الفلك

لماذا تجعل الجاذبية الوقت أبطأ وتشوه الضوء؟

لماذا تجعل الجاذبية الوقت أبطأ وتشوه الضوء؟

أعلم أن الأجسام ذات الجاذبية الكبيرة قادرة على تشويه الضوء أو إبطاء الوقت (مثال على ذلك الثقب الأسود). أعلم أيضًا أن هذا بسبب نظرية النسبية ، لكني بحاجة إلى شخص ما للتوسع في ذلك وشرح لماذا / كيف يعمل ذلك.

أيضًا ، يرجى كتابة الإجابة بعبارات بسيطة إلى حد ما ، لأنني لست (حتى الآن) خبيرًا في هذه الأشياء :)


في بعض الأحيان ، الأشياء التي نعتقد أنها مختلفة هي في الواقع مجرد أشكال مختلفة من الشيء نفسه. المجالات الكهربائية والمجالات المغناطيسية هي أشكال بعضها البعض. لهذا السبب نسميها الآن القوة الكهرومغناطيسية.

وبالمثل ، فإن الطاقة والكتلة هي أيضًا مجرد أشكال مختلفة من الشيء نفسه. يمكننا حتى تحويلها أيضًا. ه = مولودية ^ 2 ...

ومما أفهمه ، المكان والزمان مرتبطان معًا أيضًا. لذلك يطلق عليه الزمكان. إذا كنت تريد أن تفكر في الأمر بهذه الطريقة ، فإن الجاذبية تعمل عن طريق تشويه الفضاء ، مثل الرخام الثقيل الذي يجلس على بطانية منفوشة. البطانية الرقيقة هي الزمكان. الرخام الثقيل عبارة عن ثقب أسود أو أي جسم فائق الكتلة. حتى الآن لا يزال الضوء يسير "بشكل مستقيم" على طول الفضاء (البطانية الرقيقة) ولكنه منحني لأن البطانية مثنية. (تحذير: هذا هو المكان الذي أتخيل فيه الضوء كموجة ، وليس حزم فوتون. إنه في الواقع كلاهما.) وإذا كانت الجاذبية تنحني للفضاء ، فإنها بالطبع تنحني الوقت أيضًا ، لأن الزمكان مرتبط بطريقة ما بنفس المادة.


لماذا الكتلة تشوه الزمكان؟

هذا هو قيد أساسي للطريقة العلمية ، فهو ضعيف إلى حد ما في الإجابة & quot ؛ لماذا & quot الأسئلة. تكمن المشكلة أساسًا في أنواع الإجابات التي يرغب السائل في الإجابة عليها & quot لماذا & quot سؤاله.

في بعض الأحيان يريد طالب السؤال & quotwhy & quot إجابة علمية ، مما يعني أن السؤال يجب أن يكون من منظور نظرية علمية وأن الإجابة يجب أن تكون من منظور نظرية علمية أخرى أكثر جوهرية. هذا يعني أنه يمكنك الحصول على إجابات لأسئلة & quotwhy & quot حول الجاذبية النيوتونية من خلال شرح GR ، نظرًا لأن GR هي نظرية أساسية أكثر من نظرية الجاذبية النيوتونية. ومع ذلك ، هذا يعني أيضًا أنه من المستحيل بطبيعته الإجابة عن الأسئلة المتعلقة بالنظريات الأساسية. نستخدم نظرياتنا الأساسية لشرح النظريات الأخرى ، وليس لدينا تفسير لها بخلاف أنها تناسب البيانات.

في كثير من الأحيان ، يريد طالب السؤال & quotwhy & quot نوعًا من الإجابة الفلسفية ، والتي لا تنتمي إلى هنا على أي حال.

المرة الأخرى الوحيدة التي يمكنني فيها التفكير في المكان الذي يمكنك فيه الإجابة عن سؤال & quot لماذا & quot هو عندما يكون لديك نظرية أكثر جوهرية تكمن وراء النظرية الأصلية.

في الأساس ، يمكنك دائمًا أن تسأل & quot ؛ لماذا & quot ، وعندما تحصل على إجابة يمكنك أن تسأل & quot ؛ لماذا & quot مرة أخرى.

في مرحلة ما عليك أن تتوقف لأنك وصلت إلى السبب الأساسي المعروف "لماذا & quot.

ومع ذلك ، لا توجد (حتى الآن) أي نظرية أساسية أخرى تستند إليها الموارد الوراثية ، لذلك لا توجد إجابة من هذا النوع.

حسنًا ، ليس لدي أدنى فكرة عما أتحدث عنه ، لكني أحاول فهم ذلك. أعتقد أن كل عنصر يظهر فقط مشوهًا من منظور العناصر الأخرى لتراكب الدالة الموجية لكل بنية داخل النظام. لذلك إذا نظرت إلى الأشياء من منظور البنى الجماعية ، فستظهر عناصر الزمكان مشوهة. أنا متأكد من أنك إذا نظرت إليها من وجهات نظر أخرى ، ستبدو الكتلة مشوهة. لا تستمع إلي ليس لدي أي فكرة عما أتحدث عنه. أنا متأكد من أنني على الأقل بترتيب من حيث الحجم أو البعد بعيدًا عن القدرة على فهمه. :)

تحرير: أعتقد أن السبب الأكثر دقة هو أن الجاذبية والتسارع يمكن اعتبارهما متشابهين ، وفقًا لما يمكننا قياسه ومراقبته في الزمكان ، من الأطر المرجعية لمعرفة أن نظرياتنا أثبتت إمكانية التحقق منها تجريبياً في تلك الإطارات. أعتقد أن قطار المنطق شيء على هذا الطريق. من المحتمل أن تكون هناك إطارات لا تشوه فيها الكتلة الزمكان ولكن يجب أن نعطي شيئًا آخر وربما لا نلاحظ أبدًا من تلك الإطارات.

عذرا ، لكننا لا نسمح بنشر نظريات تكهنية أو شخصية هنا.

إذا كنت تريد طرح أسئلة حول الفيزياء التقليدية ، فابدأ. ومع ذلك ، & quot ؛ ها هي نظريتي ، ما الخطأ فيها؟ & quot لا يمكن أن تكون واحدة منها.

على الرغم من صياغتها على أنها فكرته الخاصة ، إلا أنها ليست كذلك. لقد سمعت أن أينشتاين ينسب إلى هذا النوع من التفسير في بعض برامج القنوات العلمية ، مثل عبر الثقب الدودي (أو أحدها). لم أتمكن أبدًا من العثور على مناقشة تقنية حول ما يأتي منه هذا التفسير ، أو إذا قال أينشتاين شيئًا مثله ، لكنني أردت فقط أن أطرحه هناك بأن هذا المنطق قد نجح في الوصول إلى العلوم غير التقنية السائدة . تم وصفه بشكل أو بآخر كما هو مذكور أعلاه: كل كائن بمفرده له & quot؛ السرعة الكلية & quot؛ من c عبر المكان والزمان. تتحرك الفوتونات بالكامل على طول محور الفضاء ، وكل شيء آخر له متجه بمكونات في كل من المكان والزمان ، ويتغير بالتناسب وفقًا للنسبية ، ولكنه يحافظ دائمًا على حجم c.

