Sådan fungerer Warp Speed

NASA
En kunstners gengivelse af, hvordan kædehastighed kan se ud for en rumrejsende.

Ombord på stjerneskibet Enterprise, du hænger ud med besætningsmedlemmerne, nyder et spil poker. Du rejser med impulshastighed under en afslappet dybdeforskning, og alle har lidt nedetid. Men vent - lige pludselig skibet modtager en presserende besked fra en føderationsadmiral, informere besætningen om et krigsudbrud i den neutrale zone. Virksomheden pålægges at rapportere til situationen så hurtigt som muligt. Det pågældende område er omkring 20 lysår væk (117 billioner kilometer) væk, men dette er ikke noget problem i "Star Trek" -universet. Kaptajnen justerer skibets kædedrev passende, og du nøjes med kædehastighed . Rejser hurtigere end lysets hastighed, du skulle ankomme til din destination på få minutter.

Næste

• Sådan fungerer lyssværd
  
• Sådan fungerer raketmotorer
  
• Nysgerrighedsprojekt:10 forældede astronomiske teorier
  

Så længe mennesker har set op til himlen, rummet har fascineret os, og astronomer og filosoffer har stillet de mest grundlæggende spørgsmål, mens de stirrede på stjernerne. Hvad laver vi her, alligevel? Hvordan begyndte universet, og er der andre, parallelle universer, der afspejler vores? Er der liv derude i andre galakser, og hvordan ville det være at rejse dertil?

Selvom vi ikke helt har svaret på disse spørgsmål endnu, vi har i det mindste science fiction som "Star Trek" til at teste den menneskelige fantasi. Alt fra H.G. Wells '"The Time Machine" til "Star Trek" til Joss Whedons "Firefly" -serie har berørt mulighederne for tidsrejser, teleportation og selvfølgelig, kædehastighed. Men hvordan passer noget som kædehastighed ind i virkeligheden og vores univers? Er warp speed bare en skør science fiction -enhed, eller er det teoretisk muligt? Hvordan fungerer det i "Star Trek" -universet? For alt om kædehastighed, uendeligt og videre, læs de følgende sider.

Indhold

1. Newtons tredje lov om bevægelse
2. Einstein, Relativitet og rumtidskontinuum
3. Warp Drive
4. Problemer med Warp Speed

Newtons tredje lov om bevægelse

Hulton Archive/Getty Images
"Star Trek" havde William Shatner som kaptajn James T. Kirk, men hvad skulle de gøre ved intergalaktisk rumrejse?

Da forfatterne af "Star Trek" satte sig for at planlægge serien, de befandt sig konfronteret med et par problemer. De skabte hovedsageligt et rumopera , en undergenre af science fiction, der finder sted i rummet og dækker spændvidden af ​​flere galakser og millioner af lysår. "Star Wars" -filmene er et andet eksempel på rumopera -undergenren. Som "opera" -delen af ​​navnet antyder, et show som "Star Trek" er ikke beregnet til at være langsomt eller almindeligt - når folk tænker på serien, de tænker sandsynligvis på melodramatiske plots, der involverer rumvæsner, rumrejser og actionfyldte laserkampe.

Så skaberen af ​​serien, Gene Roddenberry, og de andre forfattere måtte finde en måde at flytte showets karakterer rundt i universet i tide, dramatisk måde. På samme tid, de ville gøre deres bedste for at holde sig til fysikkens love. Det største problem var, at selvom et stjerneskib kunne rejse med lysets hastighed, tiden til at gå fra en galakse til en anden kan stadig tage flere hundrede, måske tusinder af år. En rejse fra jorden til midten af ​​vores galakse, for eksempel, ville tage omkring 25, 000 år, hvis du skulle rejse lige under lysets hastighed. Det her, selvfølgelig, ville ikke lave meget spændende fjernsyn.

Opfindelsen af ​​kædehastighed løste operadelen af ​​problemet, da det tillod virksomheden at gå meget hurtigere end lysets hastighed. Men hvad var forklaringen? Hvordan kunne de forklare et objekt, der kører hurtigere end lysets hastighed, noget Einstein viste sig umuligt i sin særlige relativitetsteori?

Eliot J. Schechter/Getty Images
Når denne shuttle kører ind i kredsløb, den vil rejse omkring 17, 000 miles i timen. Mennesker kan modstå denne hastighed i denne type shuttle, men hvis shuttle endda forsøgte at nærme sig lysets hastighed, effekten ville vise sig dødelig for astron

Den første forhindring forfatterne måtte konfrontere er meget enklere end du skulle tro. En af de vigtigste ting, du skal vide, før du forstår kædehastighed, er faktisk et af de ældste tricks i fysikbogen, Newtons tredje lov om bevægelse . Du har sikkert hørt det før - denne lov siger, at for hver handling, der er en lige og modsat reaktion. Det betyder ganske enkelt, at for hver interaktion mellem to objekter, et par kræfter arbejder på dem begge. For eksempel, hvis du ruller en billardbold lige ind i en anden, der hviler, de vil begge udøve en lige kraft på hinanden. Den bevægelige bold rammer bolden i hvile og skubber den væk, men det vil også blive skubbet tilbage af sidstnævnte.

