als je al een Star Wars fan bent, Weet je dat de verhalen zich afspelen in een sterrenstelsel ver, ver weg, dus de wetten van de fysica moeten nog steeds van toepassing zijn. Aan de andere kant zijn dit natuurlijk fictiewerken; heeft het zin deze wetten toe te passen? Mijn boek maakt de zaak dat is is zowel leuk en de moeite waard om dit te doen voor een reeks van Star Wars-technologieën, waaronder de een van de belangrijkste: hyperspace.in 1905 formaliseerde Einstein zijn theorie van de speciale relativiteitstheorie. Volgens deze theorie is de snelheid van het licht niet alleen een constante, maar ook de universele snelheidslimiet. Theorieën die voorstellen hoe men sneller kan reizen dan de lichtsnelheid zijn naar voren gebracht, variërend van wormgaten tot tesseracten tot tijdreizen. Sommige van deze theorieën profiteren van extra dimensies die we niet kunnen zien. Maar hoe realistisch zijn deze suggesties? Zijn er meer dan drie dimensies? Is het mogelijk om sneller te reizen dan licht? Wat is een wormgat en hoe zou het ons in staat stellen om grote afstanden te reizen in een korte tijd?
Backstory
in Star Wars is hyperruimte een extra-dimensionale ruimte waar schepen doorheen kunnen reizen om sneller door het melkwegstelsel te reizen dan toegestaan zou zijn door de echte ruimte. Om dit te doen, moet een schip zijn uitgerust met een hyperdrive. Maar naar hyperspace gaan is niet zonder gevaar. “Reizen door hyperspace is niet zoals het afstoffen van gewassen”, legt Han Solo uit. “Zonder nauwkeurige berekeningen kunnen we dwars door een ster vliegen of te dicht bij een supernova stuiteren.”Met zulke ernstige risico’ s, is het belangrijk om te vertrouwen op hyperdrive computers.
de fysica van Star Wars
hyperruimte is in theorie een verzameling extra dimensies die verder gaan dan de drie die we dagelijks ervaren. Deze extra dimensies zijn in staat om verre punten in de echte ruimte met elkaar te verbinden. Dit zorgt voor sneller-dan-licht snelheden (in zekere zin). Denk bijvoorbeeld aan de vlucht van Tatooine naar Alderaan. Als Owen een laser aanzette die direct op Alderaan gericht is (en we gaan ervan uit dat er geen obstakels zijn en dat de straal nauwkeurig genoeg gericht blijft om op Alderaan te kunnen worden gedetecteerd) op hetzelfde moment dat de Millennium Falcon in de hyperruimte sprong, zou de Millennium Falcon aankomen voordat de laserstraal Alderaan bereikte. Het lijkt alsof de Millennium Falcon “sneller dan licht reisde.”
Er zijn problemen met deze theoretische verklaring. Een daarvan is het idee dat oorzaak en gevolg afhankelijk zijn van dingen die in een bepaalde volgorde gebeuren. Simpeler, voor een gebeurtenis om een tweede gebeurtenis te veroorzaken, moet de eerste gebeurtenis plaatsvinden vóór de tweede. Dat lijkt makkelijk genoeg en los van hyperruimte, maar het concept van simultaneïteit gooit een moersleutel in alles.
overweeg het volgende: U zit op een stoel naast een hogesnelheidsspoorweg en u besluit twee vuurwerk tegelijkertijd te lanceren, één aan beide kanten. Vanuit jouw perspectief, lanceren ze precies op hetzelfde moment. Als je vriend in een trein zou rijden die dicht bij de lichtsnelheid reed terwijl het vuurwerk werd gelanceerd, zou die vriend het vuurwerk op verschillende tijdstippen zien lanceren. Een gebeurtenis die simultaan is voor jou zou niet simultaan zijn voor je vriend. Op dezelfde manier kun je het vuurwerk op verschillende tijdstippen lanceren, zodat ze in het referentieframe van je vriend tegelijkertijd worden gelanceerd.
De vangst is, als de trein van uw vriend sneller zou reizen dan de snelheid van het licht, de volgorde waarin de vuurwerklancering voor u anders zal lijken (als een stilstaande waarnemer) dan uw vriend (als een waarnemer die sneller reist dan het licht).
je zou kunnen denken dat vuurwerk een dom voorbeeld is. Wat maakt het uit als je het niet eens bent over de volgorde waarin het vuurwerk werd gelanceerd? Dit gedachte-experiment toont ons echter de relatie tussen snelheid en de volgorde van gebeurtenissen. De wetten van de fysica geven er niet om wat die gebeurtenissen zijn. Stel je voor het afvuren van een blaster (event 1) en de bout raken van het doel (event 2). Of het lezen van een boek (event 1) en het vertellen van een vriend over wat je leest (event 2). Zoals je kunt zien, zou de volgorde waarin deze gebeurtenissen plaatsvinden onzinnig zijn wanneer ze omgekeerd worden. Technisch gezien zou het mogelijk zijn voor de Millennium Falcon om sneller dan licht langs Alderaan te vliegen als het explodeert en op tijd bij de Death Star aankomen om te voorkomen dat het wapen in de eerste plaats afvuurt.
