קרן לייזר זה קרן של אור (המורכב מפוטונים – נושאי האנרגיה של האור) בעוצמה רבה מאוד. ב-1916 אלברט אינשטיין הראה (תיאורטית) כי למרות שהפוטונים הם חלקיקים ללא מסה בכלל (מסתם היא אפס) בכל זאת יש להם 'תנע' – ולכן תיאורטית הם יכולים לדחוף חומרים שהם מתנגשים בהם (ולהעביר להם תנע). מספר שנים בודדות לאכן מכן (1922), הפיזיקאי ארתור קומפטון עשה ניסוי ובו גילה את 'אפקט קומפטון' שהוכיח שאינשטיין אכן צדק, ולפוטונים אכן יש תנע שהם יכולים להעביר לחומרים אחרים, בעלי מסה (קומפטון הראה שפוטונים יכולים להעביר תנע כאשר מתנגשים באלקטרונים שבתוך האטום, וזכה על כך בפרס נובל).
ארתור קומפטון - הראה שלאור יש תנע. תמונה באדיבות ויקיפדיה
אבל מה העוצמה של כוח הדחיפה של האור? תוך שימוש במשוואות התנע של פוטון (שזה 'קבוע' חלקי אורך הגל של האור) והאנרגיה של פוטון (שזה 'גודל קבוע' כפול מהירות האור, וחלקי אורך הגל), ניתן להראות בקלות, שהלחץ שמפעילה קרן אור על משטח שהיא מאירה עליו הוא בסה"כ עוצמת האור (בוואטים ליחידת שטח) חלקי מהירות האור. כיוון שמהירות האור זה גודל גדול ביותר (300 אלף קילומטר בשנייה, או 300 מיליון מטר בשנייה) יוצא שהלחץ שקרן אור מפעילה על משטחים הוא קטן ביותר. דוגמא מספרית להדגים עד כמה כוח הדחיפה של האור קטן: השמש מאירה על כדור הארץ בעוצמה של 1370 וואט לכל מטר רבוע, מכאן שהלחץ של הפוטונים הוא –108*3 / 1370 =4.57 מיקרו-ניוטון למטר – שזה אומר שעל משטח ריבועי של 1000 מטר על 1000 מטר (קילומטר רבוע) – שאור השמש מאיר עליו פועל כוח של 4.57 ניוטון עקב קרינת השמש, שזה שווה ערך ל- ~450 גרם בלבד (פחות ממשקלו של בקבוק קטן של מים מינרלים!).
קרן הלייזר החזקה בעולם (נכון לשנתיים האחרונות) היא בעוצמה אדירה של 1.1 מיליון וואט – שאם נניח ששטח הקרן הוא 1 סנטימטר רבוע, אזי לחץ הפוטונים הוא 366 מ"ג בלבד! (פחות ממשקל של כדור אקמול, וזה הלייזר הכי חזק בעולם).
לסיכום, היום אי אפשר, וגם קשה להעלות על הדעת שבעתיד יהיה אפשר ליצור קרן אור שתיצור כוח שקול לכוח של אסטרואיד, גוש של סלע וקרח המרחף בחלל – שיכול לשקול גם מספר טונות).
האסטרואיד מתילדה 253, קוטר של כ-50 קילומטר. תמונה באדיבות ויקיפדיה
אבל – מי צריך ליצור כוח שקול כאשר יש כל כך הרבה אנרגיה? למשל הלייזר החזק בעולם אמנם לא יכול לדחוף יותר מכדור אקמול, אבל בפועל כל חומר שהקרן תפגע בו יתחמם מיידית לטמפ' של 100 מיליון מעלות – ויהפוך מיידית לאדים ואפילו לפלזמה (אטומים שאיבדו חלק מהאלקטרונים שלהם) ובגלל שהכל יתרחש במהירות אדירה בגלל האנרגיה הרבה, סביר להניח שכל איזור שהקרן תפגעו בו יתפוצץ למעשה! ולא מדובר במדע בדיוני.
בקישורים הבאים סרטים על מערכת הנאוטילוס ליירות רקטות באמצעות לייזר (הדקה הראשונה של הסרט) ועל מערכת ABL – ובה מטוס ג'מבו הפך למחולל לייזר ענק ליירוט טילים בליסטיים, והצליח להפיל בניסוי 2 טילי סקאד במרחק 400 ק"מ – הישג מדעי-טכנולוגי אדיר. (המערכת הראשונה בעייתית בימיי עננות, ולכן, בין היתר הופסק פיתוחה, המערכת השנייה מיירטת טילים מעל האטמוספירה, ולכן אין בעיה של עננות או כל גורם מפריע).
מטוס לייזר פוגע בטיל בזמן מעופו, תמונה מתוך הסרט על המערכת.
היתרון בשימוש בלייזר ליירוט עצמיים הוא מהירות האור האדירה: בפועל, אפילו אם חפץ נמצא במרחק של 400 ק"מ, ברגע שהוא נמצא על הכוונת ונורה- הוא נופל (הזמן שלוקח לקרן האור להגיע לחפץ הוא זניח, כאלפית השנייה).
כלומר שימוש בצפיפות האנרגיה הרבה של הלייזר (ולא בכוח הדחף החלש של הפוטונים) יכול להיות פתרון פוטנציאלי נגד אסטרואידים: לפוצץ אותם לחלקים קטנים שכבר לא יגרמו נזק אפילו אם יפלו על כדור הארץ (אם בכלל יגיעו אל הקרקע בלי להישרף בזמן הנפילה עקב החיכוך עם האויר).
אפשרות אחרת היא שימוש ב'קרן גרירה' או דחיפה (tractor beam) של לייזר. בינתיים זה מונח שמופיע רק בסיפורים ובסרטים של מדע בדיוני כאשר מדובר בעצמים גדולים, אבל עבור עצמים מיקרוסקופיים הצליחו ליצור גם מעיין 'מלקחיים אופטיים' (שע"י שימוש בתנע של האור, ובצורה מיוחדת של העצם אותו גוררים, האור הצליח 'לתפוס' גולה קטנה בגודל של מספר מיקרונים), ובדיוק בתחילת החודש (מרץ 2011) פורסם מאמר המתאר קרן גרירה של אטומים ומולקולות (ע"י הטענתם באנרגיה ופליטתה חזרה).
לסיכום – הכוח הדוחף של האור זניח לחלוטין יחסית למשקל של אסטרואיד וזה לא נראה כיוון פיתוח אפשרי, אבל האנרגיה של האור משמעותית – אפילו בטכנולוגיה של ימיינו. בעתיד הרחוק אולי יצליחו לפתח 'קרן גרירה' של עצמים גדולים באמצעות לייזר, כאשר בימיינו הצליחו ניסויים בסקלה האטומית והמיקרוסקופית.
ד"ר אבי סאייג
מכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