ربما يمكننا رفض تسليم RotatingFrame والتعامل معه كسؤال: هل هناك أي صلاحية لهذا التفسير؟

على الرغم من عدم وجود إجابة علمية حقيقية لسؤالك ، فإن نظرية الأوتار تقدم بعض الأفكار المثيرة للاهتمام. [هذه الكتلة وما يعادلها ، الجاذبية ، يمكن أن تؤثر على الفضاء ، وكذلك مرور الوقت النسبي هو أحد أكثر النتائج عمقًا في كل العصور. إنه أمر "جنوني" بناءً على حدسنا اليومي.]

في نظرية الأوتار ، المكونات الأساسية للجسيمات ، الأوتار ، هي أنماط طاقة متذبذبة. اتضح أن هذه تتفاعل مع درجات الحرية ، أو الأبعاد الهندسية ، التي نجد أنفسنا فيها جميعًا. يمكن ربط الأحجام والأشكال المختلفة ذات الأبعاد الإضافية رياضيًا بخصائص مختلفة للأوتار: تتوافق أنماط الاهتزاز المختلفة مع أشياء مثل حجم الجسيمات والشحنة والدوران التي نلاحظها بشكل مجهري.

لذا فإن الأوتار والهندسة والزمكان تتفاعل بشكل مشابه للكتلة / الطاقة في النسبية العامة. يقدم هذا بعض الأفكار ، ربما ، لماذا لا تشوه الكتلة فحسب ، بل أيضًا كثافة الطاقة والزخم في الزمكان.

لقد حصلت على كتاب براين جرين "FABRIC OF THE COSMOS" حيث يشرح التسارع باستخدام المفاهيم المذكورة أعلاه. لقد وجدت أنه مفيد من منظور واحد ، لكنه يبدو غير محبوب هنا بين البعض. لقد وجدت أنه مفيد عند الاقتراب من الأقماع الضوئية لأول مرة. لا أرى فرقًا كبيرًا.

أجد وصف جرين أعلاه على غرار تشبيه "الصفيحة المطاطية" للجاذبية. [التي ناقشها غرين بعد ذلك مباشرة في كتابه] أو "تشبيه البالون" لعلم الكونيات ، وهو مفيد كمنظور ، لكن كل هذه الأمور تأتي مع قيود.

بالتااكيد. اعتمادًا على ما تعنيه هذه السرعات الأربع في الواقع & quot ؛ إذا تمكنا من تفسيرها بشكل صحيح ، فسنكون قادرين على التنبؤ بالنسبية الخاصة.

على الرغم من أن هذا لا علاقة له بالجاذبية أو لا علاقة له تقريبًا.

يستخدم Brian Greene بالفعل لغة كهذه ، لكن (كما ترون في كتبه) لا علاقة لها بـ & quotwarps & quot (أي الجاذبية). يستخدمه لشرح تمدد الوقت وظواهر SR الأخرى. هذا اقتباس من & quot؛ نسيج الكون & quot.

أعتقد أن هذه الطريقة في النظر إليها حظيت بشعبية بواسطة براين غرين. إنه يستخدمها في كل من & quot ؛ الكون الأنيق & quot و & quot ؛ نسيج الكون & quot. التفسير الفني (بوحدات مثل c = 1 ، وبتوقيع - ++++) كما يلي.

في إطار الراحة الخاص بي ، يتطابق خط العالم الخاص بي مع المحور الزمني. لذا فإن المماس لخط عالمي في الاتجاه 0 (المحاور مرقمة من 0 إلى 3 ، مع & quottime & quot = 0). كل متجه من النموذج
$ تبدأr 0 0 0 end$ حيث r هو رقم حقيقي هو متجه مماس لخط العالم. المتجه المماس مع Minkowski & quotnorm & quot -1 (-c لأولئك الذين لم يحددوا c = 1) يسمى my أربع سرعات. سأشير إلى مصفوفة الإحداثيات الخاصة بها في إطار الراحة الخاص بي بواسطة u. نحن لدينا
$ u = ابدأ1 0 0 0 end، qquad u ^ 2 = u ^ T eta u = start1 & أمبير 0 & أمبير 0 & أمبير 0 نهايةيبدأ-1 & amp 0 & amp 0 & amp 0 0 & amp 1 & amp 0 & amp 0 & 0 0 & amp 0 & amp 1 & amp 0 0 & amp 0 & amp 0 & amp 1 endيبدأ1 0 0 0 end=-1.$
يستدعي Greene ## sqrt <-u ^ 2> ## ملف السرعة عبر الزمكان. لدينا ## sqrt <-u ^ 2> = 1 ##. إذا استعدنا عوامل c ، فهذا هو ## sqrt <-u ^ 2> = c ##. (يستخدم Greene التوقيع المتري + --- بدلاً من - ++++ ، لذلك عندما يفعل ذلك ، يحصل على ## u ^ 2 = c ^ 2 ## ، وبالتالي يكون قادرًا على كتابة السرعة عبر الزمكان كـ # # sqrt##. له ## u ^ 2 ## يساوي ## - u ^ 2 ##).

دعنا نعزز سرعاتي الأربع إلى الإطار الباقي لمراقب لديه سرعة -v في نظام الإحداثيات الخاص بي. يجب أن يكون لدي سرعة v.
$ u '= Lambda (-v) u = gamma begin1 & amp v ^ 1 & amp v ^ 2 & amp v ^ 3 v ^ 1 & amp * & amp * & amp * v ^ 2 & amp * & amp * & amp * v ^ 3 & amp * & amp * & amp * endيبدأ1 0 0 0 end= جاما ابدأ1 v ^ 1 v ^ 2 v ^ 3 end$ تشير العلامات النجمية إلى عناصر المصفوفة التي لا تمت بصلة لما نفعله هنا. إذا كان أي شخص مهتمًا ، فهم مكونات المصفوفة 3 × 3
$ frac <1> < gamma> I + left (1- frac 1 gamma right) fracيمكن حساب مكونات السرعة على النحو التالي:
$ فارك= فارك= frac < gamma v ^ i> < gamma> = v ^ i. $ كما هو متوقع ، السرعة في نظام الإحداثيات الجديد ناقص سرعة التعزيز. هذه النتيجة هي سبب تسمية متجه الظل المقيس بالسرعة الأربع.

خط العالم هو نطاق منحنى ## C: mathbb R إلى M ## حيث M هو Minkowski spacetime. تمثيلها في نظام إحداثيات عالمي ## x: M to mathbb R ^ 4 ## هو منحنى ## x circ C: mathbb R to mathbb R ^ 4 ##. يقال إن خط العالم بارامتريزيد الوقت المناسب إذا كان للمنحنى C الذي نستخدمه لتمثيله خاصية أنه لكل نقطة p على خط العالم ، فإن الرقم ## tau ## مثل ## C ( tau) = p ## ، هو الوقت المناسب على طول المنحنى من C (0) إلى p. تتمتع هذه C بميزة أن المتجه الأربعة مع المكونات ## (x circ C) ^ mu <> '(t) ## يتم تطبيعه تلقائيًا. لذلك إذا كان y هو إطار الراحة الخاص بي ، و x هو نظام الإحداثيات الذي قمنا بالتحويل إليه أعلاه ، فلدينا ## u ^ mu = (y circ C) ^ mu <> '( tau) ## و ## u '^ mu = (x circ C) ^ mu <>' ( tau) ##. من المعتاد الإشارة إلى ## (x circ C) ^ mu ( tau) ## بواسطة ## dx ^ mu / d tau ## ، لذلك لدينا
$ u '^ mu = frac$ الآن دعنا نستخدم حقيقة أن ## u ^ 2 ## هو لورنتز ثابت.
$ -1 = u ^ 2 = u '^ 2 = - (u ^ 0) ^ 2 + (u ^ 1) ^ 2 + (u ^ 2) ^ 2 + (u ^ 3) ^ 2 = - left ( فارك

