captcha

Jūsų klausimas priimtas

Nejuntama ir apgaulingai galinga šviesos jėga

Šviesa ir su ja susijusios sąvokos persmelkia mūsų gyvenimus: pagrindinės spalvos ir aibė atspalvių, ryškūs šešėliai ir sunkiai apibrėžiami pusšešėliai, raminanti žvakės šviesa ir akinantis Saulės atspindys nuo sniego. Mūsų kalboje šviesą apibūdinančių žodžių daug daugiau negu klausą arba kvapus. Mus supa technologijos, naudojančios šviesą – neoninės reklamos, miesto šviesos, informacinės švieslentės, nieko nebestebina lazerinės rodyklės ir matuokliai, o kur dar teleskopai!
AFP/Scanpix nuotr.
AFP/Scanpix nuotr.

Ar mes gerai pažįstame šviesą? Ką šviesa gali ir ko negali? Mūsų žinios šioje vietoje daugiausiai remiasi kasdienė patirtimi, rega bei fantastiniais filmais, kuriuose ko tik nepamatome! Šviesos kardai, su kuriais džedajai nugali priešininkus, šviesos blasteriai ir lazerinės patrankos, kurios per akimirksnį sunaikina priešininko laivą.  Tikrai sunku atsirinkti, kas tikra, o kas – prasimanymas. Pabandykime pasinagrinėti, kokia yra tikroji šviesos jėga.

Tai kas yra šviesa? Nuo senų laikų mokslininkai dėl to ginčijosi: vieni sakė, kad šviesa yra banga, kiti teigė, jog šviesa yra dalelių srautas. Pirmoji šviesos teorija atsirado XVII amžiaus pradžioje, kuomet pora filosofų – Pierre Gassendi ir Thomas Hubbesas – atsisakė dar Aristotelio laikus menančių teiginių, jog viską pasaulyje sudaro keturi elementai: vanduo, ugnis, oras ir žemė. Ji teigė, jog visą mus supantį pasaulį sudaro skirtingos dalelės, kurios sklinda tuštumoje nuo vieno objekto link kito.

Mintis, kad šviesa yra dalelių srautas, nepaprastai patiko serui Isaacui Newtonui, kadangi ji per mechanikos tvermės dėsnius logiškai ir aiškiai galėjo paaiškinti šviesos lūžį ir atspindį. Kiekviena šviesos dalelė turėjo savo masę bei nuosavą judėjimo greitį, o šių dvejų dydžių sandauga mechanikoje yra vadinama judesio kiekiu ir buvo gerai žinoma I. Newtonui kaip tvarus dydis. Mokslininkas nagrinėjo mechaniką ir žinojo pavyzdžius iš biliardo, kuomet biliardo rutuliukams susidaužus, judesio kiekio tvermė padeda tiksliai apskaičiuoti, kaip po susidūrimo elgsis rutuliukai. Pritaikęs savo mechanikos žinias šviesai, I. Newtonas lengvai paaiškino, kodėl šviesos kritimo kampas yra lygūs atspindžio.

Jei žaidžiate skvošą, tuomet ir lengvai turėtume pastebėti, kad teniso kamuoliukas atšoka nuo sienos tokiu pat kampu, kurio ir krito. Gerokai įdomiau yra su draugais apsilankyti sporto salėje ir žaismingai, su gimnastikos kamuolių pagalba, atlikti fizikos laboratorinį darbą.

Niutono teoriją laiku bėgant pakeitė danų mokslininko Christiaano Huygenso šviesos bangų teorija, karaliavusi iki kvantinės fizikos atsiradimo bei iki Albertas Einsteinas fotoefekto teorijoje paminėjo žodį „fotonas“. Galite paklausti, kodėl buvo atsisakyta I. Newtono teorijos? Matote, šviesos dalelės neblogai aprašė visą eilę anuomet stebėtų reiškinių, tačiau jos nepaaiškino kitų reiškinių – interferencijos bei difrakcijos. Interferenciją lengviausia yra pastebėti ramiame vandens paviršiuje, kuomet du vandens lašai krenta vienas šalia kito. Mes matome, kaip paviršiuje susidaro dvi bangos, kurios vienur sustiprina viena kitą, kitur – susilpnina.