Er zijn echter manieren waarop reizen door hyperruimte geen schending van relativiteit vereist. Het idee dat twee punten in de reële ruimte met elkaar verbonden zijn door een “tunnel” die gebruik maakt van extra dimensies is niet ongehoord in natuurkundige theorieën. Deze verbindingen tussen punten in ruimte-tijd worden wormgaten genoemd. Zo werkt een wormgat: Houd een stuk papier voor je en vouw het dubbel. Neem nu een potlood (of ander scherp voorwerp) en prik een gat door het gevouwen papier. Stel je nu voor dat een mier van de ene kant van het papier naar de andere wil lopen. Als het loopt langs het oppervlak van het papier, zal het moeten lopen helemaal omhoog en rond de vouw. Aan de andere kant, als de mier door het gat loopt, kan het van de ene kant van het papier naar de andere veel sneller. De mier zelf reisde nooit sneller; hij maakte het gewoon van de ene locatie naar de andere sneller.
terwijl het papier een tweedimensionaal oppervlak is, zou de driedimensionale ruimte, zoals we begrijpen, door een vierde dimensie kunnen worden gevouwen om verbindingen tussen twee punten te creëren. Omdat onze geest alleen maar driedimensionale ruimte heeft ervaren, is dit onmogelijk volledig te visualiseren. Toch, als een hyperdrive in staat waren om ruimte-tijd zodanig te vervormen dat het krom werd en een gat creëerde tussen Tatooine en Alderaan, zou reizen door hyperruimte geen wetten van de fysica schenden. Het zou alleen enorme hoeveelheden energie nodig hebben om deze sprongen te volbrengen.
de fysica van het echte leven
Dit klinkt waarschijnlijk allemaal fantastisch; iets dat niet zou kunnen gebeuren in de werkelijkheid. Wat experimenteel geverifieerde fysica betreft, dat is waar. Er zijn echter theorieën die erop wijzen dat er extra dimensies van de werkelijkheid kunnen zijn die nog niet ontdekt zijn. Misschien wel het bekendste voorbeeld hiervan is snaartheorie. Op dit moment zijn er vijf verschillende formalisaties van de snaartheorie, die allemaal niet kunnen worden vervalst door de huidige gegevens. De M-theorie is een mogelijke unificatie van alle snaartheorieën volgens welke elke individuele snaartheorie een speciaal voorbeeld is van de gegeneraliseerde M-theorie.
het uitgangspunt van alle snaartheorieën is dat alles in het universum bestaat uit kleine snaren, die ofwel in een lus zijn gewikkeld of in een rechte lijn bestaan. Net zoals snaren op een gitaar op bepaalde manieren oscilleren om noten te maken in een lied, oscilleren de snaren waaruit het universum bestaat op verschillende manieren om subatomaire deeltjes te creëren.
een van de andere ideeën van de snaartheorie is dat er meer dan de drie ruimtelijke dimensies en eenmalige dimensie zijn die we kennen. Afhankelijk van de specifieke formulering van de snaartheorie waarnaar u verwijst, zijn er verschillende voorgestelde aantallen dimensies. Bijvoorbeeld, in de bosonische snaartheorie, zijn er een voorgestelde zesentwintig dimensies.
dus waar zijn deze extra dimensies? Waarom kunnen we ze niet zien of ervaren? Zoals de meeste dingen die te maken hebben met natuurkunde op de grens van menselijke kennis, gebruiken we analogieën om de resultaten te beschrijven. Stel je voor dat je een astronaut bent in het Internationale Ruimtestation die neerkijkt op New York City. U zult in staat zijn om het raster van straten verlicht ‘ s nachts te zien. Vanuit jouw perspectief zullen de straten eruit zien als eendimensionale lijnen; dingen kunnen er langs gaan, maar er is geen Breedte om er doorheen te gaan. Als je op een straat bent geweest, weet je dat je over een straat kunt lopen (niet alleen langs gaan) en dat je zelfs op en neer kunt springen tijdens het oversteken van de straat, maar vanuit de ruimte ben je te ver weg om die details te zien. Op dezelfde manier, op onze menselijke schaal, kunnen we zo ver weg zijn van deze compacte dimensies dat we de fijne kneepjes ervan niet kunnen zien.
deze afmetingen worden vaak beschreven in termen van wat bekend staat als de Plancklengte. Sommige mensen suggereren dat dit de kortst mogelijke lengte is. De Planck lengte kan op deze manier worden gevisualiseerd: Kijk naar de breedte van een mensenhaar. Dit is ongeveer een tiende van een millimeter doorsnede. Als dit haar zou worden opgeschaald tot de grootte van het waarneembare universum (ongeveer 1027 meter in doorsnede), zou in de opgeschaalde versie De Planck lengte de breedte van een mensenhaar zijn. Een andere manier om dit te zeggen is dat een mensenhaar ongeveer 1031 Planck lengtes heeft. Dat is tien miljoen keer het aantal sterren in het waarneembare heelal.