يمين) ^ 2 + sum_^ 3 يسار ( frac right) ^ 2. $ دعونا نتلاعب بهذه النتيجة ببعض الرياضيات الفيزيائية غير الصارمة. (يمكن بالطبع جعل هذه الأشياء صارمة).
يبدأ
& أمبير فارك
= sqrt <1+ sum_^ 3 يسار ( frac يمين) ^ 2>
& أمبير فارك
= فارك <1> < الجذر التربيعي <1 + sum_^ 3 يسار ( frac يمين) ^ 2 >>
& amp1 = يسار ( frac
يمين) ^ 2 يسار (1+ sum_^ 3 يسار ( frac يمين) ^ 2 يمين) = يسار ( frac
يمين) ^ 2 + sum_^ 3 يسار ( frac
يمين) ^ 2.
نهاية يدعو Greene الجذر التربيعي للحد الأول إلى السرعة عبر الزمن والجذر التربيعي للحد الثاني السرعة عبر الفضاء. (هذا طبقًا للملاحظة 6 للفصل 2 (ص 392) من "الكون الأنيق & quot). هذا يسمح له بالقول إن زيادة السرعة عبر الفضاء يجب أن يصاحبها انخفاض في السرعة عبر الفضاء.


كيف تغير الجاذبية الوقت: التأثير المعروف باسم تمدد وقت الجاذبية

هل شاهدت فيلم Interstellar وخرجت متسائلاً كيف كان ذلك ممكنًا؟ إنه لأمر محير أن نفهم أن ساعة واحدة يمكن أن تمر على كوكب واحد بينما سبع سنوات تمر على الأرض.

يعود التفسير إلى ما يسميه العلماء تمدد زمن الجاذبية. يقيس هذا التأثير مقدار الوقت المنقضي بين حدثين لمراقبين على مسافات مختلفة من كتلة الجاذبية. بعبارة أخرى ، يمر الوقت بشكل أبطأ حيثما تكون الجاذبية أقوى ، وهذا لأن الجاذبية تنحني الزمكان.

فكر في الأمر بهذه الطريقة - الوقت يتبع معادلة بسيطة:

السرعة = المسافة / الوقت

الضوء (في هذه الحالة ، السرعة) دائمًا ثابت وينتقل بسرعة 180.000 ميل في الثانية. تخيل شعاعين من الضوء: واحد في أ ضعيف ينتقل مجال الجاذبية بين النقطتين أ وب والآخر في أ قوي مجال الجاذبية ينتقل بين النقطتين c و d.

يعد المسار بين c و d أطول بسبب انحناء المكان والزمان ، لذلك يستغرق الضوء وقتًا أطول للانتقال بين النقطتين. تم إثبات هذا التأثير من خلال العديد من التجارب ويتم استخدامه لتشغيل وصيانة شيء يستخدمه معظمنا كل يوم تقريبًا: نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).

يتم وضع الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) على بعد حوالي 12550 ميلاً فوق سطح الأرض ، وبالتالي فهي ليست قريبة من مجال جاذبية الأرض. الساعات الموجودة على هذه الأقمار الصناعية تعمل بشكل أسرع من الساعات الموجودة على سطح الأرض ، لذلك قام العلماء بتصحيح برامج الأقمار الصناعية للتأكد من أن بيانات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) المرسلة إلى سطح الأرض لها أوقات مطابقة. بدون هذا التصحيح ، لن تكون الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) هي الأداة المفيدة التي نعرفها.

هل تأمل أن يساعدك تمدد وقت الجاذبية على العيش لفترة أطول إذا قررت السفر إلى كوكب بعيد به مجال جاذبية قوي؟ حتى لو كان ذلك ممكنًا (وليس مع تقنيتنا الحالية) ، فإنك ستعيش لفترة أطول مقارنةً بالأرض. لا يزال عمر البشر 70-100 سنة فقط.

بإلقاء نظرة على نظامنا الشمسي والكوكب الذي يحتوي على أكبر كتلة جاذبية ، كوكب المشتري ، إلى متى يمكن أن نتوقع أن نعيش بالنسبة إلى الأرض إذا كنا قادرين على الانتقال إلى هناك؟ وفقًا لـ Neil deGrasse Tyson ، لن يستغرق الأمر سوى بضع دقائق.


في بداية القرن العشرين ، كان الشاب الألماني ألبرت أينشتاين (1879-1955) يفكر في سرعة الضوء. تخيل أنه جلس في مركبة فضائية تسير بسرعة الضوء بينما كان ينظر في المرآة أمامه.

عندما تنظر في المرآة ، ينعكس الضوء الذي ارتد عنك نحوك على سطح المرآة ، ومن ثم ترى انعكاسك.

أدرك أينشتاين أنه إذا كانت سفينة الفضاء تسير بسرعة الضوء أيضًا ، فلدينا الآن مشكلة. كيف يمكن للضوء القادم منك أن يصل إلى المرآة؟ كل من المرآة والضوء منك يسافران بسرعة الضوء ، مما يعني أن الضوء يمكن أن يلحق بالمرآة ، وبالتالي لا ترى أي انعكاس.

ولكن إذا كان بإمكانك أن ترى انعكاسًا لك ، فسوف ينبهك هذا إلى حقيقة أنك تتحرك بسرعة الضوء وبالتالي كسر مبدأ غاليليو وأبوس للنسبية. نحن نعلم أيضًا أن شعاع الضوء يمكن أن يتسارع من أجل التقاط المرآة لأن سرعة الضوء ثابتة.

شيء يجب أن يعطيه ، لكن ماذا؟

السرعة تساوي المسافة المقطوعة مقسومة على الوقت المستغرق. أدرك أينشتاين أنه إذا لم تتغير السرعة ، فلا بد أن المسافة والوقت يتغيران.

ابتكر تجربة فكرية (سيناريو مختلق تمامًا في رأسه) لاختبار أفكاره.


كيف تعمل سرعة الاعوجاج


ناسا
عرض فنان لما قد تبدو عليه سرعة الالتفاف لمسافر في الفضاء.

على متن المركبة الفضائية Enterprise ، تتسكع مع أعضاء الطاقم ، وتستمتع بلعبة البوكر. أنت تسافر بسرعة اندفاعية أثناء استكشاف الفضاء العميق على مهل ، ويمضي الجميع بعض الوقت. لكن انتظر - فجأة ، تتلقى السفينة رسالة عاجلة من أحد الأدميرال الفيدراليين ، يبلغ الطاقم باندلاع حرب في المنطقة المحايدة. أمرت المؤسسة بإبلاغ الموقف في أقرب وقت ممكن. المنطقة المعنية تبعد حوالي 20 سنة ضوئية (117 تريليون كيلومتر) ، لكن هذه ليست مشكلة في عالم & quotStar Trek & quot. يقوم القبطان بضبط محرك الالتواء الخاص بالسفينة بشكل مناسب ، وأنت تستقر على ذلك سرعة الالتفاف. السفر أسرع من سرعة الضوء ، يجب أن تصل إلى وجهتك في غضون دقائق قليلة.

