science >> Wetenschap > >> Astronomie

Hoe warpsnelheid werkt

NASA
Een artistieke weergave van hoe warpsnelheid eruit zou kunnen zien voor een ruimtereiziger.

Aan boord van het ruimteschip Enterprise, je hangt rond met de bemanningsleden, genieten van een spelletje poker. Je reist met impulssnelheid tijdens een ontspannen verkenning van de diepe ruimte, en iedereen heeft wel wat downtime. Maar wacht - ineens, het schip een dringend bericht ontvangt van een Federatie-admiraal, het informeren van de bemanning over het uitbreken van een oorlog in de Neutrale Zone. De Enterprise wordt opgedragen zich zo spoedig mogelijk te melden. Het gebied in kwestie is ongeveer 20 lichtjaar (117 biljoen kilometer) verwijderd, maar dit is geen probleem in het "Star Trek"-universum. De kapitein past de warpaandrijving van het schip op de juiste manier aan, en je neemt genoegen met Warp snelheid . Sneller reizen dan de lichtsnelheid, u zou binnen enkele minuten op uw bestemming moeten aankomen.

Hoe lichtzwaarden werken
Hoe raketmotoren werken
Curiosity Project:10 verouderde astronomische theorieën

Zolang mensen naar de hemel hebben gekeken, ruimte heeft ons gefascineerd, en zowel astronomen als filosofen hebben de meest fundamentele vragen gesteld terwijl ze naar de sterren staarden. Wat doen we hier, hoe dan ook? Hoe is het universum ontstaan, en zijn er andere, parallelle universums die de onze weerspiegelen? Is er leven daarbuiten in andere sterrenstelsels, en hoe zou het zijn om daar te reizen?

Hoewel we deze vragen nog niet helemaal hebben beantwoord, we hebben tenminste science fiction zoals "Star Trek" om de menselijke verbeelding te testen. Alles van H.G. Wells' "The Time Machine" tot "Star Trek" tot Joss Whedon's "Firefly"-serie heeft de mogelijkheden van tijdreizen aangeraakt, teleportatie en, natuurlijk, Warp snelheid. Maar hoe past zoiets als warpsnelheid in de realiteit en ons universum? Is warpsnelheid gewoon een gek sciencefictionapparaat, of is het theoretisch mogelijk? Hoe werkt het in het "Star Trek"-universum? Voor alles op warpsnelheid, het oneindige en verder, lees de volgende pagina's.

Inhoud

Newtons derde bewegingswet
Einstein, Relativiteit en het ruimte-tijdcontinuüm
De Warp Drive
Problemen met warpsnelheid

Newtons derde bewegingswet

Hulton Archief/Getty Images
"Star Trek" had William Shatner als kapitein James T. Kirk, maar wat gingen ze doen aan intergalactische ruimtereizen?

Toen de schrijvers van "Star Trek" gingen zitten om de serie te plannen, ze werden geconfronteerd met een paar problemen. Ze creëerden in wezen een ruimte-opera , een subgenre van sciencefiction dat zich afspeelt in de ruimte en de spanwijdte van meerdere sterrenstelsels en miljoenen lichtjaren beslaat. De "Star Wars"-films zijn een ander voorbeeld van het subgenre van de ruimteopera. Zoals het 'opera'-gedeelte van de naam suggereert, een show als "Star Trek" is niet bedoeld om traag of gewoon te zijn -- als mensen aan de serie denken, ze denken waarschijnlijk aan melodramatische complotten met buitenaardse wezens, ruimtereizen en lasergevechten boordevol actie.

Dus de maker van de serie, Gene Roddenberry, en de andere schrijvers moesten een manier vinden om de personages van de show tijdig door het universum te verplaatsen, dramatische mode. Tegelijkertijd, ze wilden hun best doen om zich aan de wetten van de fysica te houden. Het grootste probleem was dat zelfs als een ruimteschip met de snelheid van het licht zou kunnen reizen, de tijd om van het ene sterrenstelsel naar het andere te gaan kan nog honderden duren, misschien duizenden jaren. Een reis van de aarde naar het centrum van onze melkweg, bijvoorbeeld, zou ongeveer 25 duren, 000 jaar als je net onder de lichtsnelheid zou reizen. Dit, natuurlijk, zou geen erg opwindende televisie zijn.

