“Σπρώχνει” το φως; Πίεση Ακτινοβολίας

Στο άρθρο μας για τη βαθμονόμηση των βαρυτικών ανιχνευτών, αναφερθήκαμε σε μία ιδιαίτερη ιδιότητα των λέιζερ: το φως των λέιζερ “σπρώχνει” τους καθρέφτες του ανιχνευτή! Σε μία πρώτη ανάγνωση αυτό ίσως φαίνεται περίεργο: πώς γίνεται να σπρώχνει το φως; Αν ίσχυε κάτι τέτοιο πώς γίνεται κάθε φορά που βγαίνουμε για περπάτημα μια ηλιόλουστη μέρα να μην ταρακουνιόμαστε από το φως του Ήλιου;

Αρχικά, όσο παράξενο και αν μας ακούγεται από την καθημερινή μας εμπειρία, το φως όντως “σπρώχνει”. Το ότι δεν το καταλαβαίνουμε οφείλεται στο γεγονός ότι το σπρώξιμο αυτό είναι εξαιρετικά αδύνατο – θυμηθείτε ότι στους βαρυτικούς ανιχνευτές, κάποια από τα ισχυρότερα λέιζερ, καταφέρνουν να μετακινήσουν καθρέφτες της τάξης των 40 kg, σε αποστάσεις μικρότερες από τη διάμετρο του πρωτονίου! Ωστόσο, απέναντι σε πιο ελαφρά σώματα, όπως η σκόνη που συναντάμε στο διάστημα, τα αποτελέσματα της πίεσης της ακτινοβολίας είναι πολύ πιο εμφανή (Εικόνα 1).

Η εξήγηση βρίσκεται σε αυτήν ακριβώς τη λέξη: πίεση, ή αλλιώς δύναμη ανά μονάδα επιφάνειας. Σύμφωνα με τον κλασικό ηλεκτρομαγνητισμό – θυμηθείτε ότι το φως είναι απλώς ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία – η ακτινοβολία μεταφέρει ενέργεια και ορμή. Το ίδιο ισχύει και στην κβαντική περιγραφή του φωτός, όπου τα κβάντα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, τα φωτόνια, επίσης έχουν δεδομένη ενέργεια και ορμή. Άρα, όταν η ακτινοβολία αλληλεπιδρά με ένα σώμα του μεταφέρει ορμή. Πιο ισχυρή ακτινοβολία, σημαίνει μεγαλύτερη μεταφορά ορμής, άρα μεγαλύτερη δύναμη, και κατ’ επέκταση πίεση. Την ίδια στιγμή, πιο εστιασμένη ακτινοβολία, δηλαδή μικρότερη επιφάνεια, σημαίνει επίσης μεγαλύτερη πίεση.

Για να καταφέρουμε λοιπόν να “σπρώξουμε” τους γιγάντιους καθρέφτες των ανιχνευτών χρησιμοποιούμε πολύ ισχυρά (μεγάλη “δύναμη”) λέιζερ, που είναι εστιασμένο φως (μικρή “επιφάνεια”). Στο διάστημα (Εικόνα 2), επειδή οι συνθήκες είναι πολύ διαφορετικές (μηδενικές τριβές, βαρυτικές αλληλεπιδράσεις πιο μικρές) η πίεση ακτινοβολίας διαδραματίζει πιο σημαντικό ρόλο. Για παράδειγμα, η πίεση εξαιτίας της ηλιακής ακτινοβολίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πλοήγηση διαστημοπλοίων!

Τελικά, στη βόλτα μας κάτω από τον  Ήλιο, το μόνο που χρειαζόμαστε είναι αντιηλιακό: η ηλιακή ακτινοβολία παραείναι αραιή και αδύναμη για να μας “σπρώξει”. 

1. Διαβάστε περισσότερα (στα αγγλικά): https://www.esa.int/Education/Solar_sails ↩︎