لطالما نظر البشر إلى السماء ، أذهلنا الفضاء ، وطرح علماء الفلك والفلاسفة على حد سواء الأسئلة الأساسية أثناء التحديق في النجوم. ماذا نفعل هنا على أي حال؟ كيف بدأ الكون ، وهل هناك أكوان أخرى موازية تعكس كوننا؟ هل توجد حياة في المجرات الأخرى ، وماذا سيكون شكل السفر إلى هناك؟

على الرغم من أننا لم نجيب على هذه الأسئلة بعد ، إلا أننا على الأقل لدينا خيال علمي مثل & quotStar Trek & quot لاختبار الخيال البشري. كل شيء من HG Wells '& quot The Time Machine & quot إلى & quotStar Trek & quot إلى سلسلة Joss Whedon & quotFirefly & quot قد تطرق إلى إمكانيات السفر عبر الزمن والانتقال الآني وبالطبع سرعة الالتفاف. ولكن كيف يمكن لشيء مثل سرعة الالتواء أن يتناسب مع الواقع وكوننا؟ هل سرعة الالتواء مجرد أداة خيال علمي أحمق ، أم أنها ممكنة نظريًا؟ كيف تعمل في عالم & quotStar Trek & quot؟ لمعرفة كل شيء عن سرعة الالتواء واللانهاية وما بعدها ، اقرأ الصفحات التالية.

قانون نيوتن الثالث للحركة


أرشيف هولتون / صور غيتي
& quotStar Trek & quot كان ويليام شاتنر في دور الكابتن جيمس تي كيرك ، ولكن ما الذي سيفعلونه بشأن السفر في الفضاء بين المجرات؟

عندما جلس كتّاب & quotStar Trek & quot للتخطيط للمسلسل ، وجدوا أنفسهم في مواجهة بعض المشاكل. كانوا يقومون بشكل أساسي بإنشاء ملف أوبرا الفضاء، نوع فرعي من الخيال العلمي يحدث في الفضاء ويغطي امتداد عدة مجرات وملايين السنين الضوئية. أفلام & quotStar Wars & quot هي مثال آخر على النوع الفرعي لأوبرا الفضاء. كما يوحي جزء & quotopera & quot من الاسم ، لا يُقصد من عرض مثل & quotStar Trek & quot أن يكون بطيئًا أو عاديًا - عندما يفكر الناس في المسلسل ، فمن المحتمل أن يفكروا في المؤامرات الميلودرامية التي تتضمن الفضائيين والسفر في الفضاء ومعارك الليزر المليئة بالحركة.

لذلك كان على مبتكر المسلسل ، جين رودنبيري ، والكتاب الآخرون إيجاد طريقة لتحريك شخصيات العرض في جميع أنحاء الكون في الوقت المناسب ، بطريقة درامية. في الوقت نفسه ، أرادوا بذل قصارى جهدهم للالتزام بقوانين الفيزياء. كانت المشكلة الأكبر هي أنه حتى لو تمكنت المركبة الفضائية من السفر بسرعة الضوء ، فإن وقت الانتقال من مجرة ​​إلى أخرى قد يستغرق مئات ، وربما آلاف السنين. تستغرق الرحلة من الأرض إلى مركز مجرتنا ، على سبيل المثال ، حوالي 25000 سنة إذا كنت ستسافر بسرعة أقل من سرعة الضوء. هذا ، بالطبع ، لن يجعل التلفزيون مثيرًا للغاية.

أدى اختراع سرعة الالتواء إلى حل جزء الأوبرا من المشكلة ، لأنه سمح للمؤسسة بالانتقال بسرعة أكبر بكثير من سرعة الضوء. لكن ما هو التفسير؟ كيف يمكنهم تفسير تحرك جسم أسرع من سرعة الضوء ، وهو أمر أثبت أينشتاين أنه مستحيل في نظريته النسبية الخاصة؟


إليوت جي شيشتر / جيتي إيماجيس
عندما يشق هذا المكوك طريقه إلى المدار ، سوف يسافر بسرعة حوالي 17000 ميل في الساعة. يمكن للبشر تحمل هذه السرعة في هذا النوع من المكوك ، ولكن إذا حاول المكوك الاقتراب من سرعة الضوء ، فسيكون التأثير قاتلًا للفضاء.

العقبة الأولى التي كان على الكتاب مواجهتها أبسط بكثير مما تعتقد. من أهم الأشياء التي تحتاج إلى معرفتها قبل فهم سرعة الالتواء هي في الواقع واحدة من أقدم الحيل في كتاب الفيزياء ، قانون نيوتن الثالث للحركة. ربما تكون قد سمعت بها من قبل - ينص هذا القانون على أنه لكل فعل رد فعل مساو له ومعاكس له. هذا يعني ببساطة أنه لكل تفاعل بين جسمين ، يعمل زوج من القوى على كليهما. على سبيل المثال ، إذا قمت بدحرجة كرة بلياردو مباشرة في كرة أخرى في حالة راحة ، فسيؤثر كلاهما بقوة متساوية على بعضهما البعض. ستضرب الكرة المتحركة الكرة في وضع السكون وتدفعها بعيدًا ، لكنها ستدفعها للخلف أيضًا.

تشعر أن هذا القانون يدخل حيز التنفيذ في كل مرة تتسارع فيها في سيارة أو تطير في طائرة. عندما تسرع السيارة وتتحرك للأمام ، تشعر بالضغط على مقعدك. المقعد يضغط عليك ، لكنك أيضًا تمارس قوة ضد المقعد.

إذن ما علاقة هذا بـ & quotStar Trek & quot والمؤسسة؟ حتى لو كان من الممكن التسارع إلى ما يقرب من نصف سرعة الضوء ، فإن مثل هذا التسارع الشديد سيقتل الشخص عن طريق تحطيمه بمقعده. على الرغم من أنه كان يدفع للخلف بقوة مساوية ومعكوسة ، إلا أن كتلته مقارنة بالسفينة الفضائية صغيرة جدًا - يحدث نفس الشيء عندما تصطدم البعوضة بزجاجك الأمامي وتتناثر. إذن كيف يمكن أن تسير الـ Enterprise أسرع من سرعة الضوء دون قتل الأعضاء الموجودين على متنها؟

في القسم التالي ، سنرى كيف بدأ منشئو & quotStar Trek & quot في التغلب على مشكلة إرسال المادة عبر الفضاء بسرعات فائقة.

أينشتاين والنسبية واستمرارية الزمكان

من أجل تجنب قضية قانون نيوتن الثالث للحركة واستحالة انتقال المادة أسرع من سرعة الضوء ، يمكننا أن ننظر إلى أينشتاين والعلاقة بين المكان والزمان. مجتمعة ، المساحة ، المكونة من ثلاثة أبعاد (أعلى لأسفل ، ويسار لليمين ، وأمام للخلف) والوقت كلها جزء مما يسمى الفضاء.