De uitvinding van warpsnelheid loste het operagedeelte van het probleem op, omdat het de Enterprise in staat stelde veel sneller te gaan dan de snelheid van het licht. Maar wat was de verklaring? Hoe konden ze een object verklaren dat sneller dan de lichtsnelheid reist, iets wat Einstein onmogelijk bleek in zijn speciale relativiteitstheorie?

Eliot J. Schechter/Getty Images
Wanneer deze shuttle in een baan om de aarde komt, het zal rond 17 uur reizen, 000 mijl per uur. Mensen kunnen deze snelheid weerstaan in dit type shuttle, maar als de shuttle zelfs maar probeerde de snelheid van het licht te benaderen, het effect zou fataal zijn voor astro

Het eerste obstakel dat de schrijvers moesten overwinnen, is veel eenvoudiger dan je zou denken. Een van de belangrijkste dingen die je moet weten voordat je warpsnelheid begrijpt, is eigenlijk een van de oudste trucs in het natuurkundeboek, Newtons derde bewegingswet . Je hebt het waarschijnlijk al eerder gehoord -- deze wet stelt dat voor elke actie, er is een gelijke en tegengestelde reactie. Het betekent simpelweg dat voor elke interactie tussen twee objecten, een paar krachten werkt aan beide. Bijvoorbeeld, als je de ene biljartbal recht in de andere rolt die stilstaat, ze zullen allebei een gelijke kracht op elkaar uitoefenen. De bewegende bal zal de bal in rust raken en wegduwen, maar het zal ook worden teruggeduwd door de laatste.

Je voelt dat deze wet elke keer dat je accelereert in een auto of in een vliegtuig vliegt, in het spel komt. Naarmate het voertuig versnelt en vooruit rijdt, je voelt druk op je stoel. De stoel duwt tegen je aan, maar je oefent ook een kracht uit op de stoel.

Dus wat heeft dit te maken met "Star Trek" en de Enterprise? Zelfs als het mogelijk zou zijn om te versnellen tot ongeveer de helft van de lichtsnelheid, zo'n intense versnelling zou iemand doden door hem tegen zijn stoel te slaan. Ook al zou hij terugduwen met een gelijke en tegengestelde kracht, zijn massa in vergelijking met het ruimteschip is gewoon te klein -- hetzelfde gebeurt als een mug je voorruit raakt en spettert. Dus hoe kan de Enterprise sneller gaan dan het licht zonder de leden aan boord te doden?

In de volgende sectie, we zullen zien hoe de makers van "Star Trek" het probleem begonnen te omzeilen om materie met superluminale snelheden door de ruimte te sturen.

Einstein, Relativiteit en het ruimte-tijdcontinuüm

Om de kwestie van de derde bewegingswet van Newton en de onmogelijkheid van materie die sneller dan de lichtsnelheid reist te omzeilen, we kunnen kijken naar Einstein en de relatie tussen ruimte en tijd. Bij elkaar genomen, ruimte, bestaande uit drie dimensies (up-down, links rechts, en vooruit-achteruit) en tijd maken allemaal deel uit van wat de . wordt genoemd ruimte-tijd continuüm .

Het is belangrijk om Einsteins werk over het ruimte-tijd continuüm te begrijpen en hoe het zich verhoudt tot de Enterprise die door de ruimte reist. In zijn Speciale relativiteitstheorie , Einstein stelt twee postulaten:

De snelheid van het licht (ongeveer 300, 000, 000 meter per seconde) is hetzelfde voor alle waarnemers, of ze nu wel of niet verhuizen.
Iedereen die zich met een constante snelheid voortbeweegt, moet zich aan dezelfde natuurkundige wetten houden.