Šviesa nesudaro ryškių ribų tarp objekto ir jo šešėlio. Objekto šešėlis yra išplaukęs, kadangi šviesa difraguoja.

Dalelių srautas keliauja pro plyšį visuomet tiesiai, todėl šešėliai visuomet būtų ryškūs, tačiau buvo pastebėta, kad šešėlių kraštai yra išplaukę, lyg šviesa būtų banga, kuri mokėtų apeiti kliūtis! Šis reiškinys optikoje yra vadinamas difrakcija. Galite nustebti, tačiau mūsų ir kitų gyvūnų akys ją išnaudoja. Kiekvieną kartą, kai primerkiate akį, norėdami kažką tolumoje geriau įžvelgti, priverčiate šviesą brautis pro mažą plyšį, todėl ji nekeliauja tiesiu keliu, o lengvai užsilenkia.

Šviesa difraguoja pereidama pro gardelę.

Šis ginčas tarp bangų ir dalelių teorijos šalininkų vyko keletą šimtų metų ir jam pabaigą padėjo kvantinės mechanikos atsiradimas. Smalsaujate sužinoti kaip? Labai paprastai: kvantinė fizika nepaneigė nei vienos iš konkuruojančių teorijų, o tiesiog jas apjungė pasakydama, kad visos dalelės yra vienu metu ir bangos, ir dalelės. Šis principas yra dar vadinamas kvantiniu dualumo principu. Tai yra, ko gero, vienas painiausių principų, kadangi apie jį rašydami labai dažnai pasimauna žurnalistai, nekalbu apie tai, jog šis keistas principas pasireiškia net iracionaliame žmonių elgesyje.

Išsiaiškinome, kad šviesos dalelė – fotonas – turi ne tik bangos savybes, tačiau ir biliardo rutuliuko savybių. Nors fotonas su fotonu dažniausiai elgiasi kaip banga su banga, tačiau fotonas atskriejęs į mūsų akį elgiasi lyg mažas akmenėlis. Vaizdingai kalbant, kiekvieną akimirką, kol skaitote šį tekstą, gaunate nuo fotonų „į akį“, kadangi kiekvienas fotonas turi tam tikrą judesio kiekį.  Skirtumas yra tas, kad biliardo rutuliuko masė yra gerokai didesnė už fotono, todėl, į akį „atskriejus“ biliardo rutuliukui, vaikštome su mėlyne, o tikrų tikriausios fotonų krūšos mes net nepajuntame. Kaip gi stipriai mus „muša“ fotonai? Koks tos jėgos dydis, ar stiprus šis slėgis?

Fotonų sugerties atitikmuo mechanikoje – netamprus susidūrimas.

Fotonų slėgis gali atsirasti dėl 3 priežasčių: atspindžio, sugerties ir spinduliuotės. Lengviausiai suprasti jėgą, kuri atsiranda fotonus sugėrus. Mechanikoje dvejų kūnų sąveika vadinama netampriu susidūrimu, kuomet smūgio metu susidūrę kūnai juda po smūgio kaip vienas kūnas. Geriausias pavyzdys būtų plastilino gabaliukai, kurie sulimpa tarpusavyje arba prilimpa prie kito kūno paviršiaus. 

Tokia jėga ir toks slėgis yra du kartus mažesni negu tie, kurie susidaro tampraus susidūrimo metu, kada rutuliukas tiesiog atšoka nuo masyvios kliūties. Taip atsitinka dėl to, kad tampriai atšokęs rutuliukas skrieja tokiu pat greičiu atgal, o ne lieka „prisiklijavęs“ prie kliūties. Panašiai į plastilino rutuliukus elgiasi ir fotonai, kuomet jie yra  sugeriami kažkokio objekto. O tamprią sąveiką atitiktų fotonų atspindys, kuomet fotonai taip pat slegia du kartus stipriau negu tuomet, kada yra vien tik sugeriami. Pavyzdžių dairytis toli mums nereikia – užtenka tik pažvelgti į dangų ir susirasti kometą.

