Tốc độ Warp hoạt động như thế nào

Mar 07 2008

Di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng, bạn có thể đi bất cứ đâu trong vài phút - ít nhất là trong vũ trụ "Star Trek". Về mặt lý thuyết, thiết bị khoa học viễn tưởng này có khả thi không?

NASA
Một nghệ sĩ thể hiện tốc độ cong có thể trông như thế nào đối với một nhà du hành vũ trụ.

Trên tàu starhip Enterprise, bạn đang đi chơi với các thành viên phi hành đoàn, chơi poker . Bạn đang di chuyển với tốc độ nhanh trong một chuyến thám hiểm không gian sâu nhàn nhã và mọi người đều có một chút thời gian chết. Nhưng khoan đã - đột nhiên, con tàu nhận được một tin nhắn khẩn cấp từ một đô đốc Liên bang, thông báo cho thủy thủ đoàn về một cuộc chiến tranh bùng nổ ở Vùng Trung lập. Doanh nghiệp được lệnh phải báo cáo tình hình càng sớm càng tốt. Khu vực được đề cập cách xa khoảng 20 năm ánh sáng (117 nghìn tỷ km), nhưng đây không phải là vấn đề trong vũ trụ "Star Trek". Thuyền trưởng điều chỉnh đường lái dọc của con tàu một cách thích hợp, và bạn ổn định với tốc độ sợi dọc . Di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng , bạn sẽ đến đích chỉ sau vài phút.

Cách hoạt động của Lightsabers
Cách động cơ tên lửa hoạt động
Dự án Curiosity: 10 lý thuyết thiên văn lỗi thời

Chừng nào con người còn nhìn lên bầu trời, thì không gian đã mê hoặc chúng ta, và các nhà thiên văn học cũng như các nhà triết học đã đặt ra những câu hỏi cơ bản nhất khi nhìn chằm chằm vào các vì sao . Chúng ta đang làm gì ở đây? Vũ trụ bắt đầu như thế nào, và có những vũ trụ song song khác phản chiếu chúng ta không? Có sự sống ngoài kia trong các thiên hà khác không , và du lịch đến đó sẽ như thế nào?

Mặc dù chúng ta vẫn chưa trả lời được những câu hỏi này, nhưng ít nhất chúng ta cũng có những bộ phim khoa học viễn tưởng như "Star Trek" để kiểm tra trí tưởng tượng của con người. Mọi thứ từ "Cỗ máy thời gian" của HG Wells đến "Star Trek" đến loạt phim "Firefly" của Joss Whedon đều đề cập đến khả năng du hành thời gian , dịch chuyển tức thời và tất nhiên là cả tốc độ cong. Nhưng làm thế nào để một thứ như tốc độ sợi dọc phù hợp với thực tế và vũ trụ của chúng ta? Tốc độ sợi dọc chỉ là một thiết bị khoa học viễn tưởng lập dị, hay về mặt lý thuyết là có thể? Nó hoạt động như thế nào trong vũ trụ "Star Trek"? Để biết mọi thứ về tốc độ sợi dọc, vô cực và hơn thế nữa, hãy đọc các trang sau.

Nội dung

Định luật chuyển động thứ ba của Newton
Einstein, Thuyết tương đối và sự liên tục trong không-thời gian
Ổ Warp
Các vấn đề với tốc độ Warp

Định luật chuyển động thứ ba của Newton

Hulton Archive/Getty Images
"Star Trek" had William Shatner as Captain James T. Kirk, but whatever were they going to do about intergalactic space travel?

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. The "Star Wars" films are another example of the space opera subgenre. 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 the Earth to the center of our galaxy, for example, would take about 25,000 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 ?

Eliot J. Schechter/Getty Images
When this shuttle makes its way into orbit, it will travel at about 17,000 miles per hour. Humans can withstand this velocity in this type of shuttle, but if the shuttle even attempted to approach the speed of light, the effect would prove fatal to astron

The first obstacle the writers had to confront is much simpler than you'd think. One of the most important things you need to know before understanding warp speed is actually one of the oldest tricks in the physics book, Newton's Third Law of Motion. You've probably heard it before -- this law states that for every action, there is an equal and opposite reaction. It simply means that for every interaction between two objects, a pair of forces is working on both of them. For instance, if you roll one billiard ball straight into another one that's at rest, they will both exert an equal force on each other. The moving ball will hit the ball at rest and push it away, but it will also be pushed back by the latter.