Door deze twee ideeën samen te voegen, Einstein realiseerde zich dat ruimte en tijd relatief zijn - een bewegend object ervaart de tijd in feite langzamer dan een in rust. Hoewel dit ons misschien absurd lijkt, we reizen ongelooflijk langzaam in vergelijking met de snelheid van het licht, dus we merken niet dat de wijzers van onze horloges langzamer tikken als we rennen of reizen in een vliegtuig. Wetenschappers hebben dit fenomeen feitelijk bewezen door atoomklokken met hogesnelheidsraketschepen omhoog te sturen. Ze keerden iets achter de klokken op de grond terug naar de aarde.

Wat betekent dit voor Captain Kirk en zijn team? Hoe dichter een object bij de lichtsnelheid komt, dat object ervaart de tijd in feite in een aanzienlijk langzamer tempo. Als de Enterprise veilig zou reizen met bijna de lichtsnelheid naar het centrum van onze melkweg vanaf de aarde, het zou 25 duren, 000 jaar aardse tijd. Voor de bemanning, echter, de reis zou waarschijnlijk maar 10 jaar duren.

Hoewel dat tijdschema mogelijk is voor de personen aan boord, we krijgen nog een ander probleem voorgeschoteld -- een Federatie die probeert een intergalactische beschaving te leiden, zou problemen krijgen als het 50 zou duren, 000 jaar voor een ruimteschip om het centrum van onze melkweg te bereiken en terug te komen.

Dus de Enterprise moet de snelheid van het licht vermijden om de passagiers aan boord in overeenstemming te houden met de tijd van de Federatie. Tegelijkertijd, het moet ook snelheden bereiken die sneller zijn dan die van het licht om op een efficiënte manier door het universum te kunnen bewegen. Helaas, zoals Einstein stelt in zijn speciale relativiteitstheorie, niets is sneller dan de snelheid van het licht. Ruimtereizen zou daarom onmogelijk zijn als we naar de speciale relativiteitstheorie kijken.

Volgens de algemene relativiteitstheorie van Einstein, materie buigt het weefsel van ruimte en tijd. De vervorming van het ruimte-tijd continuüm beïnvloedt zelfs het gedrag van licht.

Daarom moeten we kijken naar de latere theorie van Einstein, de Algemene relativiteitstheorie , die beschrijft hoe zwaartekracht de vorm van ruimte en tijdstroom beïnvloedt. Stel je een uitgerekt laken voor. Als u een bowlingbal in het midden van het blad plaatst, het vel zal kromtrekken als het gewicht van de bal erop drukt. Als je een honkbal op hetzelfde blad plaatst, het zal naar de bowlingbal rollen. Dit is een eenvoudig ontwerp, en de ruimte werkt niet als een tweedimensionaal laken, maar het kan worden toegepast op zoiets als ons zonnestelsel -- massievere objecten zoals onze zon kunnen de ruimte vervormen en de banen van de omringende planeten beïnvloeden. De planeten vallen niet in de zon, natuurlijk, vanwege de hoge snelheden waarmee ze reizen.

Op de volgende pagina, we zullen zien hoe dit in het spel komt op de Enterprise.

De Warp Drive

De mogelijkheid om de ruimte te manipuleren is het belangrijkste concept met betrekking tot de warpsnelheid. Als de Enterprise het ruimte-tijd continuüm zou kunnen vervormen door het gebied erachter uit te breiden en het gebied ervoor te verkleinen, de bemanning kon de snelheid van het licht vermijden. Zolang het zijn eigen zwaartekrachtveld creëert, het ruimteschip kon plaatselijk met zeer lage snelheden reizen, daarom de valkuilen van Newtons derde bewegingswet vermijden en klokken synchroon houden met de lanceerplaats en bestemming. Het schip vaart niet echt met een "snelheid, " per se - het is meer alsof het zijn bestemming ernaartoe trekt terwijl het zijn startpunt terugduwt.

