Jeśli jesteś już fanem Gwiezdnych Wojen, wiesz, że historie mają miejsce w odległej galaktyce, więc prawa fizyki powinny nadal obowiązywać. Z drugiej strony, są to oczywiście dzieła fikcyjne; czy jest jakiś sens stosowania tych praw? Moja książka sprawia, że sprawa jest zarówno zabawne i warto to zrobić dla wielu technologii Gwiezdnych Wojen, w tym jednej z jej najważniejszych: nadprzestrzeni.
w 1905 roku Einstein sformalizował swoją teorię szczególnej teorii względności. Zgodnie z tą teorią prędkość światła jest nie tylko stałą,ale także uniwersalnym ograniczeniem prędkości. Pojawiły się teorie sugerujące, jak można podróżować szybciej niż prędkość światła, począwszy od tuneli czasoprzestrzennych przez tesserakty, a skończywszy na podróżach w czasie. Niektóre z tych teorii wykorzystują dodatkowe wymiary, których nie widzimy. Ale jak realistyczne są te sugestie? Czy istnieje więcej niż trzy wymiary? Czy można podróżować szybciej niż światło? Co to jest tunel czasoprzestrzenny i jak pozwoliłby nam podróżować duże odległości w krótkim czasie?
Historia
w Gwiezdnych Wojnach hiperprzestrzeń jest przestrzenią pozwymiarową, przez którą statki mogą podróżować tak, aby poruszać się po galaktyce szybciej niż byłoby to dozwolone przez podróżowanie przez rzeczywistą przestrzeń. Aby to zrobić, statek musi być wyposażony w hipernapęd. Ale przejście do nadprzestrzeni nie jest pozbawione niebezpieczeństw. „Podróżowanie przez nadprzestrzenną przestrzeń nie jest jak odkurzanie upraw” – wyjaśnia Han Solo. „Bez dokładnych obliczeń moglibyśmy przelecieć przez gwiazdę lub odbić się zbyt blisko supernowej.”W przypadku tak poważnego ryzyka ważne jest, aby polegać na komputerach hyperdrive.
fizyka Gwiezdnych Wojen
hiperprzestrzeń jest w teorii zbiorem dodatkowych wymiarów poza trzema, których doświadczamy codziennie. Te dodatkowe wymiary są w stanie połączyć odległe punkty w rzeczywistej przestrzeni. Pozwala to na szybsze niż światło prędkości (w pewnym sensie). Na przykład, rozważmy lot z Tatooine do Alderaan. Jeśli Owen włączył laser skierowany bezpośrednio na Alderaan (i zakładamy, że nie ma żadnych przeszkód, a wiązka pozostanie dokładnie wycelowana na tyle, aby była wykrywalna w Alderaan) w tym samym momencie, w którym Sokół Millennium skoczył w nadprzestrzenną przestrzeń, Sokół Millennium przyleci zanim wiązka lasera dotrze do Alderaan. Wydaje się, że Sokół Millenium podróżował ” szybciej niż światło.”
są problemy z tym teoretycznym wyjaśnieniem. Jedną z nich jest idea, że przyczyna i skutek opierają się na rzeczach dziejących się w określonej kolejności. Mówiąc prościej, aby jedno zdarzenie spowodowało drugie zdarzenie, pierwsze zdarzenie musi nastąpić przed drugim. Wydaje się to dość łatwe i niezwiązane z hiperprzestrzenią, ale koncepcja jednoczesności rzuca klucz we wszystko.
zastanów się, co następuje: siedzisz na krześle obok toru kolei dużych prędkości i decydujesz się na uruchomienie dwóch fajerwerków jednocześnie, po jednym po obu stronach. Z twojej perspektywy, uruchamiają się dokładnie w tym samym momencie. Gdyby twój przyjaciel jechał pociągiem podróżującym z prędkością zbliżoną do prędkości światła, gdy fajerwerki były odpalane, ten przyjaciel zobaczyłby odpalenie fajerwerków o różnych porach. Wydarzenie, które jest jednoczesne dla Ciebie, nie byłoby równoczesne dla Twojego przyjaciela. Podobnie, możesz odpalić fajerwerki o różnych porach, tak że w ramce referencyjnej Twojego znajomego uruchamiają się jednocześnie.
haczyk polega na tym, że jeśli pociąg twojego przyjaciela miał podróżować szybciej niż prędkość światła, kolejność w jakiej wystrzelone fajerwerki będą wyglądać inaczej dla Ciebie (jako stacjonarnego obserwatora) niż dla Twojego przyjaciela (jako obserwatora podróżującego szybciej niż światło).
