Ombord på rymdskeppet Enterprise, du umgås med besättningsmedlemmarna, njuter av ett spel poker. Du reser i impulshastighet under en lugn djuputforskning, och alla har lite stillestånd. Men vänta - helt plötsligt, fartyget får ett brådskande meddelande från en federationsadmiral, informera besättningen om ett krigsutbrott i den neutrala zonen. Företaget beordras att rapportera till situationen så snart som möjligt. Området i fråga är cirka 20 ljusår (117 biljoner kilometer) bort, men detta är inget problem i "Star Trek" universum. Kaptenen justerar skeppets varpdrift på lämpligt sätt, och du nöjer dig med warphastighet . Reser snabbare än ljusets hastighet, du bör komma till din destination på bara några minuter.
Strax
Så länge människor har tittat upp mot himlen, rymden har fascinerat oss, och astronomer och filosofer har ställt de mest grundläggande frågorna medan de stirrade på stjärnorna. Vad gör vi här, i alla fall? Hur började universum, och finns det andra, parallella universum som speglar vårt? Finns det liv där ute i andra galaxer, och hur skulle det vara att resa dit?
Även om vi inte riktigt har svarat på dessa frågor, vi har åtminstone science fiction som "Star Trek" för att testa den mänskliga fantasin. Allt från H.G. Wells "The Time Machine" till "Star Trek" till Joss Whedons "Firefly" -serie har berört möjligheterna med tidsresor, teleportation och självklart, warphastighet. Men hur passar något som vridhastighet in i verkligheten och vårt universum? Är varphastighet bara en galen science fiction -enhet, eller är det teoretiskt möjligt? Hur fungerar det i "Star Trek" -universumet? För allt på varvhastighet, oändligheten och bortom, läs följande sidor.
Innehåll
När författarna till "Star Trek" satte sig för att planera serien, de mötte några problem. De skapade i huvudsak en rymdopera , en undergenre av science fiction som utspelar sig i rymden och som täcker flera galaxers och miljontals ljusår. "Star Wars" -filmerna är ett annat exempel på rymdoperans undergenre. Som "opera" -delen av namnet antyder, en show som "Star Trek" är inte avsedd att vara långsam eller vanlig - när folk tänker på serien, de tänker förmodligen på melodramatiska tomter som involverar utomjordingar, rymdresor och actionfyllda laserstrider.
Så skaparen av serien, Gene Roddenberry, och de andra författarna var tvungna att hitta ett sätt att flytta seriens karaktärer runt universum i tid, dramatiskt sätt. På samma gång, de ville göra sitt bästa för att hålla sig till fysikens lagar. Det största problemet var att även om ett rymdskepp kunde färdas med ljusets hastighet, tiden att gå från en galax till en annan kan fortfarande ta hundratals, kanske tusentals år. En resa från jorden till mitten av vår galax, till exempel, skulle ta cirka 25, 000 år om du skulle resa strax under ljusets hastighet. Detta, självklart, skulle inte göra särskilt spännande tv.
Uppfinningen av varphastighet löste operadelen av problemet, eftersom det tillät företaget att gå mycket snabbare än ljusets hastighet. Men vad var förklaringen? Hur kan de förklara ett föremål som färdas snabbare än ljusets hastighet, något Einstein visade sig vara omöjligt i sin speciella relativitetsteori?
Det första hindret författarna fick möta är mycket enklare än du tror. En av de viktigaste sakerna du behöver veta innan du förstår varvhastighet är faktiskt ett av de äldsta knepen i fysikboken, Newtons tredje rörelselag . Du har säkert hört det förut - denna lag säger att för varje handling, det finns en lika och motsatt reaktion. Det betyder helt enkelt att för varje interaktion mellan två objekt, ett par krafter arbetar på dem båda. Till exempel, om du rullar en biljardboll rakt in i en annan som är i vila, de kommer båda att utöva lika kraft på varandra. Den rörliga bollen kommer att träffa bollen i vila och skjuta bort den, men det kommer också att skjutas tillbaka av det senare.
Du känner att denna lag spelar in varje gång du accelererar i en bil eller flyger i ett flygplan. När fordonet går snabbare och går framåt, du känner press på din sits. Sitsen pressar på dig, men du utövar också en kraft mot sätet.
Så vad har detta att göra med "Star Trek" och Enterprise? Även om det var möjligt att accelerera till ungefär halva ljusets hastighet, en sådan intensiv acceleration skulle döda en person genom att krossa honom mot sitt säte. Även om han skulle trycka tillbaka med en lika stor och motsatt kraft, hans massa jämfört med rymdskeppet är alldeles för liten - samma sak händer när en mygg träffar din vindruta och stänker. Så hur kan företaget möjligen gå snabbare än ljusets hastighet utan att döda medlemmarna ombord?
