太陽帆と彗星の尾：太陽光が物体を動かす仕組み

帆船時代、船は発見と貿易の航海で地球を周回しました。その時代は1800年代に終わりを告げ、石炭を燃料とする蒸気機関が風力発電に取って代わりました。今、私たちは新たな帆船時代を迎えているかもしれません。ただし、今度は宇宙での時代です。歴史を逆転させ、エンジンと燃料の代わりに、風ではなく太陽光で推進する帆を備えた宇宙船が登場するかもしれません。

このアイデアはまだ開発段階ですが、実現可能であることは分かっています。ほんの数週間前、NASAは新型試験機「先進複合ソーラーセイルシステム（ACS3）」と呼ばれる衛星に帆を揚げました。ACS3は幅9メートルの正方形の帆を備えており、軌道を調整することができます。

さて、実際にどこかへ行くには、はるかに大きな帆が必要です。NASAは1,650平方メートルの帆を建造しようとしましたが、予算の制約から実現不可能として2022年に断念しました。しかし、これは実現上の問題であり、賢い人間ならきっと解決できるでしょう。

念のため言っておきますが、これは屋根に太陽光発電パネルを設置して発電するのとは違います。多くの宇宙船や惑星探査車はすでにそれらを使用しています。これは実際には、太陽光によって推進される光沢のある超軽量の帆です。さて、光がどうやって物体を動かすのかと疑問に思うかもしれません。

彗星の尾

いい質問ですね！誰かが日の出の美しさに「圧倒された」と言うとき、私たちは実際に打ちのめされたとは想像しません。しかし、表面で反射する光は、たとえ小さいものであっても、実際に物理的な力を発揮します。

一例として、彗星の尾が挙げられます。彗星が宇宙を猛スピードで飛ぶときに飛行機雲のように広がるのを想像するかもしれません。しかし、違います。彗星は基本的に大きな汚れた雪玉です。太陽に近づくと、その氷の一部がガスに変わり、塵の雲が放出されます。そして太陽の光がその塵を押し流し、彗星の進路の横に何百万マイルも伸びる流れを作り出します。

そういえば、今まさに接近中の彗星が、10月には壮大なショーを披露するかもしれません。ツチンシャン・アトラス彗星と呼ばれ、その尾は肉眼でも見えるかもしれません。

電磁波

さて、光は波として伝わります。これは一種の「移動」です。海の波を考えてみてください。水は上下に動くだけですが、その垂直方向の移動は水面を水平方向に伝わります。もしあなたが水の中に入ってしまえば、間違いなく転落してしまうでしょう。

しかし、光の波は海の波や音波とは異なります。海から水がなくなると、サーフィンできる波は存在しなくなります。音波についても同じことが言えます。波が「揺れる」ための大気がなければ、波は存在しません。だからこそ、宇宙は不思議なほど静寂なのです。

一方、光は空間を伝わることができます。これは、ある意味で光波がそれ自体が媒体であるからです。光波は実際には2つの波、つまり電場波と磁場波から構成されているからです。そのため、私たちはこれを電磁放射と呼びます。

これには携帯電話基地局から放射される電波も含まれます。その波長は1メートルから数百メートルです。非常に短い波長（400～700ナノメートル）では、電磁波（EM）が目に作用します。これを可視光と呼びます。さらに波長が短いと、X線になります。

しかし、重要なのは次の点です。電気成分と磁気成分は互いに垂直であり、どちらも波の進行方向に対して垂直です。こちらは電磁波が移動する様子を描いたアニメーションです。黄色の矢印は電界、マゼンタ色の矢印は磁界です。かっこいいと思いませんか？

電場内の電荷

それでは、電磁波が物質とどのように相互作用するかを見てみましょう。まず、陽子（正電荷）や電子（負電荷）のような電荷を帯びた粒子が電場の中で何が起こるかを見てみましょう。空間に上向きの一定の電場（ E ）を持つ領域があるとします。

陽子が+qクーロンの電荷を持っているとすると、電場は陽子を電場の方向にqx Eの力で加速させ、陽子を上向きに加速させます。負の電子の場合、力は反対方向、つまり下向きになります。