من المهم أن نفهم عمل أينشتاين على استمرارية الزمكان وكيفية ارتباطها بالمؤسسة التي تسافر عبر الفضاء. في نظرية النسبية الخاصة، يذكر أينشتاين افتراضين:

  1. سرعة الضوء (حوالي 300.000.000 متر في الثانية) هي نفسها لجميع المراقبين ، سواء كانوا يتحركون أم لا.
  2. يجب على أي شخص يتحرك بسرعة ثابتة أن يلتزم بنفس القوانين الفيزيائية.

من خلال وضع هاتين الفكرتين معًا ، أدرك أينشتاين أن المكان والزمان نسبيان - الكائن المتحرك يختبر الوقت في الواقع بمعدل أبطأ من واحد في حالة السكون. على الرغم من أن هذا قد يبدو سخيفًا بالنسبة لنا ، إلا أننا نسافر ببطء شديد عند مقارنتها بسرعة الضوء ، لذلك لا نلاحظ تكتك العقارب على ساعاتنا بشكل أبطأ عندما نركض أو نسافر على متن طائرة. لقد أثبت العلماء هذه الظاهرة بالفعل عن طريق إرسال ساعات ذرية مع سفن صاروخية عالية السرعة. عادوا إلى الأرض قليلاً خلف الساعات على الأرض.

ماذا يعني هذا للكابتن كيرك وفريقه؟ كلما اقترب جسم ما من سرعة الضوء ، فإن ذلك الجسم يمر وقتًا بمعدل أبطأ بكثير. إذا كانت إنتربرايز تسافر بأمان بسرعة تقترب من سرعة الضوء إلى مركز مجرتنا من الأرض ، فستستغرق 25000 سنة من زمن الأرض. بالنسبة للطاقم ، من المحتمل أن تستغرق الرحلة 10 سنوات فقط.

على الرغم من أن هذا الإطار الزمني قد يكون ممكنًا للأفراد الموجودين على متن السفينة ، إلا أننا نواجه مشكلة أخرى - قد يواجه الاتحاد الذي يحاول إدارة حضارة بين المجرات بعض المشكلات إذا استغرق الأمر 50000 عام حتى تصل المركبة الفضائية إلى مركز مجرتنا و عد.

لذلك يتعين على المؤسسة تجنب سرعة الضوء من أجل إبقاء الركاب على متنها متزامنين مع توقيت الاتحاد. في الوقت نفسه ، يجب أيضًا أن تصل إلى سرعات أسرع من سرعة الضوء من أجل التحرك حول الكون بطريقة فعالة. لسوء الحظ ، كما يقول أينشتاين في نظريته النسبية الخاصة ، لا شيء أسرع من سرعة الضوء. لذلك سيكون السفر عبر الفضاء مستحيلًا إذا نظرنا إلى النسبية الخاصة.

وفقًا لنظرية النسبية العامة لأينشتاين ، تعمل المادة على ثني نسيج المكان والزمان. حتى أن تشويه استمرارية الزمكان يؤثر على سلوك الضوء.

لهذا السبب نحتاج إلى إلقاء نظرة على نظرية أينشتاين اللاحقة ، و نظرية النسبية العامة، الذي يصف كيف تؤثر الجاذبية على شكل الفضاء وتدفق الوقت. تخيل ورقة ممدودة. إذا وضعت كرة بولينج في منتصف الورقة ، فسوف تلتوي الورقة عندما يندفع وزن الكرة عليها. إذا وضعت كرة بيسبول على نفس الورقة ، فسوف تتدحرج باتجاه كرة البولينج. هذا تصميم بسيط ، والفضاء لا يعمل مثل ملاءة سرير ذات بعدين ، ولكن يمكن تطبيقه على شيء مثل نظامنا الشمسي - يمكن للأجسام الضخمة مثل شمسنا أن تشوه الفضاء وتؤثر على مدارات الكواكب المحيطة . بالطبع لا تسقط الكواكب في الشمس بسبب السرعات العالية التي تتحرك بها.

في الصفحة التالية ، سنرى كيف يحدث ذلك على المؤسسة.

القدرة على التلاعب بالفضاء هي أهم مفهوم فيما يتعلق بسرعة الالتفاف. إذا استطاعت سفينة `` إنتربرايز '' أن تشوه استمرارية الزمكان من خلال توسيع المنطقة خلفها والتعاقد مع المنطقة الأمامية ، يمكن للطاقم تجنب السير بسرعة الضوء. طالما أنها تخلق مجال الجاذبية الخاص بها ، يمكن للمركبة الفضائية السفر محليًا بسرعات بطيئة جدًا ، وبالتالي تجنب مخاطر قانون نيوتن الثالث للحركة والحفاظ على تزامن الساعات مع موقع الإطلاق والوجهة. لا تسافر السفينة في الواقع بسرعة & quot؛ & quot؛ في حد ذاتها - إنها أشبه بسحب وجهتها نحوها بينما تدفع نقطة البداية للخلف.


فقاعة ملتوية تحيط بمركبة فضائية ، والتي تحمي السفينة وأفراد الطاقم من تشويه المكان والزمان.

نظرًا لأن الأفكار الكامنة وراء نظرية النسبية العامة لأينشتاين معقدة ولا تزال مفتوحة للتفسير ، فإن هذا يترك الاحتمالات مفتوحة على مصراعيها لكتاب الخيال العلمي. قد لا نعرف كيف نثني المكان والزمان مع تقنيتنا الحالية ، لكن حضارة خيالية تنشأ في المستقبل قد تكون قادرة تمامًا على ابتكار مثل هذا الجهاز بالخيال الصحيح.

في عالم & quotStar Trek & quot ، يتم تحقيق سرعة الالتواء من خلال استخدام ملف محرك الاعوجاج. يتم تشغيل محرك الالتواء بواسطة تفاعلات المادة والمادة المضادة ، والتي يتم تنظيمها بواسطة مادة تسمى الديليثيوم. ينتج عن هذا التفاعل بلازما عالية الطاقة تُعرف باسم البلازما الكهربائية، نوع من المادة ذات مجال مغناطيسي خاص بها ، والذي يتفاعل مع المركبة الفضائية لفائف الاعوجاج. عادةً ما يتم تضمين ملفات الالتواء فيما يسميه كتاب & quotStar Trek & quot الكاتب بـ انفتال الكنة. تخلق الحزمة بأكملها حقلاً & quotwarp & quot أو & quotbubble & quot حول المؤسسة ، مما يسمح للسفينة وطاقمها بالبقاء بأمان بينما يتلاعب الفضاء من حولهم.

في وقت ما بين المسلسل التلفزيوني الأول (& quotStar Trek: The Original Series & quot) والثاني (& quotStar Trek: The Next Generation & quot) ، قرر الكتاب تعيين حد لسرعة الالتواء - باستخدام مقياس Warp-1 إلى Warp-10 ، لم يُسمح لـ Enterprise بالسفر إلى أي مكان وفي أي وقت ، لأن ذلك سيجعل التخطيط أمرًا سهلاً للغاية. في العرض ، أصبح Warp-10 سرعة قصوى مستحيلة ، لانهائية تكون فيها المركبة الفضائية في جميع نقاط الكون في نفس الوقت. يعد Warp-9.6 ، وفقًا للدليل الفني & quotNext Generation & quot ، أعلى سرعة يمكن الوصول إليها - يتم ضبطها على 1،909 أضعاف سرعة الضوء. على الرغم من وجود بعض التناقضات ، فإن القائمة التالية تسرد السرعات المختلفة في عالم & quotStar Trek & quot:

عامل الاعوجاج
عدد مرات سرعة الضوء
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 ما لا نهاية

في القسم التالي ، سوف نلقي نظرة على بعض المشاكل التي يواجهها مفهوم سرعة الالتواء.