Kometa yra aplink uolėtą šerdį sušalusių dujų bei dulkių darinys. Kuomet kometa yra toli nuo Saulės, ji gyvena „blankų“ gyvenimą, tačiau vos tik priartėja prie Saulės, „sužiba“ įvairiomis spalvomis. Reikalas tas, kad priartėjus prie Saulės, sušalusios dujos ir dulkės yra atšildomos Saulės spindulių ir pradeda garuoti. Šitie šilti garai ir pajunta visą šviesos fotonų galią! Sugerdama Saulės spindulius, kometa ir ją sudarančios dujos bei dulkes jaučia slėgį, nukreiptą nuo Saulės. Kartu su fotonų slėgiu, kometa yra veikiama Saulės vėjo – įelektrintų dalelių srauto,  su fotonais kartu skriejančio nuo Saulės į visas puses. Šis Saulės vėjas jonizuoja dujas ir jos pradeda švytėti. Kometos dulkės yra stambesnės, todėl jos įgyja mažesnius greičius ir skrieja atsilikdamos nuo kometos, o jų kerintis švytėjimas atsiranda dar ir dėl to, kad jos atspindi Saulės šviesą.

Paskutinė mums likusi jėga yra ta, kuri atsiranda fotonus išspinduliavus. Įsivaizduokite, kad laikote rankose petardą, kurią tuoj iššausite į orą. Padegus tokį naujametinį žaislą, jame vyksta cheminė reakcija, kurios metu susidaro įkaitintos dujos, bandančios ištrūkti iš mažo raketos tūrio. Milijonai molekulių dideliu greičiu išlekia iš raketos, taip sudarydamos atatrankos jėgą, kuri stumia raketą priešingon pusėn. Panašiai gali slėgti ir Saulės spinduliuojami fotonai, tik jie slėgs Saulę!

Žvaigždės yra milžiniški dujų rutuliai, kurie lieka pusiausvyroje veikiami kelių jėgų. Iš vienos pusės, dujų masė yra traukiama gravitacijos link žvaigždės centro, iš kitos pusės – dujos priešinasi slegiamos ir stipriai kaista. Kuo didesnė žvaigždės temperatūra, tuo didesnis yra fotonų slėgis, veikiantis žvaigždę iš vidaus – jis didėja kaip temperatūros ketvirtas laipsnis. Mūsų Saulės viduje temperatūros siekia dešimtis milijonų Kelvinų, todėl vidinis fotonų slėgis yra palyginus mažas. Tačiau nereikia apsigauti, stambiuose žvaigždėse temperatūros viduje gali siekti dar didesnes vertes ir jos jaučia tiesiog milžinišką šviesos slėgį. Be mums nejuntamo ir nematomo šviesos slėgio nesusiformuotų žvaigždės ir planetų sistemos. O pradiniais Visatos gyvavimo momentais šviesos slėgis užtikrino spartų erdvėlaikio plėtimą.

Saulės slėgis mūsų planetų sistemoje.

Taigi koks yra mūsų Saulės kuriamas šviesos slėgis? Atsakymą rasite paveiksliuke. Kaip matote, Saulės slėgis, palyginus su planetoje stebimais slėgiais, yra mažas – jis tesiekia mikropaskalius. Dar daugiau, jis nėra pastovus, o mažėja su didėjančiu atstumu nuo Saulės. Mūsų planetos aplinkoje jis yra dešimt kartų mažesnis nei prie pat Saulės, bet tuo pačiu metu net 26 kartus didesnis nei prie pat Jupiterio. Jei į Marsą skridę kosminės programos „Viking“ zondai būtų neatsižvelgę į Saulės slėgį, jie būtų „prašovę“ pro Marsą net 15 000 kilometrų! Iš tiesų, apgaulingas tas šviesos slėgio mažumas.

Saulės vėjas kartu su šviesos slėgiu yra nemokami energijos šaltiniai kosmoso keliauninkams, kurie neplanuoja labai toli nukeliaut nuo Saulės. Panašiai į viduramžių burlaivius, priklaususius nuo vėjo stiprumo ir krypties, inžinieriai kalba apie po kosmoso platybes „plaukiojančius“ šviesos burlaivius. Dėl Saulės slėgio mažumo, šių kosminių burlaiviu burės – atspindintys veidrodžiai – turi būti palyginus didelių matmenų. Tarkime, 0,8 km matmenų kvadratinė Saulės burė būtų veikiama tik 5 Niutonų jėgos, tačiau tai būtų palyginama su dabartinėmis elektrinėmis variklių sistemomis. Japonų kosmoso agentūra 2010 metai sėkmingai išbandė IKAROS Saulės bures, kurios nukeliavo iki Veneros per pusmetį ir pristatė net penkis zondus. Šios Saulės burės buvo palyginus mažų matmenų (14 m X 14 m), o bendras nugabentas svoris tebuvo 315 kilogramų.

