Jak działa żagiel słoneczny?

Pytanie

Pyta Piotr

Nurtuje mnie jeden problem związany ze światłem (fotonami) i zasadą zachowania energii. Załóżmy, że od idealnego zwierciadła (100% odbicia) użytego jako żagiel słoneczny odbija się określona ilość fotonów (np. 1000). Fotony zmieniają pęd (zwrot) na przeciwny – stąd siła działająca na żagiel, który nabiera prędkości i energii kinetycznej. Tylko: kosztem jakiej innej energii? Czy fotony po odbiciu są nadal takie same? Jeśli tak, to przy odbiciu nie oddały energii, więc skąd energia żagla?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Fotony po odbiciu nie mają takiej samej energii. Załóżmy, że zwierciadło o masie $M$ porusza się z prędkością $v$ w tym samym kierunku, co foton o energii $E$. Foton lecący z prędkością $c$ dogania zwierciadło, odbija się, i przekazuje mu energię $\Delta E$. Relatywistyczna zasada zachowania pędu przyjmuje postać:

$$\frac{E}{c} ~+~ \frac{E-\Delta E}{c} ~~=~~
\frac{1}{c} \sqrt{ \left( Mc^2\gamma + \Delta E \right)^2 – M^2 c^4} ~-~ M \gamma v,$$

gdzie $\gamma = \frac{1}{\sqrt{1-\beta^2}}$ oraz $\beta = \frac{v}{c}$. Z powyższego równania wyznaczamy $\Delta E$, i otrzymujemy (bez żadnych przybliżeń):

$$\frac{\Delta E}{E} = \frac{\rho + 2\beta}{1 + \rho + \beta},$$

gdzie $\rho = \frac{2E}{Mc^2\gamma}$. Względna zmiana energii fotonu $\frac{\Delta E}{E}$ zależy więc od dwóch parametrów: $\rho$ oraz $\beta$. Oba te parametry są bardzo małe dla makroskopowego zwierciadła poruszającego się z prędkością znacznie mniejszą od światła. Niewielka prędkość wystarczy jednak, aby $\beta$ była znacznie większa od $\rho$. Wtedy o względnej zmianie energii fotonu decyduje praktycznie tylko efekt Dopplera, a masa zwierciadła przestaje być istotna.

Więcej informacji o żaglach słonecznych można znaleźć tu.