You feel this law come into play every time you accelerate in a car or fly in an airplane . As the vehicle speeds up and moves forward, you feel pressure on your seat. The seat is pushing on you, but you're also exerting a force against the seat.

So 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?

In the next section, we'll see how the "Star Trek" creators began to get around the problem of sending matter through space at superluminal speeds.

Einstein, Relativity and the Space-time Continuum

In order 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 all part of what's called the space-time continuum.

It's important to understand Einstein's work on the space-time continuum and how it relates to the Enterprise traveling through space. In his Special Theory of Relativity , Einstein states two postulates:

The speed of light (about 300,000,000 meters per second) is the same for all observers, whether or not they're moving.
Bất kỳ ai chuyển động với tốc độ không đổi đều phải tuân theo các quy luật vật lý giống nhau.

Đặt hai ý tưởng này lại với nhau, Einstein nhận ra rằng không gian và thời gian là tương đối - một vật thể đang chuyển động thực sự trải nghiệm thời gian với tốc độ chậm hơn một vật thể đang dừng lại. Mặc dù điều này có vẻ vô lý đối với chúng tôi, nhưng chúng tôi di chuyển cực kỳ chậm khi so với tốc độ ánh sáng, vì vậy chúng tôi không nhận thấy kim đồng hồ của mình tích tắc chậm hơn khi chúng tôi đang chạy hoặc đi trên máy bay. Các nhà khoa học đã thực sự chứng minh hiện tượng này bằng cách gửi đồng hồ nguyên tử lên các tàu tên lửa tốc độ cao . Họ quay trở lại Trái đất một chút sau đồng hồ trên mặt đất.

Điều này có ý nghĩa gì đối với Thuyền trưởng Kirk và đội của anh ta? Một vật thể càng tiến gần đến tốc độ ánh sáng, thì vật thể đó thực sự trải qua thời gian với tốc độ chậm hơn đáng kể. Nếu Enterprise di chuyển an toàn với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng từ Trái đất đến trung tâm thiên hà của chúng ta , thì thời gian Trái đất sẽ mất 25.000 năm. Tuy nhiên, đối với phi hành đoàn, chuyến đi có lẽ sẽ chỉ kéo dài 10 năm.

Mặc dù khung thời gian đó có thể có đối với các cá nhân trên tàu, nhưng chúng ta đang gặp phải một vấn đề khác - một Liên đoàn đang cố gắng điều hành một nền văn minh giữa các thiên hà sẽ gặp phải một số vấn đề nếu mất 50.000 năm để một con tàu sao đi vào trung tâm thiên hà của chúng ta và trở lại.

Vì vậy, Xí nghiệp phải tránh tốc độ ánh sáng để giữ cho hành khách trên tàu đồng bộ với thời gian của Liên đoàn. Đồng thời, nó cũng phải đạt tốc độ nhanh hơn tốc độ ánh sáng để di chuyển quanh vũ trụ một cách hiệu quả. Thật không may, như Einstein đã phát biểu trong Thuyết Tương đối Đặc biệt của mình, không có gì nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Do đó, du hành vũ trụ sẽ không thể thực hiện được nếu chúng ta đang nghiên cứu thuyết tương đối hẹp.

Theo Thuyết tương đối rộng của Einstein, vật chất bẻ cong cấu trúc của không gian và thời gian. Sự biến dạng của liên tục không-thời gian thậm chí còn ảnh hưởng đến hành vi của ánh sáng.

Đó là lý do tại sao chúng ta cần xem xét lý thuyết sau này của Einstein, Thuyết Tương đối Tổng quát , mô tả cách mà lực hấp dẫn ảnh hưởng đến hình dạng của không gian và dòng chảy của thời gian. Hãy tưởng tượng một tờ giấy được kéo dài ra. Nếu bạn đặt một quả bóng bowling ở giữa tờ giấy, tờ giấy sẽ bị cong khi trọng lượng của quả bóng đè lên nó. Nếu bạn đặt một quả bóng chày trên cùng một tấm, nó sẽ lăn về phía quả bóng bowling. Đây là một thiết kế đơn giản và không gian không hoạt động giống như một tấm trải giường hai chiều, nhưng nó có thể được áp dụng cho một thứ gì đó giống như hệ mặt trời của chúng ta - các vật thể nặng hơn như mặt trời của chúng ta có thể làm cong không gian và ảnh hưởng đến quỹ đạo của các hành tinh xung quanh . Tất nhiên, các hành tinh không rơi vào mặt trời vì chúng di chuyển với tốc độ cao.

