星海中扬起“太阳帆”

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  太阳帆与光压
  可能你听说过单桅帆、双桅帆这些帆船上的“帆”,但就是没听过太阳帆。太阳帆的材料是一种非常轻薄的聚酯薄膜,坚硬异常且表而涂满反射物质,具有极佳的反光性。与我们平常所知依靠风力来获得动力的帆不同,太阳帆可以利用被太阳光照射时产生的压力进行宇宙航行,这种压力就叫做“光压”。光具有波粒二象性,就像气体分子与物体的频繁碰撞会产生压力,当光照射到物体表面并被反射时,也会对物体产生压力,这就是其粒子性的典型表现。
  可是当我们晒太阳的时候,为啥感觉不到太阳公公在戳、戳、戳我们呢?
  那是因为我们晒太阳时所接受的光压很小,如果阳光直射到地而,并且光被地面全部吸收,那么地面所感受到的光压也只有4.5×10帕,不足一个标准大气压强的二十亿分之一,总之就是很小很小很小啦!
  关于光压的探索
  关于光压的探索最早可以追溯到17世纪。1619年,德国天文学家开普勒提山,彗星的尾巴之所以背向太阳,是因为一种太阳风将其吹开,而这股太阳风其实就是太阳光对彗星产生的压力,也就是我们现在所说的“光压”。
  开普勒的猜想可以说是第一个涉及到光压的论述。后米,为了证明光压的存在,物理学家进行了各种实验,其中较为经典的要数克鲁克斯辐射计实验和列别捷夫光压实验了。
  太阳帆遨游的奥秘
  太阳帆为什么能在太空星海中邀游呢?要回答这个问题,我们得仔细了解—下上述两个实验!
  细心的你可能已经发现了,两个实验中叶片的转动方向是相反的:克鲁克斯辐射计实验里的叶片是由黑而向白而旋转,而列别捷夫光压实验中的叶片却是由白而向黑而旋转。不过是光源和容器真空度略有不同,为啥差距就这么大呢?
  那是因为在克鲁克斯辐射计实验中,容器内真空度不高,留有部分气体分子,照射后叶片黑色一面温度较白色一面要高,相应的,黑色一面的空气分子运动就更为激烈,进而推动叶片由黑面向白面旋转。而在列别捷夫光压实验中,容器内几乎没有气体分子,叶片转动的动力来源于激光器发射的光子,由于白面叶片对光的反射度较高,因此获得的动量较大,而黑面叶片会吸收一部分光子,获得的动量小,使得白色叶面“推”着黑色叶面,形成了叶片由白面向黑面旋转的现象。
  听了上面的解释,你受到启发了吗?其实这两个实验中真正证明了光压存在的是列别捷夫光压实验,实验的真空状态也模拟了太空中的状态。当太空中的光线照射到太阳帆飞行器时,借助光压的推力,飞行器就可以在太空中邀游起来啦!
  太阳帆与星际旅行
  当然,除了看示意图,你还可以到中国科技館挑战与未来A展厅亲手体验—下包含上述两个实验的展品——“太阳帆”!
  太阳帆是目前人类合理利用能源、进行星际旅行的希望。在迪斯尼动画片《星银岛》中,就有在太空中展开一张张太阳帆的情景,如同辽阔大海上的百舸争流。
  目前,NASA(美国国家航空航天局)和JAXA(日本宇宙航空研究开发机构)已经在太阳帆技术上进行了成功测试。也许在不远的将来,人类就能够扬起美丽的太阳帆,在太空星海中自由邀游了。
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