ليه بوسيناس / ناسا
عرض فنان لسفينة فضائية تسير بسرعة الاعوجاج.

لذا ساعد أينشتاين كتاب & quotStar Trek & quot في التلاعب بالفضاء في عالم خيالي علمي ، ولكن هل من الممكن بالفعل بناء مركبة فضائية يمكنها دفع الناس عبر المجرات الشاسعة في فترة زمنية قصيرة نسبيًا؟

اقترح الفيزيائي ميغيل ألكوبيير استخدام ما يسمى بـ & quot؛ المادة المقلدة & quot؛ وهي نوع نظري من المادة ذات الطاقة السلبية. إذا كان من الممكن العثور عليها أو إنشاؤها ، فإن المادة الغريبة ستؤدي مهمة صد المكان والزمان وخلق مجال الجاذبية.

لسوء الحظ ، هذا هو ما يتعلق بمصادر الوقود المحتملة - هناك مشاكل أكثر من الحلول عندما يتعلق الأمر بمفهوم تشغيل سرعة الالتواء. حتى لو كانت Enterprise ستسافر بسرعات منخفضة ، تُعرف باسم دافع الدافع & quot معجبي Star Trek & quot ، فإن كمية الوقود والطاقة اللازمة للسفر بسرعة عبر الفضاء ستكون أكثر من اللازم بالنسبة لمركبة فضائية واحدة. الدافع الدافع للمؤسسة يتم تشغيله عن طريق الاندماج النووي ، وهو نفس النوع من التفاعل الذي يضيء الشمس ويحدث انفجارات ضخمة من قنابل نووية معينة. وفقًا للدكتور لورانس كراوس ، عالم الفيزياء النظرية ومؤلف & quot The Physics of Star Trek ، & quot ؛ إذا أراد الكابتن كيرك السفر بنصف سرعة الضوء (150.000 كيلومتر في الثانية) ، فستحتاج المركبة الفضائية إلى حرق 81 ضعف كتلتها في الهيدروجين ، الوقود المستخدم في الاندماج النووي. يسرد الدليل الفني لـ & quotStar Trek: The Next Generation & quot المؤسسة بأكثر من 4 ملايين طن متري في الوزن ، لذلك ستحتاج السفينة إلى أكثر من 300 مليون طن متري من الهيدروجين فقط للمضي قدمًا. بالطبع ، للإبطاء حتى التوقف ، ستحتاج المركبة الفضائية إلى 300 مليون طن متري أخرى من الوقود ، وستحتاج الرحلة المحتملة عبر المجرات إلى 6،642 ضعف كتلة & quotEnterprise. & quot

اقترح بعض الأشخاص نظامًا يجمع فيه الجهاز الهيدروجين أثناء سفر المركبة الفضائية ، متخليًا عن ضرورة تخزين كميات هائلة من الوقود ، لكن كراوس يقترح أن يكون عرض هذا الجهاز حوالي 25 ميلًا لالتقاط أي شيء يستحق استخدامه. على الرغم من أن الهيدروجين هو العنصر الأكثر وفرة في المجرة ، إلا أن هناك ذرة واحدة فقط من الهيدروجين لكل بوصة مكعبة.

إن جعل محرك الالتواء يعمل شيئًا آخر. يحصل محرك الالتواء في & quotStar Trek & quot على قوته من خلال تفاعل المادة مع المادة المضادة - والنتيجة هي الإبادة الكاملة وإطلاق الطاقة النقية. نظرًا لأن المادة المضادة ليست شائعة جدًا في جميع أنحاء الكون ، فسيتعين على الاتحاد إنتاجها ، وهو أمر يمكننا القيام به اليوم في مختبر Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) في إلينوي. مرة أخرى ، تبين أن المشكلة تتعلق بكمية الوقود اللازمة لتشغيل محرك الاعوجاج. يلاحظ كروس أن فيرميلاب Fermilab قادر على إنتاج 50 مليار بروتون مضاد في ساعة واحدة - وهو ما يكفي لإنتاج 1/1000 من واط. ستحتاج إلى 100،000 فرميلابس لتشغيل مصباح كهربائي واحد. إن إنتاج ما يكفي من البروتونات المضادة لثني استمرارية الزمكان يبدو شبه مستحيل بقدر ما تذهب تقنيتنا الحالية.

على الرغم من وجود فرصة ضئيلة خلال هذا القرن في تطوير البشر لمركبة فضائية يمكنها ثني الفضاء والسفر إلى مجرات بعيدة أسرع من سرعة الضوء ، إلا أن هذا لم يمنع العلماء ومحبي السلسلة على حد سواء من التفكير في الإمكانات. في نوفمبر 2007 ، جمعت الجمعية البريطانية للكواكب العديد من علماء الفيزياء في مؤتمر بعنوان & quotFaster Than Light: Breaking the Interstellar Distance Barrier & quot [المصدر: الجارديان].

لمزيد من المعلومات حول الفضاء والسفر بين المجرات ، انظر الصفحة التالية.


س: تختبر الأقمار الصناعية وقتًا أقل لأنها تتحرك بسرعة أكبر ، ولكن المزيد من الوقت لأنها & # 8217re عالية جدًا. هل هناك مدار تلغي فيه التأثيرات؟ هل هذا مفيد؟

كان السؤال الأصلي: قرأت أنه بسبب تمدد الوقت من كل من الجاذبية والسرعة ، تحتاج الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) إلى تعديل ساعاتها لتتناسب مع وقت الأرض و # 8217 ، وإلا فإن الفكرة بأكملها ستسقط على وجهها. لذا فإن سؤالي هو ألا & # 8217t هناك طريقة طبيعية لمطابقة ساعات GPS مع الأرض ببساطة عن طريق جعل تمدد الوقت من الحركة يعوض تمدد الوقت من الجاذبية؟ ما السرعة التي يجب أن يدوروا بها حول الأرض لإلغاء تمدد زمن الجاذبية؟

فيزيائي: هذا سؤال جيد حقًا! الرسم المصغر لتمديد الوقت هو: الأشياء السريعة والأشياء المنخفضة تمر بوقت أقل. So satellites above our head experience a little more time because they’re high, but a little less because they’re moving.

Something orbiting at ground level (assuming you يستطع orbit at ground level) would be tearing along at about 8 km/s: same height as us, and great speed, means slower in time.

Something orbiting very far away is moving pretty slow. Great height and low-speed means faster in time. Somewhere in between there’s an orbit where the effects cancel.

It turns out that a satellite would have to orbit at about the same speed it would hit the ground if it fell, straight down, from the height of that orbit. That orbit is 50% of the radius of the planet above the surface of the planet. In the case of Earth, that’s 1,975 miles up, well below the 12,600 mile altitude of the GPS network. So, their on-board clocks run a little faster than identical ground-based clocks (a gain of about 1.7 seconds per century).

For the non-physicists out there, I can’t tell you how unusually straight forward that 50% radius thing is. You almost never get results that clean.