Stambesnių matmenų Saulės burės galėtų pigiai gabenti krovinius tiek vidinėje Saulės planetų sistemos dalyje, tiek išorinėje, kur jos galėtų nusigauti net iki Neptūno! Tiesa, grįžimas iš Neptūno būtų šiek tiek komplikuotas dėl mažo Saulės slėgio, tačiau įmanomas. Tarkime, kelionė iki Jupiterio užtruktų  porą metų, iki Saturno prireiktų keliauti 3,3 metų, iki Urano – 5,8 metų, o Neptūnas būtų pasiektas net per 8,5 metų. Gana iškalbingi yra tokių Saulės burių maksimalių greičių skaičiai, kurie ties Jupiteriu būtų 17 km/s, ties Uranu pasiektų 19 km/s ir toliau nebedidėtų, kadangi Saulės slėgis yra pernelyg mažas. Grįžimui atgal Saulės burės turėtų išnaudoti šių milžiniškų planetų traukos laukus ir protingai apsisukti kelionei atgal. Savo kelyje atgal pasiekę stipresnio Saulės vėjo sritį, šie burlaiviai „plauktų“ prieš slėgį taip pat, kaip burlaiviai jūroje plaukia prieš vėją – zigzagais.

Kelionių po Saulės sistema trukmės ir pervežami svoriai. Greita kelionė į Marsą atitinka atvejį, kuomet svoris naudojamas Saulės burių stabdymui.

Kaip jau turbūt supratote, paprasčiausios kelionės būtų tos, kurios vyktų vidinėje Saulės sistemos dalyje ir kur atstumai yra palyginus maži, o šviesos slėgis palyginus didelis. Lentelėje matote skaičiavimus, atliktus dvejų skirtingų matmenų burėms. Viena – mažesnė (800 metrų), kita – didesnė (2 000 metrų), skirtingos yra ir burių medžiagos. Ilgiausiai truktų kelionė „zigzagais“ (prieš Saulės slėgį) link Merkurijaus (4 metus), tačiau laivas nugabentų net 184 tonas naudingo svorio! Kelionės  į Marsą ir į Venerą pareikalautų beveik metų laiko ir burlaivis nugabentų tik porą dešimčių tonų naudingo svorio. Nereikia pamiršti, kad šiems burlaiviams kuro nereikia, tad jie galėtų pigiai ir efektyviai gabent krovinius Marso arba Veneros kolonijoms.

Šviesos slėgis padėtų išsilaikyti aplink Saulę šviesos energijos kolektoriams. Kiekvienas kolektorius būtų kruopščiai apskaičiuotame jėgų balanse tarp Saulės traukos ir stūmos dėl šviesos slėgio. Tokių palydovų aibė rinktų Saulės skleidžiamą šviesą ir perduotų ją į mūsų planetą. Ši ir kitos palydovų konfigūracijos moksle yra vadinamos „Daisono sferomis“. Yra manoma, kad jos būtų būdingos išsivysčiusioms ateivių civilizacijoms, kadangi Saulė tėra vienintelis energijos šaltinis planetų sistemoje, todėl protingos būtybės bandys efektyviai surinkti visą savų saulių šviesą, tad mes jų galime net nematyti, kadangi visa šviesa nuo tos žvaigždės yra surenkama Daisono sferos.

Saulės šviesa nėra vienintelis ateities kosminių variklių šaltinis. Atradus lazerius, žmonės išmoko kontroliuoti šviesą bei šviesos pagalba valdyti objektus. Lazerio spinduliuko šviesos slėgis padeda mokslininkams laboratorijose stumti daleles, ląsteles, molekules ir net pagreitinti elektronus ir protonus! Spindulys padeda nugabenti objektus ne tik lygiagrečiai mūsų planetos paviršiui bet ir gali veikti  prieš traukos jėgą – dalelėms levituoja arba juda vertikalia kryptimi aukštyn.