Możesz pomyśleć, że fajerwerki to głupi przykład. Kogo obchodzi, czy nie zgadzasz się z kolejnością odpalenia fajerwerków? Jednak ten eksperyment myślowy pokazuje nam współzależność między szybkością a sekwencją zdarzeń. Prawa fizyki nie dbają o to, co to za wydarzenia. Wyobraź sobie, że strzelasz blasterem (Zdarzenie 1) i śruba uderzająca w cel (Zdarzenie 2). Lub czytanie książki (wydarzenie 1) i informowanie znajomego o tym, co czytasz (Wydarzenie 2). Jak widzicie, kolejność, w jakiej te zdarzenia mają miejsce, byłaby bezsensowna, gdyby były odwrócone. Technicznie rzecz biorąc, Sokół Millennium mógłby przelecieć szybciej niż światło obok Alderaan, gdy eksploduje i dotrze do Gwiazdy Śmierci na czas, aby powstrzymać broń przed wystrzeleniem.
istnieją jednak sposoby, w których podróżowanie przez nadprzestrzenną przestrzeń nie wymagałoby naruszenia teorii względności. Idea, że dwa punkty w przestrzeni rzeczywistej są połączone „tunelem” wykorzystującym dodatkowe wymiary, nie jest niespotykana w teoriach fizyki. Te połączenia między punktami w czasoprzestrzeni nazywane są tunelami czasoprzestrzennymi. Oto jak działa tunel czasoprzestrzenny: trzymaj przed sobą kawałek papieru i złóż go na pół. Teraz weź ołówek (lub inny ostry przedmiot) i przebij otwór przez złożony papier. Teraz wyobraź sobie, że mrówka chce przejść z jednej strony papieru na drugą. Jeśli chodzi wzdłuż powierzchni papieru, będzie musiał chodzić całą drogę w górę i wokół krotnie. Z drugiej strony, jeśli mrówka przejdzie przez otwór, może dostać się z jednej strony papieru na drugą znacznie szybciej. Sama mrówka nigdy nie podróżowała szybciej; po prostu szybciej przemieszczała się z jednego miejsca do drugiego.
podczas gdy papier jest dwuwymiarową powierzchnią, trójwymiarową przestrzenią, jak rozumiemy, można go złożyć przez czwarty wymiar, aby stworzyć połączenia między dwoma punktami. Ponieważ nasze umysły doświadczyły tylko trójwymiarowej przestrzeni, niemożliwe jest jej pełne zobrazowanie. Mimo to, gdyby hipernapęd był w stanie zniekształcić czasoprzestrzeń tak, że wypaczał się i tworzył dziurę między Tatooine i Alderaan, podróżowanie przez hiperprzestrzeń nie naruszałoby żadnych praw fizyki. Wymagałoby to ogromnej ilości energii do osiągnięcia tych skoków.
fizyka prawdziwego życia
to chyba wszystko brzmi fantastycznie; coś, co nie mogło się wydarzyć w rzeczywistości. Jeśli chodzi o eksperymentalnie zweryfikowaną fizykę, to prawda. Istnieją jednak teorie, które wskazują, że mogą istnieć dodatkowe wymiary rzeczywistości jeszcze nieodkrytej. Być może najbardziej znanym tego przykładem jest teoria strun. Obecnie istnieje pięć różnych formalizacji teorii strun, z których wszystkie nie mogą być sfałszowane przez aktualne dane. M-teoria jest możliwą unifikacją wszystkich teorii strun, zgodnie z którą każda indywidualna teoria strun jest szczególnym przykładem uogólnionej m-teorii.
Podstawowym założeniem wszystkich teorii strun jest to, że wszystko we wszechświecie składa się z maleńkich strun, które są zawinięte w pętlę lub istnieją w linii prostej. Tak jak struny na gitarze oscylują w szczególny sposób, aby tworzyć nuty w piosence, tak struny tworzące wszechświat oscylują w różny sposób, aby tworzyć subatomowe cząstki.
jedną z innych idei teorii strun jest to, że istnieje więcej niż trzy wymiary przestrzenne i wymiar jednorazowy, który znamy. W zależności od konkretnego sformułowania teorii strun, do której się odwołujesz, istnieją różne proponowane liczby wymiarów. Na przykład w teorii strun bozonowych istnieje zaproponowane dwadzieścia sześć wymiarów.
Gdzie te dodatkowe wymiary? Dlaczego nie możemy ich zobaczyć lub doświadczyć? Podobnie jak większość rzeczy związanych z fizyką na granicy ludzkiej wiedzy, używamy analogii do opisu wyników. Wyobraź sobie, że jesteś astronautą na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, patrząc w dół na Nowy Jork. Będziesz mógł zobaczyć siatkę ulic oświetlonych w nocy. Z waszej perspektywy ulice będą wyglądały jak jednowymiarowe linie; rzeczy mogą po nich iść, ale nie ma szerokości, aby przez nie przejść. Będąc na ulicy, wiesz, że możesz przejść przez ulicę (nie tylko iść wzdłuż niej) i że możesz nawet skakać w górę iw dół podczas przechodzenia przez ulicę, ale z kosmosu jesteś zbyt daleko, aby zobaczyć te szczegóły. Podobnie, w naszej skali wielkości człowieka, możemy być tak daleko od tych kompaktowych wymiarów, że nie możemy dostrzec ich zawiłości.
wymiary te są często opisywane w kategoriach tzw. długości Plancka. Niektórzy sugerują, że jest to najkrótsza możliwa długość. Długość Plancka można zobrazować w ten sposób: spójrz na szerokość ludzkiego włosa. Ma około 1/10 milimetra średnicy. Gdyby ten włos był skalowany do wielkości obserwowalnego wszechświata (około 1027 metrów średnicy), w skalowanej wersji długość Plancka byłaby szerokością ludzkiego włosa. Innym sposobem na powiedzenie tego jest to, że ludzki Włos ma około 1031 długości Plancka. To 10 milionów razy więcej gwiazd w obserwowalnym wszechświecie.