우주항법에서의 라이트세일 방식은 궤변이 아닌가?

Question

우주 항법 시스템에서

최근에 계속 나오는 방법 중에는

제안되고 있는는 LightSail이 있다고 아는데요

빛의 돛 이라는 뜻인데

광자의 운동량을 추진력으로 활용 한다는 기술로 압니다.

근데

빛이라고 하는

광자는

사실 질량 자체가 없다고 아는데요

광자가

돛에 무수히 닿으면서

돛을 밀어준다는 원리로 아는데

질량 자체가 없는데 무슨 힘을 전해준다는 건가요?

또한 그런 원리를 이용해서

태양광은 약하기도 하고 멀어질 수록 더 약하다보니

아예 례이져를 쏴서 태양광 대비 수백배의 힘을 낸다는데

이론적으로 라이트세일로 광속 20%까지 가속한다고 들었습니다.

아까도 의문이었지만

질량 자체가 없는

광자를 통해 돛을 밀어준다는게

대체 무슨 논리인가요?

어떤 원리를 통해서 그게 가능하다는건가요?

Answer 1

안녕하세요. 강준우 전문가입니다.

빛은 질량은 없지만 운동량은 가지고 있습니다.

이게 무슨 소리인가 싶으실텐데, 특수상대성이론에 의해서, 움직이는 물체는 운동량이나 에너지나 속도가 변하게 됩니다. 그 관계식은 다음과 같습니다.

E^2 = (pc)^2 + (mc^2)^2

E는 에너지, p는 운동량, c는 광속, m은 질량입니다.

광자는 질량이 없으므로, E = pc입니다.

또, 양자역학에서 광자 하나의 에너지는 다음과 같습니다.

E = hf

h는 플랑크 상수, f는 빛의 진동수입니다.

따라서 광자의 운동량 p = hf/c = h/l 입니다.

l은 빛의 파장입니다.

빛은 운동량을 가지고 있기 때문에 운동량 보존 법칙이 성립합니다.

빛이 라이트세일을 때리면, 운동량 보존 법칙때문에 라이트 세일은 속도를 갖게됩니다.