Lyg to būtų maža, šviesos pluošteliai dėl fotonų slėgio veikia lyg maži pincetai, kurie pasigauna ir nebepaleidžia įvairių tiek biologinių, tiek negyvų objektų. Vos tik ląstelė bando pabėgti iš optinio pinceto, šviesos slėgis ją sugrąžina atgal į spindulio centrą! Tai skamba neįtikėtinai, tačiau tokie optiniai pincetai gali pagaut didelį skaičių įvairiausių skaidrių objektų vienu metu ir iš karto.

Visi fantastikos mėgėjai yra greičiausiai matę tą sceną iš „Žvaigždžių karų“, kur Imperijos laivas galingu šviesos spinduliu pagauna ir pritraukia princesės Lėjos laivą. Gali atrodyti, kad fiziškai tai yra nerealizuojama, tačiau prieš keletą metų mokslininkai rado spindulio konfigūraciją (taip vadinami Beselio pluoštai), kurioje dalelė nėra stumiama šalin, o yra pritraukiama link spindulio šaltinio. Pakankamai mažos sferiškos dalelės (200 mikrometrų) specialios konfigūracijos tuščiaviduriame pluošte nukeliavo net 20 centimetrų link spindulio šaltinio. Sakyčiau, neblogas pavyzdys to, kaip fantastika tampa moksliniu faktu!

Nieko nuostabaus, kad lazerinė šviesa buvo gana greitai įdarbinta ir kosminių variklių pramonėje. Viena iš šviesa varomų kosminių variklių koncepcijų kalba apie kosmines bures, kurias link tikslo stums ne Saulės šviesa, o į kosmosą iškeltas lazerio spindulys!

Vienas realiausių kandidatų būtų taip vadinamas „Mėnulio fotoninis geležinkelis“ (angl. „Interlunar photonic railway“). Mėnulyje patalpinus 10 gigawatų galingumo lazerį,  kurio šviesą valdytų 200 metrų diametrų milžiniškas optinis lęšis skriejantis apie Mėnulį, būtų galima sukurti savotiškus šviesos „bėgius“, kuriais galėtų būti gabenami iki 7 tonų sveriantys kroviniai. Tokių sistemų prototipai jau dabar yra testuojami laboratorijose ir vienintelis klausimas, kaip tokias lazerines sistemas nugabenti į atvirą kosmosą.

Sėkmingai įgyvendinus šį užmojį, galime pradėti kalbėt ir apie tarpplanetinius fotoninius bėgius, kuriuos galima nutiest net iki artimiausių žvaigždžių sistemų. Tiesa, lęšių matmenys būtini tokiems bėgiams yra didoki – 2,5 kilometro skersmuo vien tik tarpplanetinėms kelionėms. Lazerio spindulio pagreitinamas erdvėlaivis turėtų turėti bures ne mažesnes negu 220 metrų. Kelionei į artimiausią žvaigždžių sistemą mums prireiktų dar didesnių fokusuojančių lęšių (iki 1 000 km skersmens), dar didesnių burių erdvėlaivyje (iki 200 km dydžio) ir dar galingesnių lazerių orbitoje. Gerai pagalvojus, tenka sutikti, kad visa tai skamba nelabai praktiškai.

Lengvesnė išeitis būtų pasiimti šviesos šaltinį su savimi!  Šioje vietoje mokslininkų ir fantastų išmonė neturi ribų. Koncepcijos – įvairiausios: nuo dalelių ir antidalelių anihiliacijos specialiame variklyje iki branduoliniais sprogimais varomų kosminių mašinų! „Ant popieriaus“ ir inžinierių skaičiavimuose tokios mašinos atrodo neįtikėtinai efektyvios. Antimedžiagos varomam kosminiam laivui prireiktų kilogramo dalių arba kelių kilogramų medžiagos ir antimedžiagos tam, kad toks laivas galėtų pasiekti gretimas žvaigždžių sistemas. Kažkiek pradinį optimizmą prablaivina tas faktas, kad net geriausios pasaulio laboratorijos antimedžiagos kiekius skaičiuoja ne tai kad kilogramais arba gramais, o šimtais atomų.

 

 

Komentarai

Spausdami siųsti mygtuką sutinkate su Taisyklėmis ir atsakomybe

Mokslas ir IT

 

Susiję įrašai

 
Visi įrašai
Kraunasi ...
 
GrojaraštisIrašaiKeisti
Kraunasi ...
  
VartotojasPašalinti
Kraunasi ...
Close