既然光子能产生光压力,那宇宙飞船能通过向后发强光反推加速吗?

光对被照射物体单位面积上所施加的压力叫光压。也称为辐射压强。

光具有“波粒二象性”,也就是说光即使一种电磁波,又是一种粒子–光子。既然是粒子,就具有动量,就可以用作反冲。

从以上分析可知:光照射在物体表面上,会使物体表面上的原子中的电子朝光照射产生的电场方向的反方向运动。如果光垂直照射到物体表面上,会出现电子同步光照射方向运动而形成群体效应。但与此同时,原子核会朝电子相反的方向运动而抵消电子的群体效应。同时,因光产生的电场是时变的,正半周电子向外的话,负半周电子就会向内运动。一周内由光导致电子的运动动量和动能改变总和应该为0.因此,不可能出现所谓的光压现象。特别是光的频率成分非单一,与物体界面的夹角为非垂直时,由于叠加效应而会大大降低电子的群体效应程度。

但是光压很小。地球上,太阳光在1平方公里(长宽各1公里)区域产生的总光压只有9牛顿,相当于在上面放了不到1公斤东西产生的压力。但是太空中一切东西都是失重漂浮的,因此一点点力(光压)就可以使物体转向或加速。

想想看,即使是以每小时61200公里的速度飞行的旅行者1号太空探测器,也需要大约7.6万年的时间才能到达半人马座α。

在飞船的尾部,一次伽玛射线喷射释放的能量当量达到10万吨铀,这已经比得上一次微型的伽玛射线爆了,这场辐射爆将会摧毁整个飞船!

光帆飞船就是《三体》级“神物”。首先,利用恒星光辐射压推动飞船,是“绝顶想法”,宇宙中的各个恒星光辐射压,形成各向同性辐射场,基本不存在梯度压力场,且小的可怜,根本就形不成辐射压力动力。其次,用主动发射激光推动光帆飞船,一是动力小的可怜的可怜,二是光束不断色散、散射变粗,根本就没法光年距离的推动飞行。霍金研究这个光帆飞船与咱国家那个院士搞对撞机是一个意思,只是为了弄个“网红”、捞名利而已。

如果要想利用光线的光压反推来使宇宙飞船实施加速,则所需要发射的光子数量会更多,这里我们以飞船的质量100吨为衡量,如果速度达到光速的20%,则至少需要的光子数量为1.8*10^35个,而制造出这些光子所需要的输入能量则至少在10^20焦耳的级别,相当于1万吨铀核裂变所释放的能量,这里仅仅是达到光速的五分之一所需要的能量,如果飞船的速度继续提升,则需要的输入能量就会越大,而且即使以核裂变方式为飞船加速,那么所需要携带的能源物质,要远远超过飞船本身的质量,这在现实中根本是无法实现的。

霍金曾说:“地球是一个美妙的地方,但它不会永远适合我们。迟早,我们必须仰望星星。”

何为突破摄星?

该项目设想的不是制造一个,而是数百个这样的微型飞行器,以实现多重冗余,在漫长的星际之旅中允许一部分飞行任务失败。

虽然光子不具备静止质量,应用经典物理学的动量表达式p=m*v我们是计算不出光子所拥有的动能的,但是按照爱因斯坦狭义相对论,光子拥有运动质量,那么它就一定会有动量,按照质能方程和普朗克方程,可以得到光子的运动状态下,所具有的动量为p=h/λ,这里h为普朗克常数、λ为光线的波长。而光线的波长等于光线的频率(f)除以光速(c),因此光子的动量我们可以应用p=h*f/c来进行计算。

据报道,这些所谓的微型飞行器的重量将小于一克,并使用光帆与地球上的激光阵列相结合进行推进。

下面我们从数学式子上将这个过程表示出来。假定飞船在一定的时间内,喷射出去n个光子,每个光子的波长为l,按照德布罗意关系式我们知道,光子的动量等于普朗克常数除以光子的波长,那么光子—飞船系统中喷射出去的光子所携带的总动量就是nh/l,其中h为普朗克常数。

