home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1993 #3 / NN_1993_3.iso / spool / sci / physics / 23356 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1993-01-24  |  16.6 KB

  1. Xref: sparky sci.physics:23356 alt.sci.physics.new-theories:2812 sci.skeptic:22781 rec.arts.startrek.fandom:2050 alt.paranormal:2825 alt.alien.visitors:10144 alt.conspiracy:14548
  2. Newsgroups: sci.physics,alt.sci.physics.new-theories,sci.skeptic,rec.arts.startrek.fandom,rec.arts.startrek.creative,alt.paranormal,alt.alien.visitors,alt.conspiracy
  3. Path: sparky!uunet!well!sarfatti
  4. From: sarfatti@well.sf.ca.us (Jack Sarfatti)
  5. Subject: Star Trek Physics, Part 2 Hinson's Notes with Rashi Commentary
  6. Message-ID: <C1CBrA.IAJ@well.sf.ca.us>
  7. Sender: news@well.sf.ca.us
  8. Organization: Whole Earth 'Lectronic Link
  9. Date: Sun, 24 Jan 1993 04:13:58 GMT
  10. Lines: 302
  11.  
  12.  
  13. Part 2  The Hinson Notes on coventional relativity with Sarfatti Commentary
  14. on superluminal and transluminal matter causality-violating kinematics.
  15.  
  16. > Relativity and FTL Travel
  17.  
  18. >Outline:
  19.  
  20. I.      An Introduction to Special Relativity
  21.         A.      Reasoning for its existence
  22.         B.      Time dilation effects
  23.         C.      Other effects on observers
  24.         E.      Space-Time Diagrams
  25.         D.      Experimental support for the theory
  26. II.     The First Problem:  The Light Speed Barrier
  27.         A.      Effects as one approaches the speed of light
  28.         B.      Conceptual ideas around this problem
  29. III.    The Second Problem:  FTL Implies The Violation of Causality
  30.         A.      What is meant here by causality, and its importance
  31.         B.      Why FTL travel of any kind implies violation of causality
  32.         C.      A scenario as "proof"
  33. IV.     A Way Around the Second Problem
  34.         A.      Warped space as a special frame of reference
  35.         B.      How this solves the causality problem
  36.         C.      The relativity problem this produces
  37.         D.      One way around that relativity problem
  38. V.      Conclusion.
  39.  
  40.  >I. An Introduction to Special Relativity
  41. The main goal of this introduction is to make relativity and its
  42. consequences feasible to those who have not seen them before.  It should
  43. also reinforce such ideas for those who are already somewhat familiar
  44. with them.  This introduction will not completely follow the traditional
  45. way in which relativity came about.  It will begin with a pre-Einstein
  46. view of relativity.  It will then give some reasoning for why Einstein's
  47. view is plausible.  This will lead to a discussion of some of the
  48. consequences this theory has, odd as they may seem.  For future
  49. reference, it will also introduce the reader to the basics of space-time
  50. diagrams.  Finally, I want to mention some experimental evidence that
  51. supports the theory.
  52.  
  53. >The idea of relativity was around in Newton's day, but it was
  54. incomplete.  It involved transforming from one frame of reference to
  55. another frame which is moving with respect to the first.  The
  56. transformation was not completely correct, but it seemed so in the realm
  57. of small speeds.  I give here an example of this to make it clear.
  58.  
  59. >Consider two observers, you and me, for example.  Lets say I am
  60. on a train which passes you at 30 miles per hour.  I through a ball in
  61. the direction the train is moving, and the ball moves at 10 mph in MY
  62. point of view.  Now consider a mark on the train tracks.  You see the
  63. ball initially moving along at the same speed I am moving (the speed of
  64. the train).  Then I through the ball, and before I can reach the mark on
  65. the track, the ball is able to reach it.  So to you, the ball is moving
  66. even faster than I (and the train).  Obviously, it seems as if the speed
  67. of the ball with respect to you is just the speed of the ball with
  68. respect to me plus the speed of me with respect to you.   So, the speed
  69. of the ball with respect to you = 10 mph + 30 mph = 40 mph.  This was
  70. the first, simple idea for transforming velocities from one frame of
  71. reference to another. In other words, this was part of the first concept
  72. of relativity.
  73.  
  74. >Now I introduce you to an important postulate that leads to the
  75. concept of relativity that we have today.  I believe it will seem quite
  76. reasonable.  I state it as it appears in a physics book by Serway: "the
  77. laws of physics are the same in every inertial frame of reference."
