现有模型在计算电磁波动量时候只考虑过在辐射方向上的动量,却从没有考虑过辐射电场方向上可能存在的动量,因为电磁波总是随时间周期变化,辐射电场的电场力做功在时间上没办法累积。如果我们把人为把辐射设计成电场方向不发生改变,那么辐射电场力做的功是可以累积的,也就是辐射在电场方向上存在动量,可以利用这部分动量来做推进。
带电粒子短时间匀加速的辐射
带电粒子电荷量为e,那么辐射场的电磁场强度如下:
nr为观察位置单位矢量,r为观察位置到带电粒子的距离,α为带电粒子加速度,v为粒子速度。
现把带电粒子运动情况设定在非相对论情况,带电粒子的加速度方向和运动方向相同且匀加速,令y=4πε0c²,此时辐射电场可以如下:
电磁辐射在电场方向上的隐藏动量
如果加速距离1远小于观察位置到粒子的距离r,加速时间为t那么粒子在加速区间任意时刻产生的辐射传到观察位置时可以近似的认为传播方向不变,辐射的电磁场方向也不发生改变。如果此时观察者位置有其它带电粒子,电荷量为q0那么此时受到电场力:
电场力对该带电粒子的电场力冲量为:
由于其它带电粒子的电荷量是可以改变的,导致电场力也是可变的,这就会导致能量不守恒,所以把能量守恒考虑进来。已知单位面积辐射的功率为:
其它带电粒子的电荷密度均为ρ,被辐射面积为d,把公式替换一下有:
ve为粒子在电场力作用下的平均速度。此时能量守恒,而电场力在辐射确定的情况下只和电荷量有关,平均速度和初始速度和加速度有关,所以对于给定质量电荷量的粒子,其能获得的最大动量和粒子荷质比和初始速度相关。如果辐射能量被粒子完全吸收,此时粒子可以获得的动量是:
v0为粒子初始速度,考虑加速,所以初始速度v。≥0,且质量m≥0,当初始速度为0时,公式(8)右边最大值。此时粒子能获得的最大动量变为:
可以发现对于不同荷质比的粒子,辐射的动量是不同的,荷质比越小,可以获得的动量越大,这个过程就像杠杆一样,荷质比类似于力矩,不能够使用常规的动量守恒来描述整个过程,而是和自身的属性相关,电磁作用发挥了像杠杆一样的神奇效果。
结论
电磁辐射在电场方向上也是具有动量的,只不过在时谐辐射中,辐射电场的动量在周期变化中彼此抵消,所以不能在时间上累积。通过分析带电粒子在脉冲辐射下的运动情况,可以得出辐射在电场方向上具有没被发现的隐藏动量,这个动量大小和粒子的荷质比有关,且是可以在时间上获得累积的。于是我们可以得出一个结论,就是辐射的隐藏动量方向是垂直于传播方向的,被辐射粒子的电场力不存在反作用力,人类是可以利用这个隐藏动量实现无推进剂推进的目标的。