Trên trang tiếp theo, chúng ta sẽ xem điều này có tác dụng như thế nào trên Enterprise.

Ổ Warp

Khả năng thao túng không gian là khái niệm quan trọng nhất liên quan đến tốc độ sợi dọc. Nếu Enterprise có thể làm cong không-thời gian liên tục bằng cách mở rộng khu vực phía sau nó và thu hẹp khu vực phía trước, thì phi hành đoàn có thể tránh đi với tốc độ ánh sáng . Miễn là nó tạo ra trường hấp dẫn của riêng mình, phi thuyền có thể di chuyển cục bộ với vận tốc rất chậm, do đó tránh được những cạm bẫy của Định luật chuyển động thứ ba của Newton và giữ cho đồng hồ đồng bộ với vị trí phóng và điểm đến của nó. Con tàu không thực sự di chuyển với "tốc độ" - nó giống như nó đang kéo điểm đến về phía nó trong khi đẩy điểm xuất phát của nó trở lại.

A warp bubble surrounding a starship, which protects the ship and crew members as space and time distorts.

Because the ideas behind Einstein's General Theory of Relativity are complex and still open to interpretation, this leaves the possibilities wide open for science fiction writers. We may not know how to bend space and time with our current technology, but a fictional civilization set in the future may be completely capable of inventing such a device with the right imagination.

In the "Star Trek" universe, warp speed is accomplished through the use of a warp drive. The warp drive is powered by matter-antimatter reactions, which are regulated by a substance called dilithium. This reaction creates highly-energetic plasma known as electro-plasma, a type of matter with its own magnetic field, which reacts with the starship's warp coils. The warp coils are typically enclosed in what the "Star Trek" writers call a warp nacelle. The whole package creates a "warp field" or "bubble" around the Enterprise, allowing the ship and its crew to remain safe while space manipulates around them.

Sometime between the first television series ("Star Trek: The Original Series") and the second ("Star Trek: The Next Generation"), the writers decided to assign a limit to warp speed -- using a scale of Warp-1 to Warp-10, the Enterprise wasn't allowed to travel just anywhere at anytime, seeing as that would make plotting too easy. In the show, Warp-10 became an impossible maximum speed, an infinity in which the starship would be at all points in the universe at the same time. Warp-9.6, according to the "Next Generation" technical manual, is the highest attainable speed allowed -- it's set at 1,909 times the speed of light. Although there are some inconsistencies, the following list the different speeds in the "Star Trek" universe:

Warp Factor	Number of times the speed of light
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	Infinity

In the next section, we'll take a look at some of the problems the concept of warp speed encounters.

Problems with Warp Speed

Les Bossinas/NASA
An artist's rendition of a spaceship traveling at warp speed.

So Einstein helped the "Star Trek" writers manipulate space in a science fictional universe, but is it actually possible to build a spaceship that could propel people across vast galaxies in a relatively short period of time?

Physicist Miguel Alcubierre has suggested the use of so-called "exotic matter," a theoretical type of matter with negative energy. If it could be found or created, the exotic matter would do the job of repelling space and time and creating the gravitational field.

Thật không may, đó là xa hơn đối với các nguồn nhiên liệu có thể - có nhiều vấn đề hơn là các giải pháp khi nói đến khái niệm cung cấp năng lượng cho tốc độ sợi dọc. Ngay cả khi Enterprise di chuyển với tốc độ ánh sáng dưới ánh sáng, được gọi là động cơ thúc đẩy người hâm mộ "Star Trek", lượng nhiên liệu và năng lượng cần thiết để di chuyển nhanh trong không gian sẽ là quá nhiều đối với một con tàu sao. Động cơ thúc đẩy của Enterprise được cung cấp năng lượng từ phản ứng tổng hợp hạt nhân, cùng một loại phản ứng làm sáng mặt trời và tạo ra những vụ nổ lớn từ một số quả bom hạt nhân nhất định. Theo Tiến sĩ Lawrence Krauss, một nhà vật lý lý thuyết và là tác giả của cuốn "The Physics of Star Trek", nếu Thuyền trưởng Kirk muốn di chuyển với vận tốc bằng một nửa ánh sáng (150.000 km / giây), thì con tàu sẽ cần phải đốt cháy gấp 81 lần khối lượng của nó. trong hydro, nhiên liệu được sử dụng cho phản ứng tổng hợp hạt nhân. Sách hướng dẫn kỹ thuật cho "Star Trek: The Next Generation" liệt kê Enterprise có trọng lượng hơn 4 triệu tấn, vì vậy con tàu sẽ cần hơn 300 triệu tấn hydro chỉ để di chuyển về phía trước. Tất nhiên, để giảm tốc độ đến một điểm dừng, phi thuyền sẽ cần thêm 300 triệu tấn nhiên liệu và một chuyến đi tiềm năng qua các thiên hà sẽ cần khối lượng gấp 6.642 lần so với "Enterprise".