To a very good approximation the gravitational time dilation can be calculated by using “moving” time dilation and plugging in the speed you’d be falling, if you fell from that height.

The time-slowing and time-speeding effects cancel at an orbital height of 50% of the planet’s radius. At this altitude the orbital speed, and the speed with which you’d hit the ground falling from that height, are equal.

You can picture this in terms of someone at the higher location dropping clocks to someone at the lower location, who has an uncanny power to read speeding clocks. The laws of physics, including the ones regarding time, act more or less the way they “should” in a zero-g environment. For example, in zero gravity if you knock a cup off of a table it doesn’t start magically moving (falling) for no reason. Impossible! The falling clocks are basically carrying an accurate record (not needing to worry about gravity) of the time frame from which they started falling.

At least that’s one method of calculating general relativistic time weirdness. A better (but equivalent) one is here.

As for fixing the problem: no problem. Relativity, although difficult to wrap your head around, is no mystery. We know exactly how fast time is passing for every satellite in the sky. To deal with it, all that’s needed is clocks that run at a slightly different rate. The specifics can be found on page 7 of this. Building a clock to keep a very particular “incorrect” time is exactly as difficult as building a clock to keep “correct” time. لا مشكلة.

Answer Gravy: The “general relativity can be approximated by using special relativity and how fast things fall” works well so long as the gravity isn’t really messing up spacetime. Basically, it doesn’t work on black holes, but it works great for planets and stars. Once you figure out how fast something would be falling between two levels, you plug that into the “gamma function”, γ, which tells you how many times faster time is traveling at the higher level than the lower.

The speed, v, that an object with mass, m, will be going if it falls from somewhere in space, R, to ground level, r, can be found by looking at the difference in gravitational potential energy and setting that equal to the gain in kinetic energy: .

This speed, vg, is what you use to find how much time is going faster for the satellite.

The speed of a (circular) orbit can be found by setting the gravitational force equal to centrifugal: . This speed, vس, is what you plug in to find how much time is going slower.

In general the speed of the clocks on a satellite is faster than clocks on the ground by a factor of . However, in this case we’re looking for the overall factor to be 1 (time is the same for the satellite as the ground). So, vg = vس.


NASA Actually Working on Faster-than-Light Warp Drive

You know that scene in the film Contact where the “Machine” is spooling up, its three spinning rings kicking out crazy light and an electromagnetic field powerful enough to pitch nearby Navy battleships sideways, as Ellie (Jodie Foster) waits, terrified, in her tiny spherical craft above the space-time bedlam, to plummet into the vortex?

Yeah, that’s not exactly how NASA’s envisioning faster-than-light space travel, but…wait, NASA’s working on faster-than-light travel? Isn’t that impossible?

Of course it is. Nothing can travel faster than light, right? To do so would violate the special theory of relativity, which stipulates that you’d need an infinite amount of energy to accelerate a particle with mass to light speed. We’ve all heard this pretty much since we were kids. Has someone finally proven special relativity wrong?

Not at all, but with respect to travel between the stars, someone did come up with a radical-sounding hypothetical workaround 18 years ago.

In a paper titled “The Warp Drive: Hyper-fast travel within general relativity” published in science journal Classical and Quantum Gravity in May 1994, physicist Miguel Alcubierre suggested a mechanism for getting an object from one point to another at faster-than-light speeds without running afoul of Einsteinian relativity.

Alcubierre’s idea: bending space-time in front of and behind a vessel rather than attempting to propel the vessel itself at light-speeds.

According to Alcubierre, in the paper abstract …

… [it] is shown how, within the framework of general relativity and without the introduction of wormholes, it is possible to modify a spacetime in a way that allows a spaceship to travel with an arbitrarily large speed. By a purely local expansion of spacetime behind the spaceship and an opposite contraction in front of it, motion faster than the speed of light as seen by observers outside the disturbed region is possible. The resulting distortion is reminiscent of the ‘warp drive’ of science fiction.

By placing a spheroid object between two regions of space-time — one expanding, the other contracting — Alcubierre theorized you could create a “warp bubble” that moves space-time around the object, effectively re-positioning it. In essence, you’d have the end result of faster-than-light travel without the object itself having to move (with respect to its local frame of reference) at light-speed or faster.

The only catch: Alcubierre says that, “just as happens with wormholes,” you’d need “exotic matter” (matter with “strange properties”) to distort space-time. And the amount of energy necessary to power الذي - التي would be on par with — wait for it — the mass-energy of the planet Jupiter.

So we’re back to “fuhgeddaboudit,” right?

Maybe not. According to NASA physicist Harold White, the energy problem may actually be surmountable by simply tweaking the warp drive’s geometry.

White, who just shared his latest ideas at the 100 Year Starship 2012 Public Symposium, says that if you adjust the shape of the ring surrounding the object, from something that looks like a flat halo into something thicker and curvier, you could power Alcubierre’s warp drive with a mass roughly the size of NASA’s Voyager 1 probe.

In other words: reduction in energy requirements from a planet with a mass equivalent to over 300 Earths, down to an object that weighs just under 1,600 pounds.

What’s more, if you oscillate the space warp, White claims you could reduce the energy load even further.

“The findings I presented today change [Alcubierre’s warp drive] from impractical to plausible and worth further investigation,” White told SPACE.com. “The additional energy reduction realized by oscillating the bubble intensity is an interesting conjecture that we will enjoy looking at in the lab.”

That’s right, an actual lab experiment, whereby White says he plans to simulate the tweaked Alcubierre drive in miniature, using lasers “to perturb space-time by one part in 10 million.”

And if it works? Don’t expect to go Alpha Centauri-hopping any time soon, but the idea well down the road, according to a presentation delivered by White on the subject last year, would involve a spacecraft leaving Earth, traveling a given distance using conventional propulsion, stopping (relative to the Earth), enabling its “warp field,” then traveling to a point near its interstellar destination, where it would then disable the field and continue on its way using conventional propulsion methods once more.

ستار تريك meets Contact, in other words.

Instead of taking “decades or centuries,” White says this would allow us to visit a spot like Alpha Centauri — a little over four light years from us — in as little as “weeks or months.”


Linkages: Mass, Space, and Time

To show what Einstein’s insight really means, let’s first consider how we locate an event in space and time. For example, imagine you have to describe to worried school officials the fire that broke out in your room when your roommate tried cooking shish kebabs in the fireplace. You explain that your dorm is at 6400 College Avenue, a street that runs in the left-right direction on a map of your town you are on the fifth floor, which tells where you are in the up-down direction and you are the sixth room back from the elevator, which tells where you are in the forward-backward direction. Then you explain that the fire broke out at 6:23 p.m. (but was soon brought under control), which specifies the event in time. Any event in the universe, whether nearby or far away, can be pinpointed using the three dimensions of space and the one dimension of time.

Newton considered space and time to be completely independent, and that continued to be the accepted view until the beginning of the twentieth century. But Einstein showed that there is an intimate connection between space and time, and that only by considering the two together—in what we call spacetime—can we build up a correct picture of the physical world. We examine spacetime a bit more closely in the next subsection.

The gist of Einstein’s general theory is that the presence of matter curves or warps the fabric of spacetime. This curving of spacetime is identified with gravity. When something else—a beam of light, an electron, or the starship Enterprise—enters such a region of distorted spacetime, its path will be different from what it would have been in the absence of the matter. As American physicist John Wheeler summarized it: “Matter tells spacetime how to curve spacetime tells matter how to move.”

