星際旅行夢碎？雷射帆推進技術遇「光學阻力」瓶頸

雷射帆推進技術的物理挑戰

雷射帆（Lightsail）被視為實現星際旅行最前衛的方案之一。其概念是透過展開超薄反射帆，利用強大雷射束產生的光子壓力推動太空船，使其在不需攜帶燃料的情況下加速前往其他恆星。然而，這項看似簡單優雅的技術，近期面臨了新的理論挑戰。

根據哈爾濱工業大學研究人員沈超（Chao Shen）與李佳澤（Jiaze Li）發表的一份預印本論文，當雷射帆船達到相對論性速度時，將會遭遇隱藏的推進問題。研究將雷射帆的推進力拆解為三種光子驅動力：入射光（Incident light）、鏡面反射（Specular reflection）以及擴散散射（Diffuse scattering）。在低速行駛時，這三種力均有助於推動帆船前進。

光速 75% 成為關鍵轉折點

問題在於當太空船加速至極高速度時，都卜勒效應（Doppler effects）會導致入射光的頻率降低，進而使推進力隨速度增加而減弱。研究指出，當速度接近光速的 75% 時，擴散散射效應會發生顯著變化：

「在接近光速 75% 時，擴散散射可能從輔助推力轉變為一種主動的阻力。」

雖然雷射產生的淨力仍能推動太空船前進，但這意味著推進效率將大幅下降，這為星際航行任務的設計帶來了新的限制。

工程挑戰仍待克服

這項研究目前屬於理論階段，僅聚焦於輻射動力學，尚未納入星際塵埃、氣體阻力、光束穩定性，以及帆面在高強度雷射照射下是否會變形或熔化等工程難題。儘管如此，理解光在極端速度下的行為，為任務設計者提供了重要的參數參考。未來的星際探測任務，仍需仰賴先進材料科學與光子結構的突破，才能克服這些物理上的不確定性。