Một số người đã đề xuất một hệ thống trong đó một thiết bị thu thập hydro khi tàu du hành, nói trước sự cần thiết phải lưu trữ lượng nhiên liệu khổng lồ, nhưng Krauss cho rằng thiết bị này sẽ phải rộng khoảng 25 dặm để thu được bất cứ thứ gì đáng sử dụng. Mặc dù hydro là nguyên tố dồi dào nhất trong thiên hà, chỉ có khoảng một nguyên tử hydro cho mỗi inch khối vuông.

Làm cho ổ đĩa dọc hoạt động sẽ là một việc khác. Ổ sợi dọc trong "Star Trek" nhận được sức mạnh của nó bằng cách phản ứng vật chất với phản vật chất - kết quả là sự hủy diệt hoàn toàn và giải phóng năng lượng tinh khiết. Vì phản vật chất không phổ biến trong vũ trụ của chúng ta, nên Liên bang sẽ phải sản xuất ra nó, điều mà chúng ta có thể làm ngày nay tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia Fermi (Fermilab) ở Illinois . Một lần nữa, vấn đề hóa ra là vấn đề về lượng nhiên liệu cần thiết để cung cấp năng lượng cho bộ truyền động dọc. Kruass lưu ý rằng Fermilab có khả năng tạo ra 50 tỷ phản proton trong một giờ - đủ để tạo ra 1/1000 watt. Bạn sẽ cần 100.000 Fermilabs để cung cấp năng lượng cho một bóng đèn duy nhất. Việc sản xuất đủ phản proton để bẻ cong liên tục không-thời gian là điều gần như không thể đối với công nghệ hiện tại của chúng ta.

Mặc dù có rất ít cơ hội trong thế kỷ này loài người phát triển một con tàu vũ trụ có thể bẻ cong không gian và du hành đến các thiên hà xa xôi nhanh hơn tốc độ ánh sáng, nhưng điều này đã không ngăn cản các nhà khoa học và người hâm mộ bộ truyện này suy nghĩ về tiềm năng. Gần đây vào tháng 11 năm 2007, Hiệp hội Liên hành tinh Anh đã quy tụ một số nhà vật lý cho một hội nghị có tên "Nhanh hơn ánh sáng: Phá vỡ rào cản khoảng cách giữa các vì sao" [nguồn: Guardian ].

Khoa học về "Star Trek"

Về mặt khoa học viễn tưởng, "Star Trek" được người hâm mộ đánh giá cao vì gắn bó với vật lý tương đối hợp lý. Mặc dù không ai nghĩ ra một con tàu sao có thể di chuyển với tốc độ dọc, nhưng không ai bác bỏ khả năng của một kỳ tích như vậy. "Star Trek" cũng đã xem xét các khái niệm lớn khác trong suốt loạt phim, bao gồm cả khái niệm du hành thời gian qua các lỗ đen hoặc lỗ sâu. Các tác giả cũng nhận được một số chi tiết nhạy cảm chính xác, chẳng hạn như thực tế là không có âm thanh trong không gian. Trong khi George Lucas bao gồm các vụ nổ và vụ nổ laser trong suốt loạt phim "Chiến tranh giữa các vì sao" của mình để giữ cho mọi thứ trở nên kịch tính, thì "Star Trek" lại gần với thực tế hơn một chút bằng cách không bao gồm các hiệu ứng âm thanh trong không gian.

Tốc độ Warp hoạt động như thế nào

Định luật chuyển động thứ ba của Newton

Einstein, Relativity and the Space-time Continuum

Ổ Warp

Problems with Warp Speed

Nhiều thông tin hơn