I nästa avsnitt, vi får se hur "Star Trek" -skaparna började komma runt problemet med att skicka materia genom rymden med superluminala hastigheter.
För att kringgå frågan om Newtons tredje rörelselag och omöjligheten att materia reser snabbare än ljusets hastighet, vi kan se till Einstein och förhållandet mellan rum och tid. Tagen tillsammans, Plats, bestående av tre dimensioner (upp-ned, vänster höger, och framåt-bakåt) och tid är alla en del av det som kallas rymd-tid-kontinuum .
Det är viktigt att förstå Einsteins arbete med rymd-tidskontinuum och hur det förhåller sig till företaget som reser genom rymden. I hans Särskild relativitetsteori , Einstein säger två postulat:
Att sätta ihop dessa två idéer, Einstein insåg att rum och tid är relativa - ett objekt i rörelse upplever faktiskt tiden i en långsammare takt än ett i vila. Även om detta kan verka absurt för oss, vi reser otroligt långsamt jämfört med ljusets hastighet, så vi märker inte att händerna på våra klockor tickar långsammare när vi springer eller reser på ett flygplan. Forskare har faktiskt bevisat detta fenomen genom att skicka atomur med höghastighetsraketfartyg. De återvände till jorden något bakom klockorna på marken.
Vad betyder detta för Kapten Kirk och hans team? Ju närmare ett föremål kommer ljusets hastighet, det objektet upplever faktiskt tiden i en betydligt långsammare takt. Om företaget färdades säkert nära ljusets hastighet till mitten av vår galax från jorden, det skulle ta 25, 000 års jordtid. För besättningen, dock, resan skulle förmodligen bara ta 10 år.
Även om den tidsramen kan vara möjlig för individerna ombord, vi har ytterligare ett problem - en federation som försöker driva en intergalaktisk civilisation skulle få problem om det tog 50, 000 år för ett rymdskepp att träffa mitten av vår galax och komma tillbaka.
Så företaget måste undvika ljusets hastighet för att hålla passagerarna ombord synkroniserade med Federationstid. På samma gång, det måste också nå snabbare hastigheter än ljusets för att kunna röra sig runt i universum på ett effektivt sätt. Tyvärr, som Einstein säger i sin speciella relativitetsteori, ingenting är snabbare än ljusets hastighet. Rymdresor skulle därför vara omöjligt om vi tittar på den speciella relativiteten.
Det är därför vi måste titta på Einsteins senare teori, de Allmän relativitetsteori , som beskriver hur tyngdkraften påverkar rymdens form och tidsflöde. Föreställ dig ett utsträckt ark. Om du placerar en bowlingboll i mitten av arket, arket kommer att vrida sig när kulans vikt trycker ner på den. Om du placerar en baseboll på samma ark, den kommer att rulla mot bowlingbollen. Detta är en enkel design, och rymden fungerar inte som ett tvådimensionellt lakan, men det kan appliceras på något som vårt solsystem - mer massiva föremål som vår sol kan förvränga rymden och påverka banorna på de omgivande planeterna. Planeterna faller inte i solen, självklart, på grund av de höga hastigheterna de reser med.
På nästa sida, vi får se hur detta spelar in på Enterprise.
Förmågan att manipulera rymden är det viktigaste konceptet när det gäller varvhastighet. Om företaget kunde förvränga rymdtidskontinuum genom att expandera området bakom det och kontraktera området framför, besättningen kunde undvika att gå ljusets hastighet. Så länge det skapar sitt eget gravitationsfält, rymdskeppet kan resa lokalt med mycket långsam hastighet, undviker därför fallgroparna i Newtons tredje rörelselag och håller klockor synkroniserade med dess lanseringsplats och destination. Fartyget färdas inte riktigt med en "hastighet, "i och för sig - det är mer som att det drar sitt mål mot det samtidigt som det trycker tillbaka utgångspunkten.
Eftersom idéerna bakom Einsteins allmänna relativitetsteori är komplexa och fortfarande öppna för tolkning, detta lämnar möjligheterna öppna för science fiction -författare. Vi kanske inte vet hur vi böjer rum och tid med vår nuvarande teknik, men en fiktiv civilisation i framtiden kan vara helt kapabel att uppfinna en sådan enhet med rätt fantasi.
I "Star Trek" -universum, varphastighet uppnås genom användning av en warpdrift . Varpdrivningen drivs av materia-antimateriereaktioner, som regleras av ett ämne som kallas dilithium . Denna reaktion skapar mycket energisk plasma som kallas elektroplasma , en typ av materia med sitt eget magnetfält, som reagerar med rymdskeppets varpspolar . Varpspolarna är vanligtvis inneslutna i vad "Star Trek" -författarna kallar a varp nacelle . Hela paketet skapar ett "varpfält" eller "bubbla" runt företaget, så att fartyget och dess besättning kan förbli säkra medan rymden manipulerar runt dem.