这相当于多少能量呢?约为10^36×10^-34×10^19=10^21焦耳。

1899年,俄国物理学家列别捷夫用实验测得了光压,证实了麦克斯韦的预言。光压的存在说明了电磁波具有动量,因而是电磁场物质性的有力证明。爱因斯坦光子假设又进一步说明了光压存在的合理性。

美国、日本和俄罗斯已经开展相关研究,并且美国预计在10年内研究出太阳帆飞船,也许在不远的将来,人类将有可能借助太阳帆激游太空。

斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)、马克·扎克伯格(Mark Zuckerberg)和俄罗斯亿万富翁尤里·米尔纳(Yuri Milner)对外宣布的一项新计划制定了向半人马座阿尔法星(离地球最近的恒星)发送一群微型探测器的计划,试图制造出许多靠激光的光压驱动的微型探测器,出航宇宙。

当物体完全吸收正入射的光辐射时,光压等于光波的能量密度;若物体是完全反射体,则光压等于光波能量密度的2倍。这个关系可以由经典电磁理论得到,也可以直接由光的量子理论得到。麦克斯韦依据经典电磁理论首先指出了光压的存在。

依据压力的概念,光压所指的自然是光线照射到物体表面所产生的压力,早在18世纪,英国物理学家麦克斯韦在光子被发现之前,就应用电磁理论解释了光压现象,认为当物体接受到垂直照射的光线时,其所受到的光压等于光的坡印廷矢量值除以光速,而光的坡印廷矢量值即在电磁场中的能流密度矢量值,这个值与单位时间内垂直入射到物体单位面积产生的光能量、以及物体表面对光线的能量反射率有关系,而计算光压的表达式在当时确定的为:P=I*(1+R)/c,其中P为光压,I为单位时间垂直照射到物体单位面积上的光能量,R为物体表面的能量反射率,c为光速。从中我们可以看出,当物体对光线全部吸收时,R为0,则光压等于光线的能量密度;如果物体对光线全部反射,则R为1,则光压等于2倍的光线能量密度。

在物理学中有一个常用的物理量-压力,表达的是当两个物体在接触面所受到的作用力,或对于处于不同相态物体,其相互接触时发生形变的能力会有所不同,形变大的物体由于有反弹恢复的趋势,于是就会对接触它的物体产生弹力作用,这也是气体对液体表面或者固体表面产生垂直作用力、以及液体对固体表面也会有垂直作用的原因。那么光作用一种物质,其也会对与其接触的物体表面产生一定的压力,这种作用力在物理学上称之为光压。按照牛顿定律,力的作用是相互的,以后我们能不能造出可以利用发射光线来提供推力的宇宙飞船呢?

首先,目前仍然没有任何直接证明证明具有与其频率成正比动能与动量的光子是真的存在的。光电效应并不能直接证明光子真的存在。详情查阅后面的文章;

不过,这种想法在推动加速微型探测器上,科学家们已经在使用了。比如,2016年时物理学家霍金就主导过一个项目,计划利用激光的光压驱动,向离地球最近的恒星半人马座的阿尔法星,发射若干微型的探测器,这些探测器的内部元件采用纳米技术制造,具有一定的通信和摄像功能,并保持只有1克的质量,计划达到的速度为光速的20%,通过地球上的激光阵列进行推动。

光只能对被照射的物体产生光压。宇宙那么空旷,如果只凭光压力照射物体的反作用力加速,那飞船加速效率也太低了,何况光的压力非常微小。估计不太能实现

其次,光子能产生光压力的说法也没有任何直接证据。所谓的太阳帆应该只是太阳风对帆的作用结果。如果排除太阳风的作用,可能就会出现太阳帆不会变速运动了;

