一种可能减缓星际太阳帆速度的神秘力量

衍射式太阳帆的概念图。图片来源：NASA格罗弗斯沃茨兰德

太阳帆在接近光速的一个显著比例时，可能会遇到来自光本身的阻力。

让航天器抵达另一颗恒星并非仅仅是建造更大火箭的问题。化学推进在实际时间尺度上对于星际旅行来说太慢了，这就是为什么许多任务构想都将光本身作为引擎。

领先的构想之一是太阳帆，这是一种由光子推动的巨大反射片。在更具雄心的星际设计中，太阳帆不仅会由阳光驱动，还会由强大的激光驱动，这些激光能将其加速到远超传统航天器所能达到的速度。

arXiv上一篇由哈尔滨工业大学的沈超和李佳泽撰写的新论文指出了一个奇怪的复杂情况。当达到光速的很大一部分时，原本推动帆前进的光可能会开始对其产生阻碍作用。

光子有几种推动方式

这篇论文探讨了光子向太阳帆传递力的三种方式。第一种是入射光，来自光子撞击帆时的直接动量。第二种是镜面反射，当光子从反射表面干净地反弹并传递额外动量时发生。第三种是漫散射，当光子被吸收后再向随机方向重新发射时发生。

在普通条件下，这些效应有助于推动帆。但一旦飞行器开始以相对论速度运动，情况就会改变——此时运动规则必须考虑在接近光速时变得重要的效应。

当帆远离其激光源时，到达它的光会因多普勒效应而发生频移。频率降低，随之降低的还有三种光子驱动力各自产生的推力。这意味着帆的速度越快，就越难保持对其的高效加速。

光本身会成为阻力

当光帆达到光速的75%时，情况会变得更糟。此时，一种名为相对论光行差