The amount of distortion in spacetime depends on the mass of material that is involved and on how concentrated and compact it is. Terrestrial objects, such as the book you are reading, have far too little mass to introduce any significant distortion. Newton’s view of gravity is just fine for building bridges, skyscrapers, or amusement park rides. General relativity does, however, have some practical applications. The GPS (Global Positioning System) in every smartphone can tell you where you are within 5 to 10 meters only because the effects of general and special relativity on the GPS satellites in orbit around the Earth are taken into account.

Unlike a book or your roommate, stars produce measurable distortions in spacetime. A white dwarf, with its stronger surface gravity, produces more distortion just above its surface than does a red giant with the same mass. So, you see, we نكون eventually going to talk about collapsing stars again, but not before discussing Einstein’s ideas (and the evidence for them) in more detail.


The Principle Of Relativity

Although the theory of relativity was postulated by Einstein, the principle of relativity has been kicking around various scientific circles for a very long time. The principle is a just a way of saying that &lsquothe laws of nature are the same whether you are standing still or moving steadily along in a straight line&rsquo. But that seems pretty obvious, doesn&rsquot it?

(Note: This is valid only for an object moving smoothly in a straight line. If your vehicle is moving haphazardly or screeches to a halt, you would be moving within the vehicle in a very different way.)

However, Einstein had one particular thought experiment that called this Principle into question.

Imagine if you are in a spaceship that is moving at the speed of light. What would happen if you were to turn around and look at the back of the ship?

You would assume that you wouldn&rsquot be able to see anything, right? This is because the ship is moving at the speed of light, which means that a ray of light that is traveling from the back of the ship would never be able to reach your eyes because you would also be traveling at the speed of light.

AHA! Now that there is a clear way to determine whether you are moving or not, does that mean Einstein proved the Principle to be wrong?

Einstein didn&rsquot think that the above thought experiment could ever be valid. Firstly, it is impossible for any of us to travel at the speed of light. Secondly, that&rsquos not how light works. For example, a cricketer throws a ball after running because the speed of the ball will be increased (speed of the cricketer + initial speed of the ball = final speed of the ball). However, if a cricketer were to run with a torch in his hand, does that mean that the speed of the light from the torch would increase?

Obviously not. As I mentioned earlier, that&rsquos not how light works! The speed of light remains constant, no matter how fast you are going &ndash always at 300 million meters per second. Therefore, if you are in a theoretical spaceship traveling at the speed of light, the back of the ship would still be illuminated, because light will ignore the speed of the spaceship altogether.


How Star Trek's Warp Speed Works

Explaining the seemingly wonky science behind The Starship Enterprise.

The following is an excerpt of The Science of Superheroes and Space Warriors published by HowStuffWorks.

When the writers of Star Trek sat down to plan the series, they found themselves confronted with a few problems. They were essentially creating a space opera, a subgenre of science fiction that takes place in space and covers the span of several galaxies and millions of light-years. As the “opera” part of the name suggests, a show like Star Trek isn’t meant to be slow or ordinary. When people think of the series, they probably think of melodramatic plots involving aliens, space travel, and action-packed laser fights.

So the creator of the series, Gene Roddenberry, and the other writers had to find a way to move the show’s characters around the universe in a timely, dramatic fashion. At the same time, they wanted to do their best to stick to the laws of physics. The biggest problem was that even if a starship could travel at the speed of light, the time to go from one galaxy to another could still take hundreds, maybe thousands of years. A journey from Earth to the center of our galaxy, for example, would take about twenty-five thousand years if you were to travel just under the speed of light. This, of course, wouldn’t make very exciting television.

The invention of warp speed solved the opera part of the problem, since it allowed the Enterprise to go much faster than the speed of light. But what was the explanation? How could they explain an object traveling faster than the speed of light, something Einstein proved impossible in his special theory of relativity?

The first obstacle the writers had to confront is much simpler than you’d think. It comes down to Newton’s third law of motion: how for every action, there is an equal and opposite reaction.

What does this have to do with Star Trek and the Enterprise? Even if it were possible to accelerate to something like half the speed of light, such intense acceleration would kill a person by smashing him against his seat. Even though he’d be pushing back with an equal and opposite force, his mass compared to the starship is just too small. The same kind of thing happens when a mosquito hits your windshield and splatters. So how can the Enterprise possibly go faster than the speed of light without killing the members on board?

To sidestep the issue of Newton’s third law of motion and the impossibility of matter traveling faster than the speed of light, we can look to Einstein and the relationship between space and time. Taken together, space (consisting of three dimensions: up-down, left-right, and forward-backward) and time are part of what’s called the space-time continuum.

In his special theory of relativity, Einstein states two postulates:

  1. The speed of light (about 300 million meters per second) is the same for all observers, whether or not they’re moving.
  1. Anyone moving at a constant speed should observe the same physical laws.

Putting these two ideas together, Einstein realized that space and time are relative—an object in motion actually experiences time at a slower rate than one at rest. Although this may seem absurd to us, we travel incredibly slowly when compared to the speed of light, so we don’t notice the hands on our watches ticking slower when we’re running or traveling on an airplane.

What does this mean for the Captain Kirk and his team? As an object gets closer and closer to the speed of light, that object actually experiences time at a significantly slower rate. If the Enterprise were traveling safely at close to the speed of light to the center of our galaxy from Earth, it would take twenty-five thousand years of Earth time. For the crew, however, the trip would probably only take ten years.

Although that time frame might be possible for the individuals on board, we’re presented with yet another problem—a Federation attempting to run an intergalactic civilization would run into some problems if it took fifty thousand years for a starship to hit the center of our galaxy and come back.

So the Enterprise has to avoid the speed of light to keep the passengers onboard in sync with Federation time. At the same time, the Enterprise must reach speeds faster than that of light to move around the universe in an efficient manner. Unfortunately, as Einstein states in his special theory of relativity, nothing is faster than the speed of light. Space travel therefore would be impossible if we’re looking at the special relativity.

That’s why we need to look at Einstein’s later theory, the general theory of relativity, which describes how gravity affects the shape of space and flow of time. Imagine a stretched-out sheet. If you place a bowling ball in the middle of the sheet, the sheet will warp as the weight of the ball pushes down on it. If you place a baseball on the same sheet, it will roll toward the bowling ball. This is a simple design, and space doesn’t act like a two-dimensional bed sheet, but it can be applied to something like our solar system. More massive objects like our sun can warp space and affect the orbits of the surrounding planets. The planets don’t fall into the sun, of course, because of the high speeds at which they travel.

The ability to manipulate space is the most important concept in regard to warp speed. If the Enterprise could warp the space-time continuum by expanding the area behind it and contracting the area in front, the crew could avoid going the speed of light. As long as it creates its own gravitational field, the starship could travel locally at very slow velocities, therefore avoiding the pitfalls of Newton’s third law of motion and keeping clocks in sync with its launch site and destination. The ship isn’t really traveling at a “speed,” per se—it’s more like it’s pulling its destination toward it while pushing its starting point back.


شاهد الفيديو: نظرية انشتاين و تباطؤ الزمن شيء مزهل و ستفهمها (شهر اكتوبر 2021).