浙江
在邁向星際旅行的征途中，人類正試圖超越傳統化學火箭的局限，寄希望于利用光本身作為動力。太陽帆作為一種極具潛力的技術，通過巨大反射面截獲光子動量從而獲得推進力。在更為激進的星際航行設想中，科學家計劃利用高功率激光束加速太陽帆，使其達到傳統航天器難以企及的驚人速度。
然而，近日發表在arXiv預印本平臺上的一項新研究指出，這一愿景面臨著一個意想不到的物理學挑戰：當航天器以接近光速的比例飛行時，原本賦予其動力的光線，可能會轉而成為一種“反向拖拽”的阻力。
來自哈爾濱工業大學的研究者沈超（音譯）和李佳澤（音譯）在論文中詳細分析了光子與太陽帆相互作用的三種機制：入射光直射帶來的動量傳遞、光線在反射面上鏡面反射產生的推動力，以及光子被吸收后向隨機方向再輻射所產生的漫散射。在常規航行條件下，這些物理效應均有助于推動帆船前進。然而，隨著航行器進入相對論速度區間，必須考慮光速附近的特殊物理規則。
研究發現，隨著太陽帆加速遠離激光源，由于多普勒效應，光線的頻率會發生紅移，這意味著每個光子所能提供的推動力會隨之下降。更為關鍵的是，當太陽帆的速度達到光速的75%時，相對論光行差現象將產生顯著影響。從地球靜止觀測者的視角來看，漫散射的光子在運動方向上會產生向前的偏移。根據作用力與反作用力的物理定律，這種漫散射效應在航行器高速航行時，實際上會演變為一種作用于系統的阻力。
盡管研究指出，此時激光提供的總推動力依然大于阻力，使得加速仍可進行，但光帆的推進效率會發生顯著的衰減。需要指出的是，該研究主要聚焦于輻射動力學范疇，并未考慮星際氣體或塵埃帶來的額外阻力，也未涉及高功率激光輻照下帆面材料可能面臨的熱限制或熔毀風險。
目前，航天工程師們正在積極探索利用先進超材料和光子晶體來優化太陽帆的設計。理論上，這些特制材料或許能夠“利用”研究中提到的光行差效應，實現飛行路徑的主動修正與穩定，確保航天器始終處于激光束的中心位置。
人類距離打造能夠進行星際航行的太陽帆系統仍有漫長的工程道路要走。目前，這一理論模型尚簡化了時空彎曲等復雜因素。但正如科研人員所言，深入理解此類系統中的飛行力學是至關重要的一步，因為當人類最終決定向其他恒星派遣探測器時，任何關于物理與工程細節的精準掌握，都將是任務成功的堅實基礎。
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