Een warpbel rond een ruimteschip, die het schip en de bemanningsleden beschermt terwijl ruimte en tijd vervormen.

Omdat de ideeën achter Einsteins algemene relativiteitstheorie complex zijn en nog steeds open voor interpretatie, dit laat de mogelijkheden voor sciencefictionschrijvers wijd open. We weten misschien niet hoe we ruimte en tijd moeten buigen met onze huidige technologie, maar een fictieve beschaving die zich in de toekomst afspeelt, is misschien volledig in staat om met de juiste verbeeldingskracht zo'n apparaat uit te vinden.

In het "Star Trek"-universum, warpsnelheid wordt bereikt door het gebruik van a warp-aandrijving . De warp-aandrijving wordt aangedreven door materie-antimaterie-reacties, die worden gereguleerd door een stof genaamd dilithium . Deze reactie creëert een zeer energetisch plasma dat bekend staat als: elektroplasma , een soort materie met een eigen magnetisch veld, die reageert met het ruimteschip warp spoelen . De warp-spoelen zijn meestal ingesloten in wat de "Star Trek" -schrijvers a . noemen schering gondel . Het hele pakket creëert een "warp field" of "bubble" rond de Enterprise, waardoor het schip en zijn bemanning veilig kunnen blijven terwijl de ruimte om hen heen manipuleert.

Ergens tussen de eerste televisieserie ("Star Trek:The Original Series") en de tweede ("Star Trek:The Next Generation"), de schrijvers besloten om een limiet aan de warpsnelheid toe te kennen -- met behulp van een schaal van Warp-1 tot Warp-10, de Enterprise mocht niet zomaar overal en altijd reizen, aangezien dat het plotten te gemakkelijk zou maken. In de voorstelling, Warp-10 werd een onmogelijke maximumsnelheid, een oneindigheid waarin het ruimteschip zich tegelijkertijd op alle punten in het universum zou bevinden. Warp-9,6, volgens de technische handleiding "Next Generation", is de hoogst haalbare snelheid die is toegestaan -- deze is ingesteld op 1, 909 keer de snelheid van het licht. Hoewel er enkele inconsistenties zijn, de volgende lijst van de verschillende snelheden in de "Star Trek" universum:

Warp-factor
Aantal keren de lichtsnelheid 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 Oneindigheid

In de volgende sectie, we zullen enkele van de problemen bekijken die het concept van warpsnelheid tegenkomt.

Problemen met warpsnelheid

Les Bossinas/NASA
Een artistieke vertolking van een ruimteschip dat met warpsnelheid reist.

Dus Einstein hielp de 'Star Trek'-schrijvers de ruimte te manipuleren in een sciencefiction-universum, maar is het echt mogelijk om een ruimteschip te bouwen dat mensen in relatief korte tijd door uitgestrekte sterrenstelsels kan voortstuwen?

Natuurkundige Miguel Alcubierre heeft het gebruik van zogenaamde "exotische materie, " een theoretisch type materie met negatieve energie. Als het gevonden of gecreëerd zou kunnen worden, de exotische materie zou ruimte en tijd afstoten en het zwaartekrachtveld creëren.