最先提出光压概念的是德国的开普勒,英国的麦克斯韦最先解释并计算出彗星的光压,认为彗星长长的尾巴是太阳辐照产生的光压造成的。

总之,光子是不存在的,光压最多也是对物质表面原子中的电子改变运动状态时产生的群体效应而已。不足以改变物体的整体运动状态。

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以这样的速度飞行,在发射后的大约20年后,它们将能够飞越阿尔法半人马座。

光是玻色子,场形物质,没有静质量,几乎没有惯性,也就几乎没有动量;只有激光这种相干性极强的光,其粒子特性十分显著了,才有丁点动量。也就是说,光只有在不色散、散射的情况下,光场“集中火力”才会产生一定的光压、一定的动量,而实际上,任何光,即便是激光,且在真空中传输,光都要色散,如一个几微米直径的激光束,射到月球上,其光斑直径也有一米。当然,相干性越强的激光,其色散越小,但宇宙不是绝对真空,因此,光除了色散外,还有散射,由宇宙尘埃引起的散射。总之,光由于其场的特性,没法用做“火箭喷射燃料”之用;如果用喷光的方法能形成飞船动力,则人类早六、七十年前就发明出这种“喷光发动机”了。

虽然“突破摄星”计划早已宣布,但在这个项目成为现实之前,还有许多工程挑战要克服。

因为光只是时变的电场与磁场,既不是电磁波,也不是光子,更不具波粒二象性。原因在于:带电粒子在电场与磁场中的运动规律是:电子朝电场正向加速运动;质子朝电场负向加速运动;中子不会受电场的影响。而磁场对带电粒子的作用规律是:运动的带电粒子会改变运动方向但不改变运动速度。也就是电子与质子改变运动方向的方向正好相反。而中子不受影响。因此,由原子核与外部电子组合而成的原子在光的照射下会出现:电子与原子核朝完全相反的方向改变运动趋势,但因原子核的质量远大于电子,原子核在光的作用下虽然会改变运动趋势,但改变量远小于电子。就是单个质子构成的原子核也比电子改变运动趋势的能力小42.8倍以上。如果是更大的原子核就更小了。因此,在光的作用下,可以视原子核基本不改变运动状态,而电子会随光产生的电场与磁场改变运动状态;这样就会使原子产生极化而形成电偶极矩并产生次生电场场或称其为次生光。这就是介质能产生反射、散射、透射、衍射和绕射等次生光的原因所在。

目前研究看,确实存在不喷火、不喷气、“自己抬着自己走”的动力系统,但决不是霍金和《三体》神棍们想的那种。

光压很小,如果阳光直射到地面,并且光被地面全部吸收,那么地面所感受到的光压也只有4.5×10-6帕。

既然光子能产生光压力,那宇宙飞船能通过向后发强光反推加速吗?

不要失望,重点来了!!!!咳咳,不过光压力飞船是已经被发明出来了的,只不过不是飞船本身自己发强光,而是利用太阳光的压力推动,此项发明标志着光压力拥有广阔的发展背景,相信以后会更有趣味。

我们日常所看到的太阳光,其实是由不同种类的光子所共同组成的,按照频率从高到低可以依次分为伽马射线、X射线、紫外线、可见光、红外线和无线电波,因此能量最高的光线将是伽马射线,我们如果想用最少的光线产生最大的能量,则最好使用伽马光线。通常情况下我们认为伽马射线的频率为1.5*10^19Hz,我们再将普朗克常数6.63*10^(-34)焦*秒代入上述公式,则可以计算出一个伽马光子所携带的动量为3.3*10^(-23)Kg*m/s,也就可以理解为,我们需要大约3*10^22个光子,才能使1千克的物体的移动速度达到1m/s。

那就得看这个力有多大了……如果你付出的能量和获得的推力得不偿失,那就没有使用价值

可以啊,霍金的突破摄星(Breakthrough Starshot)计划就是这样的构想。

2016年4月12日,刚好是尤里·加加林代表人类第一次登上太空的55周年之际。

这也就是说10^23次方个伽玛光子,才能产生约1Kgm/s的动量,这相当于1公斤重的物体以1米每秒的速度运动所具有的动量。而飞船的质量一般都在上百吨,按100吨计算,飞船加速至光速的一半,至少需要10^23×10^5×10^8=10^36个伽玛光子。