Du føler, at denne lov spiller ind hver gang du accelererer i en bil eller flyver i et fly. Når køretøjet sætter fart og kører fremad, du føler pres på dit sæde. Sædet skubber på dig, men du udøver også en kraft mod sædet.

Så hvad har dette at gøre med "Star Trek" og Enterprise? Selvom det var muligt at accelerere til noget som halvdelen af ​​lysets hastighed, sådan intens acceleration ville dræbe en person ved at smadre ham mod sit sæde. Selvom han ville skubbe tilbage med en lige og modsat kraft, hans masse i forhold til stjerneskibet er bare for lille - den samme slags sker, når en myg rammer din forrude og sprøjter. Så hvordan kan Enterprise muligvis gå hurtigere end lysets hastighed uden at dræbe medlemmerne om bord?

I det næste afsnit, vi vil se, hvordan "Star Trek" -skaberne begyndte at komme uden om problemet med at sende stof gennem rummet med superluminale hastigheder.

Einstein, Relativitet og rumtidskontinuum

For at komme uden om spørgsmålet om Newtons tredje lov om bevægelse og umuligheden af ​​at rejse hurtigere end lysets hastighed, vi kan se til Einstein og forholdet mellem rum og tid. Taget sammen, plads, bestående af tre dimensioner (op-ned, venstre højre, og frem-tilbage) og tid er alle en del af det, der kaldes rum-tid kontinuum .

Det er vigtigt at forstå Einsteins arbejde med rum-tid-kontinuum og hvordan det relaterer sig til virksomheden, der rejser gennem rummet. I hans Særlig relativitetsteori , Einstein angiver to postulater:

1. Lysets hastighed (ca. 300, 000, 000 meter i sekundet) er det samme for alle observatører, om de flytter eller ej.
2. Enhver, der bevæger sig med en konstant hastighed, bør overholde de samme fysiske love.

At sætte disse to ideer sammen, Einstein indså, at rum og tid er relative - et objekt i bevægelse oplever faktisk tiden i en langsommere hastighed end en i hvile. Selvom det kan virke absurd for os, vi rejser utrolig langsomt i forhold til lysets hastighed, så vi bemærker ikke, at hænderne på vores ure tikker langsommere, når vi løber eller rejser på et fly. Forskere har faktisk bevist dette fænomen ved at sende atomure med højhastighedsraketskibe. De vendte tilbage til Jorden lidt bag ure på jorden.

Hvad betyder dette for Kaptajn Kirk og hans team? Jo tættere et objekt kommer på lysets hastighed, det objekt oplever faktisk tiden i en betydeligt langsommere hastighed. Hvis virksomheden rejste sikkert tæt på lysets hastighed til midten af ​​vores galakse fra Jorden, det ville tage 25, 000 års jordtid. For besætningen, imidlertid, turen ville sandsynligvis kun tage 10 år.

Selvom denne tidsramme muligvis er mulig for de indbyggede ombord, vi får endnu et problem - et forbund, der forsøger at drive en intergalaktisk civilisation, ville støde på nogle problemer, hvis det tog 50, 000 år for et stjerneskib at ramme midten af ​​vores galakse og vende tilbage.

Så virksomheden skal undgå lysets hastighed for at holde passagererne ombord synkroniseret med forbundstid. På samme tid, den skal også nå hurtigere hastigheder end lysets for at bevæge sig rundt i universet på en effektiv måde. Desværre, som Einstein siger i sin særlige relativitetsteori, intet er hurtigere end lysets hastighed. Rumrejser ville derfor være umuligt, hvis vi ser på den særlige relativitet.

Ifølge Einsteins generelle relativitetsteori, stof bøjer rummet og tiden. Forvrængningen af ​​rum-tid-kontinuum påvirker endda lysets adfærd.

Derfor er vi nødt til at se på Einsteins senere teori, det Generel relativitetsteori , som beskriver hvordan tyngdekraften påvirker formen af ​​rummet og tidens strøm. Forestil dig et udstrakt ark. Hvis du placerer en bowlingbold midt på arket, arket vil ske, når kuglens vægt skubber ned på den. Hvis du placerer en baseball på det samme ark, den vil rulle mod bowlingbolden. Dette er et enkelt design, og rummet fungerer ikke som et todimensionalt sengetøj, men det kan anvendes på noget som vores solsystem - mere massive genstande som vores sol kan fordreje rummet og påvirke banerne på de omkringliggende planeter. Planeterne falder ikke i solen, selvfølgelig, på grund af de høje hastigheder, de kører med.

