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?
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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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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!

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!

2020年5月16日 08:46
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