星海中揚起“太陽帆”

王珊珊　宋岳龍

2016年10月17日，我國在酒泉衛星發射中心使用“長征二號F”遙十一火箭成功將“神舟十一號”載人飛船送入太空，實現了中國航天的又一次重大勝利。在感到歡欣鼓舞的同時，不知道你有沒有想過一個問題：除了目前的火箭，是否還能有其它辦法讓我們實現邀游太空的夢想呢？請超人來幫忙？這個有點不現實。今天就給大家介紹一個新方法——太陽帆！

太陽帆與光壓

可能你聽說過單桅帆、雙桅帆這些帆船上的“帆”，但就是沒聽過太陽帆。太陽帆的材料是一種非常輕薄的聚酯薄膜，堅硬異常且表而涂滿反射物質，具有極佳的反光性。與我們平常所知依靠風力來獲得動力的帆不同，太陽帆可以利用被太陽光照射時產生的壓力進行宇宙航行，這種壓力就叫做“光壓”。光具有波粒二象性，就像氣體分子與物體的頻繁碰撞會產生壓力，當光照射到物體表面并被反射時，也會對物體產生壓力，這就是其粒子性的典型表現。

可是當我們曬太陽的時候，為啥感覺不到太陽公公在戳、戳、戳我們呢？

那是因為我們曬太陽時所接受的光壓很小，如果陽光直射到地而，并且光被地面全部吸收，那么地面所感受到的光壓也只有4.5×10帕，不足一個標準大氣壓強的二十億分之一，總之就是很小很小很小啦！

關于光壓的探索

關于光壓的探索最早可以追溯到17世紀。1619年，德國天文學家開普勒提山，彗星的尾巴之所以背向太陽，是因為一種太陽風將其吹開，而這股太陽風其實就是太陽光對彗星產生的壓力，也就是我們現在所說的“光壓”。

開普勒的猜想可以說是第一個涉及到光壓的論述。后米，為了證明光壓的存在，物理學家進行了各種實驗，其中較為經典的要數克魯克斯輻射計實驗和列別捷夫光壓實驗了。

太陽帆遨游的奧秘

太陽帆為什么能在太空星海中邀游呢？要回答這個問題，我們得仔細了解—下上述兩個實驗！

細心的你可能已經發現了，兩個實驗中葉片的轉動方向是相反的：克魯克斯輻射計實驗里的葉片是由黑而向白而旋轉，而列別捷夫光壓實驗中的葉片卻是由白而向黑而旋轉。不過是光源和容器真空度略有不同，為啥差距就這么大呢？

那是因為在克魯克斯輻射計實驗中，容器內真空度不高，留有部分氣體分子，照射后葉片黑色一面溫度較白色一面要高，相應的，黑色一面的空氣分子運動就更為激烈，進而推動葉片由黑面向白面旋轉。而在列別捷夫光壓實驗中，容器內幾乎沒有氣體分子，葉片轉動的動力來源于激光器發射的光子，由于白面葉片對光的反射度較高，因此獲得的動量較大，而黑面葉片會吸收一部分光子，獲得的動量小，使得白色葉面“推”著黑色葉面，形成了葉片由白面向黑面旋轉的現象。

聽了上面的解釋，你受到啟發了嗎？其實這兩個實驗中真正證明了光壓存在的是列別捷夫光壓實驗，實驗的真空狀態也模擬了太空中的狀態。當太空中的光線照射到太陽帆飛行器時，借助光壓的推力，飛行器就可以在太空中邀游起來啦！

太陽帆與星際旅行

當然，除了看示意圖，你還可以到中國科技館挑戰與未來A展廳親手體驗—下包含上述兩個實驗的展品——“太陽帆”！

太陽帆是目前人類合理利用能源、進行星際旅行的希望。在迪斯尼動畫片《星銀島》中，就有在太空中展開一張張太陽帆的情景，如同遼闊大海上的百舸爭流。

目前，NASA（美國國家航空航天局）和JAXA（日本宇宙航空研究開發機構）已經在太陽帆技術上進行了成功測試。也許在不遠的將來，人類就能夠揚起美麗的太陽帆，在太空星海中自由邀游了。