磁場中の電荷の移動

しかし、これはまだ半分しか解明されていません。磁場は荷電粒子とも相互作用しますが、奇妙なことに、荷電粒子が動いている場合にのみ作用します。そして、さらに奇妙なのは、この磁力の方向（下図のF矢印で示されている）が、粒子の速度（ qv）の方向と磁場（B）の方向に対して垂直であるということです。これは次のように表せます。

負に帯電した粒子が反対方向に動いている場合、正電荷と同じ方向に磁力がかかります。何というか、電荷も方向も逆なので、いわば二重反転ですね。

楽しみのために、テスラコイルとクルックス管を使った電気力と磁気力のデモンストレーションをご紹介します。左側にあるテスラコイルは非常に強い電界を発生させ、そこから火花が散っています。この電界により、管内の電子は左から右へと加速されます。明るい線はこの流れの軌跡を示しています。

今度は磁石のN極を電子ビームに近づけてみましょう。ビームが上向きに曲がっているのが分かります（これは磁場と電子の速度の両方に垂直です）。これは、電子が磁場によって偏向され、押し出されていることを示しています。

電磁波と物質

では、すべてをまとめてみましょう。電場が上向きの時に、電磁波が右方向に動いているとします。この電場が正に帯電した陽子に遭遇すると、その陽子は上方向に移動し始めます。

しかし、陽子が上向きに動き、磁場が紙面の外側を向いているため、電磁波と同じ方向、つまり右向きの力が働くことになります。もはや上向きではなく、前方に押し出されているのです。

陽子を負に帯電した電子に置き換えても同じことが起こります。陽子は電場の影響で下向きに動き始めます。しかし、移動する電荷であるため、磁力が働き、粒子は再び波の方向に押し出されます。

なぜ私たちはこれらの小さな素粒子に関心を持つのでしょうか？それは、すべての物質が陽子と電子（そして中性子）で構成されているからです。さあ、光が物体を押せることを証明しました。そして、その理由は光が電場と磁場の両方を持っているからです。

光の力を推定する

では、このことからどれくらいの電力が得られるのでしょうか？電磁波における電界と磁界の強さは互いに独立ではありません。EがわかればBもわかります。そして、電界が強ければ強いほど、物質との相互作用も強くなります。

複合効果を説明する方法の一つは、ポインティングベクトル（S）を使うことです。これは波の進行方向を指します。（事実：ジョン・ヘンリー・ポインティングにちなんで名付けられました。）これを用いて、放射圧（ P）を計算できます。放射圧とは、ある表面に当たる光が単位面積あたりに及ぼす力のことです。

ここでcは光速（約3×10 ⁸メートル/秒）、Sはポインティングベクトルの平均強度です。太陽光のポインティングベクトルの値が1平方メートルあたり1,350ワットであると仮定すると、放射圧は4.5×10 ^–6ニュートン/平方メートルとなります。

この放射圧をNASAのACS3ソーラーセイル（面積81平方メートル）に適用すると、3.6 x 10-4ニュートンの太陽力が得られます^。確かに微々たるものです。これは、手のひらに握った塩一粒の重力とほぼ同じです。しかし、これは無制限に利用できる無料のエネルギーなのです！

そして、時間の経過とともに何が起こるか考えてみてください。太陽が輝いている限り、その力は継続して作用するため、宇宙船は加速し続けます。宇宙空間の真空では抵抗がないため、長距離を非常に高速で飛行できる可能性があります。

何よりも素晴らしいのは、燃料が不要になることです。ロケットエンジンは化学反応を利用して推進力を生み出し、後部から物質を噴射します。しかし、質量を放出するには質量を運ばなければなりませんが、運べる量には限りがあります。だからこそ、ソーラーセイルは宇宙のずっと遠くまで行くことを可能にするはずです。

でも今のところは、10月にツチンシャン・アトラス彗星がやって来ます。太陽の微小な力が塵に作用して、長く続くことで大きく美しい尾が生まれることを期待しています。きっと素晴らしいものになると思います。