前些时候国外一神棍,用喷微波的办法,产生了几个微牛之力,据说轰动一时,把此人吹到宇宙外面了;接着就有霍金提出的光帆飞船,用一亿美金开发,到现在一群“顶级科学家”还在研究这个光帆飞船,其原理就是,从地球上发射激光,顶着这个光帆飞船的帆飞行,后来,有各级神棍提出各种“变种光帆飞船”,用各种恒星的光辐压力推动。

光是电磁波,不是光子,电磁场没有质量,没有惯性,不会产生任何反作用力,所以光压不存在。

这个项目的原理和问题中所描述的是一样的,如果项目实施,将对于我们近距离探测太阳系以外的恒星系基本情况,发现更多的宜居行星并对其表面自然环境进行实地勘测将具有重要意义。不过,这个项目距离真正实施,还需要很多的准备工作要做,同时也存在一些亟待解决的难关要突破。

突破摄星计划的背后意义是在于利用尖端,技术,扩大我们对宇宙的看法。

再者,宇宙飞船通过定向发射强光作为推力的想法也只能是想法而已。不可能成真的。

20年可达简直就是个奇迹,可谓太空旅行的一大飞跃。

在这高速飞越期间,纳米飞行器将试图不仅拍摄恒星,而且拍摄它们在太阳系内可能发现的任何系外行星。“突破星空”计划的研究人员对于发现一颗类似地球的行星并在这个系统中有适宜居住的区域的可能性感到特别兴奋。

突破摄星的意义

飞船如果向后发强光确实可以产生微弱光压,但是这样一是浪费飞船的能源,二是这样产生的光压太小。于是科学家就反其道而行之,太阳光是无尽的,在飞船上安装又大又薄的聚酯亚胺薄膜,让太阳光照射产生推力来推动飞船前进。

有兴趣的朋友可进一步查阅本人以是的有关光的本质及其与介质相互作用规律的文章。

“突破星空”计划的核心是创造出一种以光速20%的速度飞行的微型飞行器。

1kg铀裂变释放的能量约为10^13焦耳,那么将飞船加速至光速的一半所需要的能量约为10万吨铀所释放的总能量!

实际上,光压的概念是不准确的,严格来说,光子在喷射出去时会携带一部分动量,根据动量守恒原理,飞船会获得等量的方向相反的动量。

这个问题里面包含着一个物理学的守恒原理,动量守恒原理。从问题表面上来看,提问者是基于这样一个事实的,即光子在从宇宙飞船尾端喷射出去时,产生的与光传播方向相反的“光压”会给宇宙飞船一个推动力。

对于飞船来说,它获得的动量同样也是nh/l。由于n个光子全部的静质量都是0,它们即便被发射出来时已经属于频率极高的伽玛光子,其所携带的总能量换算成动质量(总能量除以光速的平方),相对于飞船这样巨大体型的宏观结构来说,也完全是微不足道的,绝对是微不足道的。

这项计划需要的纳米级飞行器要得以实现,必须在微型化计算机芯片和相机上取得革命性的技术突破(量子领域)。同时,为飞行器提供动力的公里级激光“光束器”也需要在光学和储能技术方面取得重大进展才能成为现实。

英文好的,看看这张图大致就了解了。

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如果还是不能确定,我们来意义具体一下。一个伽玛光子的频率一般大于1.5×10^19赫兹。普朗克常数为6.6×10^-34JS。通过简单的计算可知,一个伽玛光子的动量约为6.6×10^-34×1.5×10^19/2.998×10^8,其数量级约为10^-23。

你看看自相矛盾,激光有动量,凭啥说光没有质量?是你的技术测不到,还是真的没有?激光有动量说明他的质量不等于零,那么国外激光推动物体2厘米是咋回事?既然有色散就说明他物质化,质量化。

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