  78. What it means is that if you observer any physical laws for a given
  79. situation in your frame of reference, then an observer in a reference
  80. frame moving with a constant velocity with respect to you should also
  81. agree that those physical laws apply to that situation.
  82.  
  83. >As an example, consider the conservation of momentum.  Say that
  84. there are two balls coming straight at one another.  They collide and go
  85. off in opposite directions.  Conservation of momentum says that if you
  86. add up the total momentum (mass times velocity) before the collision and
  87. after the collision, that the two should be identical.  Now, let this
  88. experiment be preformed on a train where the balls are moving along the
  89. line of the train's motion.  An outside observer would say that the
  90. initial and final velocities of the balls are one thing, while an
  91. observer on the train would say they were something different.  However,
  92. BOTH observers must agree that the total momentum is the same before and
  93. after the collision.  We should be able to apply this to any physical
  94. law.  If not, (i.e.  if physical laws were different for different
  95. frames of reference) then we could change the laws of physics just by
  96. traveling in a particular reference frame.
  97.  
  98. >A very interesting result occurs when you apply this postulate
  99. to the laws of electrodynamics.  What one finds is that in order for the
  100. laws of electrodynamics to be the same in all inertial reference frames,
  101. it must be true that the speed of electromagnetic waves (such as light)
  102. is the same for all inertial observers.  Simply stating that may not
  103. make you think that there is anything that interesting about it, but it
  104. has amazing consequences.  Consider letting a beam of light take the
  105. place of the ball in the first example given in this introduction.  If
  106. the train is moving at half the velocity of light, wouldn't you expect
  107. the light beam (which is traveling at the speed of light with respect to
  108. the train) to look as if it is traveling one and a half that speed with
  109. respect to an outside observer?  Well this is not the case.  The old
  110. ideas of relativity in Newton's day do not apply here.  What accounts
  111. for this peculiarity is time dilation and length contraction.
  112.  
  113. >Here I give an example of how time dilation can help explain a
  114. peculiarity that arises from the above concept.  Again we consider a
  115. train, but let's give it a speed of 0.6 c (where c = the speed of light
  116. which is 3E8 m/s).  An occupant of this train shines a beam of light so
  117. that (to him) the beam goes straight up, hits a mirror at the top of the
  118. train, and bounces back to the floor of the train where it is detected.
  119. Now, in my point of view (outside of the train), that beam of light does
  120. not travel straight up and straight down, but makes an up-side-down "V"
  121. shape since the train is also moving.  Here is a diagram of what I see:
  122.  
  123.  
  124.                          /|\
  125.                         / | \
  126.                        /  |  \
  127.  light beam going up->/   |   \<-light beam on return trip
  128.                      /    |    \
  129.                     /     |     \
  130.                    /      |      \
  131.                   /       |       \
  132.                  ---------|---------->trains motion (v = 0.6 c)
  133.  
  134. >Lets say that the trip up takes 10 seconds in my point of view.  The
  135. distance the train travels during that time is:
  136.         (0.6 * 3E8 m/s) * 10 s = 18E8 m.
  137. The distance that the beam travels on the way up (the slanted line to
  138. the left) must be
  139.         3E8 m/s * 10s = 30E8 m.
  140. Since the left side of the above figure is a right triangle, and we know
  141. the length of two of the sides, we can now solve for the height of the
  142. train:
  143.         Height = [(30E8 m)^2 - (18E8 m)^2]^0.5  =  24E8 m
  144. (It is a tall train, but this IS just a thought experiment).  Now we
  145. consider the frame of reference of the traveler.  The light MUST travel
  146. at 3E8 m/s for him also, and the height of the train doesn't change
  147. because only lengths in the direction of motion are contracted.
  148. Therefore, in his frame the light will reach the top of the train in
  149. 24E8 m /3E8 (m/s) = 8 seconds, and there you have it.  To me the event
  150. takes 10 seconds, while according to him it must take only 8 seconds.  We
  151. each measure time in different ways.
  152.  
  153. >To intensify this oddity, consider the fact that all inertial
  154. frames are equivalent.  That is, from the traveler's point of view he is
  155. the one who is sitting still, while I zip past him at 0.6 c.  So he will
  156. think that it is MY clock that is running slowly.  This lends itself
  157. over to what seem to be paradoxes which I will not get into here.  If
  158. you have any questions on such things (such as the "twin paradox" --
  159. which can be understood with special relativity, by the way)  feel free
  160. to ask me about them, and I will do the best I can to answer you.