Helaas, dat is zo ver als het gaat voor mogelijke brandstofbronnen - er zijn meer problemen dan oplossingen als het gaat om het concept van het aandrijven van warpsnelheid. Zelfs als de Enterprise met sublichtsnelheden zou reizen, bekend als impuls drive voor "Star Trek"-fans, de hoeveelheid brandstof en energie die nodig is om snel door de ruimte te reizen zou te veel zijn voor een enkel ruimteschip. De impulsaandrijving van de Enterprise wordt aangedreven door kernfusie, dezelfde soort reactie die de zon verlicht en enorme explosies veroorzaakt van bepaalde atoombommen. Volgens Dr. Lawrence Krauss, een theoretisch natuurkundige en auteur van "The Physics of Star Trek, "Als Kapitein Kirk met de halve snelheid van het licht wilde reizen (150, 000 kilometer per seconde), het ruimteschip zou 81 keer zijn massa in waterstof moeten verbranden, de brandstof die wordt gebruikt voor kernfusie. De technische handleiding voor "Star Trek:The Next Generation" vermeldt de Enterprise als een gewicht van meer dan 4 miljoen ton, dus het schip zou meer dan 300 miljoen ton waterstof nodig hebben om vooruit te komen. Natuurlijk, vertragen tot stilstand, het ruimteschip zou nog eens 300 miljoen ton brandstof nodig hebben, en een mogelijke reis door sterrenstelsels zou er 6 nodig hebben, 642 keer de massa van de 'Enterprise'.

Sommige mensen hebben een systeem voorgesteld waarin een apparaat waterstof verzamelt terwijl het ruimteschip reist, afgezien van de noodzaak om enorme hoeveelheden brandstof op te slaan, maar Krauss suggereert dat dit apparaat ongeveer 25 mijl breed zou moeten zijn om iets vast te leggen dat het waard is om te gebruiken. Hoewel waterstof het meest voorkomende element in de melkweg is, er is slechts ongeveer één atoom waterstof voor elke kubieke vierkante inch.

De warp-aandrijving laten werken zou een ander ding zijn. De warp-aandrijving in "Star Trek" krijgt zijn kracht door materie te laten reageren met antimaterie - het resultaat is volledige vernietiging en het vrijkomen van pure energie. Aangezien antimaterie niet erg algemeen is in ons universum, de Federatie zou moeten produceren, iets wat we vandaag kunnen doen in het Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in Illinois. Opnieuw, het probleem blijkt een kwestie te zijn van de hoeveelheid brandstof die nodig is om een warpaandrijving aan te drijven. Kruass merkt op dat Fermilab in staat is om in één uur 50 miljard antiprotonen te produceren - genoeg om 1/1000 van een watt te produceren. Je zou 100 nodig hebben, 000 Fermilabs om een enkele gloeilamp van stroom te voorzien. Het produceren van voldoende antiprotonen om het ruimte-tijd continuüm te buigen lijkt bijna onmogelijk voor zover onze huidige technologie gaat.

Hoewel er in deze eeuw weinig kans is dat mensen een ruimteschip ontwikkelen dat de ruimte kan buigen en sneller dan de lichtsnelheid naar verre sterrenstelsels kan reizen, dit heeft wetenschappers en fans van de serie er niet van weerhouden om na te denken over het potentieel. Nog in november 2007, de British Interplanetary Society bracht verschillende natuurkundigen samen voor een conferentie genaamd "Faster Than Light:Breaking the Interstellar Distance Barrier" [bron:Guardian].

De wetenschap van "Star Trek"
Wat sciencefiction betreft, "Star Trek" staat bij zijn fans hoog aangeschreven omdat het vasthoudt aan relatief plausibele fysica. Hoewel niemand een ruimteschip heeft bedacht dat met warpsnelheid zou reizen, niemand heeft de mogelijkheid van zo'n prestatie weerlegd. "Star Trek" heeft in de serie ook andere grote concepten bekeken, inclusief het begrip tijdreizen door zwarte gaten of wormgaten. De schrijvers krijgen ook een aantal nitpicky details correct, zoals het feit dat er geen geluid is in de ruimte. Terwijl George Lucas laserstralen en explosies gebruikt in zijn "Star Wars"-serie om de zaken dramatisch te houden, "Star Trek" hield een beetje dichter bij de realiteit door geen geluidseffecten in de ruimte op te nemen.

Voor veel meer informatie over ruimte- en intergalactische reizen, zie de volgende pagina.

Veel meer informatie

Hoofdlijnen

Wetenschap

Elektronica
Biologie
Zonsverduistering
Wiskunde
French | Italian | Spanish | Portuguese | Swedish | German | Dutch | Danish | Norway |