På den næste side, vi vil se, hvordan dette spiller ind på Enterprise.

Warp Drive

Evnen til at manipulere rummet er det vigtigste koncept med hensyn til kædehastighed. Hvis virksomheden kunne forvrænge rum-tidskontinuum ved at udvide området bagved det og kontraherer området foran, besætningen kunne undgå at gå lysets hastighed. Så længe det skaber sit eget gravitationsfelt, stjerneskibet kunne rejse lokalt med meget langsomme hastigheder, derfor undgå faldgruberne i Newtons tredje lov om bevægelse og holde ure synkroniseret med dets lanceringssted og destination. Skibet kører ikke rigtig med en "hastighed, "i sig selv - det er mere som om det trækker sin destination mod det, mens det skubber sit udgangspunkt tilbage.

En kædeboble, der omgiver et stjerneskib, som beskytter skibet og besætningsmedlemmer, da rum og tid forvrænger.

Fordi ideerne bag Einsteins generelle relativitetsteori er komplekse og stadig er åbne for fortolkning, dette efterlader mulighederne vidt åbne for science fiction -forfattere. Vi ved måske ikke, hvordan vi bøjer rum og tid med vores nuværende teknologi, men en fiktiv civilisation i fremtiden kan være fuldstændig i stand til at opfinde en sådan enhed med den rigtige fantasi.

I "Star Trek" -universet, kædehastighed opnås ved brug af en kædedrev . Warp-drevet drives af materie-antimateriale reaktioner, som er reguleret af et stof kaldet dilithium . Denne reaktion skaber meget energisk plasma kendt som elektroplasma , en type stof med sit eget magnetfelt, som reagerer med stjerneskibets kædespoler . Warp -spolerne er typisk indesluttet i det, som "Star Trek" -forfatterne kalder a kæde nacelle . Hele pakken skaber et "kædefelt" eller "boble" omkring virksomheden, tillader skibet og dets besætning at forblive sikre, mens rummet manipulerer omkring dem.

Engang mellem den første tv -serie ("Star Trek:The Original Series") og den anden ("Star Trek:The Next Generation"), forfatterne besluttede at tildele en grænse for kædehastighed-ved hjælp af en skala fra Warp-1 til Warp-10, virksomheden fik ikke lov til at rejse hvor som helst når som helst, da det ville gøre plottet for let. I showet, Warp-10 blev en umulig maksimalhastighed, en uendelighed, hvor stjerneskibet ville være på alle punkter i universet på samme tid. Warp-9.6, ifølge den "næste generation" tekniske manual, er den højeste tilladte hastighed - den er sat til 1, 909 gange lysets hastighed. Selvom der er nogle uoverensstemmelser, følgende liste over de forskellige hastigheder i "Star Trek" -universet:

Warp -faktor
Antal gange lysets hastighed 1 1 2 10 3 39 4 102 5 215 6 392 7 656 8 1, 024 9 1, 516 9,6 1, 909 10 Uendeligt

I det næste afsnit, vi tager et kig på nogle af de problemer, konceptet med kædehastighed møder.

Problemer med Warp Speed

Les Bossinas/NASA
En kunstners gengivelse af et rumskib, der kører med kædehastighed.

Så Einstein hjalp "Star Trek" -forfatterne med at manipulere rummet i et science fiction -univers, men er det faktisk muligt at bygge et rumskib, der kunne drive mennesker på tværs af store galakser i en relativt kort periode?

Fysikeren Miguel Alcubierre har foreslået brug af såkaldt "eksotisk stof, "en teoretisk type stof med negativ energi. Hvis det kunne findes eller skabes, det eksotiske stof ville gøre jobbet med at afvise rum og tid og skabe tyngdefeltet.

