Zaprvé je to přímý náraz fotonů dopadajících na povrch – to je hlavní tah. Zadruhé jde o hybnost odraženého světla – dokonalý odraz dává větší tah než nepravidelný rozptyl. A zatřetí sem patří takzvaný difuzní rozptyl, kdy část světla materiál pohltí a pak ho vyzáří do náhodných směrů.
Dokud letíte normálními rychlostmi, všechny tři efekty vám pomáhají. Jakmile se ale začnete blížit relativistickým rychlostem, začnou se dít divné věci.
Tím prvním problémem je Dopplerův jev. Když plachta letí pryč od laseru, světlo, které ji dosáhne, se redshiftuje – klesá jeho frekvence. Každý foton nese tedy méně energie a tah slábne. Čím rychleji jedete, tím těžší je pokračovat v akceleraci.
Pak je tu ale druhý jev, který se projevuje kolem 75 procent rychlosti světla. A tady to začíná být opravdu neintuitivní.
Problém s odporem při vysokých rychlostech
Při 75 procentech rychlosti světla začíná hrát roli takzvaná relativistická světelná aberace. Z našeho pohledu – sledujeme-li to ze Země – se rozptýlené světlo najednou nešíří do všech směrů, ale soustřeďuje se dopředu, ve směru pohybu plachty.
Vzpomínáte, jak jsem mluvil o akci a reakci? Když se veškeré rozptýlené světlo vydá vpřed, tlačí zpět na plachtu. Vzniká odpor. Ne dost velký na to, aby sondu zastavil, ale dost velký na to, aby celý systém ztrácel na účinnosti.
Představte si, že plavete a voda, kterou odhazujete dozadu, se najednou otočí a tlačí vás vpřed. Pořád se pohybujete, ale každý záběr je míň efektivní.
Reálné materiály by to ještě zhoršily
V této studii vědci počítali s ideální, dokonale odrazivou plachtou. Skutečné plachty by čelily dalším komplikacím.
Za prvé, mezihvězdnému prostředí – atomům a prachu plujícím mezi hvězdami. Při těchto rychlostech by i řídké částice mohly způsobovat poškození nebo další odpor. Za druhé, je tu problém tepelných limitů: namířit extrémně výkonný laser na tenký materiál může způsobit, že se roztaví nebo vypaří.
Inženýři už ale přemýšlejí o pokročilých materiálech – metamateriálech a fotonických krystalech, které by mohly být navrženy pro konkrétní vlnové délky laseru. Některé návrhy dokonce počítají s tím, že byAberrační efekty využily ve svůj prospěch a pomohly plachtě automaticky stabilizovat orientaci.
Proč je tohle důležité
Možná si říkáte: „Takže je tu problém při 75 procentech rychlosti světla. Prostě poletíme pomaleji, ne?"
Tady je ale háček. Cesta mezi hvězdami je dost těžká i bez umělých rychlostních limitů. Celý smysl těchto teoretických sond je dosáhnout relativistických rychlostí, aby cesta trvala desetiletí místo tisíciletí. Kdybychom posílali sondu k Proxima Centauri, chceme, aby dorazila během lidského života, ne aby cesta přečkala vzestup a pád civilizací.
Takže pochopení těchto subtilních efektů má smysl. Mohou být rozdílem mezi misí, která jen tak tak funguje, a misí, která skutečně doletí tam, kam má.
A kromě toho je to krásný příklad toho, jak se fyzika stává podivnější, čím rychleji se pohybujete. Myslíme si, že světlo a pohyb chápeme z běžné zkušenosti, ale jakmile začnete cestovat zlomky rychlosti světla, objeví se nové jevy, které vypadají skoro jako paradoxy.
Vesnámír má na cestě ke hvězdám nějaké vestavěné zpomalovací prahy. A zjistit, jak je obejít, dělá z mezihvězdného cestování tak fascinující výzvu.
Kdo ví? Třeba jednoho dne inženýři tyto problémy vyřeší a budeme sledovat, jak kosmická plachta mizí směrem k Alfě Centauri, nesouc naše naděje k jiné hvězdě. Do té doby budeme počítat čísla a žasnout nad tím, kolik toho ještě máme co se naučit.