Någon gång mellan den första tv -serien ("Star Trek:The Original Series") och den andra ("Star Trek:The Next Generation"), författarna bestämde sig för att tilldela en gräns för varvhastighet-med hjälp av en skala från Warp-1 till Warp-10, Företaget fick inte resa precis var som helst när som helst, eftersom det skulle göra planering för lätt. I föreställningen, Warp-10 blev en omöjlig maxhastighet, en oändlighet där rymdskeppet skulle vara på alla punkter i universum samtidigt. Warp-9.6, enligt den "nästa generationens" tekniska manual, är den högsta tillåtna hastigheten - den är inställd på 1, 909 gånger ljusets hastighet. Även om det finns vissa inkonsekvenser, följande lista över de olika hastigheterna i "Star Trek" -universumet:
Varpfaktor
Antal gånger ljusets hastighet 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 Oändlighet
I nästa avsnitt, Vi tar en titt på några av problemen som konceptet med varphastighetsmöten.
Så Einstein hjälpte "Star Trek" -författarna att manipulera rymden i ett science fiction -universum, men är det faktiskt möjligt att bygga ett rymdskepp som kan driva människor över stora galaxer på en relativt kort tid?
Fysikern Miguel Alcubierre har föreslagit användning av så kallad "exotisk materia, "en teoretisk typ av materia med negativ energi. Om den kunde hittas eller skapas, den exotiska materien skulle göra jobbet med att avvisa utrymme och tid och skapa gravitationen.
Tyvärr, det är så långt det går för möjliga bränslekällor - det finns fler problem än lösningar när det gäller konceptet att driva varvhastighet. Även om företaget skulle resa med sublighthastigheter, känd som impulsdrift till "Star Trek" fans, mängden bränsle och energi som behövs för att resa snabbt genom rymden skulle vara för mycket för ett enda rymdskepp. Företagets impulsdrift drivs av kärnfusion, samma typ av reaktion som lyser upp solen och skapar enorma explosioner från vissa kärnbomber. Enligt Dr Lawrence Krauss, en teoretisk fysiker och författare till "The Physics of Star Trek, "om kapten Kirk ville resa med halva ljusets hastighet (150, 000 kilometer per sekund), rymdskeppet skulle behöva bränna 81 gånger sin massa i väte, bränslet som används för kärnfusion. I den tekniska manualen för "Star Trek:The Next Generation" anges företaget som mer än 4 miljoner ton i vikt, så skeppet skulle behöva mer än 300 miljoner ton väte bara för att gå vidare. Självklart, att sakta ner till ett stopp, rymdskeppet skulle behöva ytterligare 300 miljoner ton bränsle, och en potentiell resa över galaxer skulle behöva 6, 642 gånger massan av "Enterprise".
Vissa människor har föreslagit ett system där en enhet samlar väte när rymdskeppet färdas, förutan behovet av att lagra stora mängder bränsle, men Krauss föreslår att den här enheten måste vara cirka 25 mil bred för att fånga något som är värt att använda. Även om väte är det vanligaste elementet i galaxen, det finns bara ungefär en väteatom för varje kubikcentimeter.
Att få varpdrivningen att fungera skulle vara en annan sak. Varpdriften i "Star Trek" får sin kraft genom att reagera materia med antimateria - resultatet är fullständig förintelse och utsläpp av ren energi. Eftersom antimateria inte är särskilt vanligt i vårt universum, förbundet måste producera det, något vi kan göra idag på Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) i Illinois. På nytt, problemet visar sig vara en fråga om mängden bränsle som behövs för att driva en varpdrift. Kruass konstaterar att Fermilab kan producera 50 miljarder antiprotoner på en timme - tillräckligt för att producera 1/1000 watt. Du skulle behöva 100, 000 Fermilabs för att driva en enda glödlampa. Att producera tillräckligt med antiprotoner för att böja rymdtidskontinuum ser nästan omöjligt ut så långt som vår nuvarande teknik går.
Även om det under det här århundradet är liten chans att människor utvecklar ett rymdskepp som kan böja rymden och resa till avlägsna galaxer snabbare än ljusets hastighet, detta har inte hindrat både forskare och fans av serien att tänka på potentialen. Så sent som i november 2007 British Interplanetary Society samlade flera fysiker för en konferens som heter "Faster Than Light:Breaking the Interstellar Distance Barrier" [källa:Guardian].
Vetenskapen om "Star Trek"För mycket mer information om rymden och intergalaktiska resor, se nästa sida.
relaterade artiklar
Fler fantastiska länkar
Källor