Desværre, det er så langt det går for mulige brændstofkilder - der er flere problemer end løsninger, når det kommer til konceptet om at drive kædehastighed. Selv hvis virksomheden skulle rejse med sublight -hastigheder, kendt som impulsdrev til "Star Trek" fans, mængden af ​​brændstof og energi, der er nødvendig for at rejse hurtigt gennem rummet, ville være for meget for et enkelt stjerneskib. Virksomhedens impulsdrev drives af atomfusion, den samme slags reaktion, der lyser op i solen og skaber enorme eksplosioner fra visse atombomber. Ifølge Dr. Lawrence Krauss, en teoretisk fysiker og forfatter til "The Physics of Star Trek, "hvis kaptajn Kirk ville rejse med halv lysets hastighed (150, 000 kilometer i sekundet), stjerneskibet skulle brænde 81 gange sin masse i brint, det brændstof, der bruges til atomfusion. Den tekniske manual til "Star Trek:The Next Generation" viser virksomheden som mere end 4 millioner tons i vægt, så skibet ville have brug for mere end 300 millioner tons brint bare for at komme videre. Selvfølgelig, at bremse til et stop, stjerneskibet ville have brug for endnu 300 millioner tons brændstof, og en potentiel tur på tværs af galakser ville kræve 6, 642 gange massen af ​​"Enterprise".

Nogle mennesker har foreslået et system, hvor en enhed samler brint, når stjerneskibet bevæger sig, foregiver nødvendigheden af ​​at lagre enorme mængder brændstof, men Krauss foreslår, at denne enhed skal være omkring 40 km bred for at fange noget, der er værd at bruge. Selvom brint er det mest forekommende element i galaksen, der er kun omkring et atom brint for hver kubikcentimeter.

At få warp -drevet til at fungere ville være en anden ting. Warp -drevet i "Star Trek" får sin magt ved at reagere stof med antimateriale - resultatet er fuldstændig tilintetgørelse og frigivelse af ren energi. Da antimaterie ikke er særlig almindelig i hele vores univers, forbundet skulle producere det, noget vi kan gøre i dag på Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) i Illinois. Igen, problemet viser sig at være et problem med den mængde brændstof, der er nødvendig for at drive et kædevælger. Kruass bemærker, at Fermilab er i stand til at producere 50 milliarder antiprotoner på en time - nok til at producere 1/1000 watt. Du skal bruge 100, 000 Fermilabs til at drive en enkelt pære. At producere nok antiprotoner til at bøje rum-tidskontinuumet ser næsten umuligt ud, så langt som vores nuværende teknologi rækker.

Selvom der i løbet af dette århundrede er ringe chance for, at mennesker udvikler et rumskib, der hurtigere kan bøje rummet og rejse til fjerne galakser end lysets hastighed, dette har ikke stoppet både forskere og fans af serien til at tænke på potentialet. Så sent som i november 2007, det britiske interplanetære samfund samlede flere fysikere til en konference kaldet "Hurtigere end lys:Bryde den interstellare afstandsbarriere" [kilde:Guardian].

Videnskaben om "Star Trek"
Hvad science fiction angår, "Star Trek" er godt anset af sine fans for at holde sig til relativt plausibel fysik. Selvom ingen er kommet op med et stjerneskib, der ville rejse med kædehastighed, ingen har modbevist muligheden for en sådan bedrift. "Star Trek" har også set andre store koncepter igennem serien, herunder forestillingen om tidsrejser gennem sorte huller eller ormehuller. Forfatterne får også adskillige nitpicky detaljer korrekte, såsom det faktum, at der ikke er lyd i rummet. Mens George Lucas inkluderer laserblæsninger og eksplosioner i hele sin "Star Wars" -serie for at holde tingene dramatiske, "Star Trek" holdt lidt tættere på virkeligheden ved ikke at inkludere lydeffekter i rummet.

For meget mere information om rum og intergalaktisk rejse, se næste side.

Masser mere information

relaterede artikler

• Sådan fungerer lyssværd
• Sådan fungerer Batmobile
• Sådan fungerer rumfartøjer til antimateriale
• Sådan fungerer raketmotorer
• Sådan fungerer særlig relativitet
• Findes der virkelig parallelle universer?
• Sådan fungerer tidsrejser
• Sådan fungerer teleportation
• Sådan fungerer julemandens slæde
• Hvordan klarer julemanden det rundt om i verden på en nat?
• Sådan fungerer Sci-Fi ikke

Flere store links

• StarTrek.com

Kilder

• Coen, Tchad. "Videnskaben om Star Trek." National geografi. 13. december kl. 2002. http://news.nationalgeographic.com/news/
  2002/12/1213_021213_tvstartrek.html
• Krauss, Lawrence. "Fysikken i Star Trek." New York:Grundlæggende bøger, 2007.
• Okuda, Michael og Rick Sternbach. "Star Trek:The Next Generation - Technical Manual. New York:Pocket Books, 1991.
• Randerson, James. "Forskere følger virksomheden og undersøger kædehastighed." Værgen. 12. november kl. 2007. http://www.guardian.co.uk/science/2007/nov/12/
  videnskabsnyheder. rumforskning
• Hvide Hus, David. "Warp drive mulig." BBC nyheder. 10. juni kl. 1999. http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/364496.stm