  161.  
  162. >As I mentioned above, length contraction is another consequence
  163. of relativity.  Consider the same two travelers in our previous example,
  164. and let each of them hold a meter stick horizontally (so that the length
  165. of the stick is oriented in the direction of motion of the train).  To
  166. the outside observer, the meter stick of the traveler on the train will
  167. look as if it is shorter than a meter.  Similarly, the observer on the
  168. train will think that the meter stick of the outside observer is the one
  169. that is contracted.  The closer one gets to the speed of light with
  170. respect to an observer, the shorter the stick will look to that
  171. observer. The factor which determines the amount of length contraction
  172. and time dilation is called gamma.
  173.  
  174. >Gamma is defined as (1 - v^2/c^2)^(-1/2).  For our train (for
  175. which v = 0.6 c), gamma is 1.25.  Lengths will be contracted and time
  176. dilated (as seen by the outside observer) by a factor of 1/gamma = 0.8,
  177. which is what we demonstrated with the difference in measured time (8
  178. seconds compared to 10 seconds). Gamma is obviously an important number
  179. in relativity, and it will appear as we discuss other consequences of
  180. the theory.
  181.  
  182. >Another consequence of relativity is a relationship between
  183. mass, energy, and momentum.  By considering conservation of momentum and
  184. energy as viewed from two frames of reference, one can find that the
  185. following relationship must be true for an unbound particle:
  186.         E^2  =  p^2 * c^2  +  m^2 * c^4
  187. Where E is energy, m is mass, and p is relativistic momentum which is
  188. defined as
  189.         p  =  gamma * m * v     (gamma is defined above)
  190. By manipulating the above equations, one can find another way to express
  191. the total energy as
  192.         E  =  gamma * m * c^2
  193. Even when an object is at rest (gamma = 1) it still has an energy of
  194.         E  =  m * c^2
  195. Many of you have seen something like this stated in context with the
  196. theory of relativity
  197.  
  198.  
  199. * E^2  =  p^2 * c^2  +  m^2 * c^4
  200.  
  201. is the "mass shell" equation for slower-than-light (i.e., subluminal) real
  202. particles that can be directly detected. It is a pole in the complex energy
  203. plane for the particle propagator in relativistic quantum field theory.
  204.  
  205. Virtual particles are "off mass shell" and do not obey this equation in
  206. conventional theory. Virtual particles are that part of the propagator not
  207. due to the energy pole. The propagator is not only determined by the
  208. position of the poles. It is also determined by the path or contour over
  209. which the integral representing the propagator is computed. This is a
  210. boundary condition and this is where causality makes its mark. The
  211. principle of retarded causality (i.e. causes always before effects) is
  212. defined by a certain path in the complex energy plane. It is, however, not
  213. the path that Feynman uses in conventional quantum electrodynamics. Feynman
  214. finds that in order to renormalize properly, to get finite answers, one
  215. must use a contour that includes both retarded causality (i.e., past
  216. cause/future effect) and "teleological" advanced causality (i.e., future
  217. cause/past effect).
  218.  
  219. Faster-than-light (i.e. superluminal) particles (i.e. tachyons) moving in
  220. real time (Lorentzian signature +++-) obey a different mass shell equation
  221.  
  222. E^2  =  p^2 * c^2  -  m^2 * c^4
  223.  
  224. Propagation require E and p real means that p > mc. The De-Broglie
  225. probability waves of length h/p are shorter than the Compton wavelength
  226. h/mc. The tachyon wave fronts move at v(wave) slower than light but the
  227. mass-energy transport wave packet velocity v(particle) is faster than
  228. light. This is just the opposite of an ordinary particle in which the wave
  229. front moves faster than light but the mass-energy transport group speed is
  230. slower than light. For both kinds of particles
  231.  
  232. v(wave) v(particle) = c^2
  233.  
  234. For an ordinary subluminal particle, increasing the energy E makes
  235. v(particle) increase. In contrast, for a superluminal particle, increasing
  236. E makes v(particle) decrease - like a smoke vortex ring or a "roton"
  237. excitation in superfluid helium. Indeed, faster than light particles are
  238. more string-like than point-like.
  239.  
  240. The gamma factor for the faster than light particle is
  241.  
  242. (v^2/c^2 - 1)^(-1/2)  with v = v(particle) so v/c > 1.
  243.  
  244. Superluminal particles grossly violate "causality" on the macroscopic scale
  245. in Hinson's sense by which I mean "retarded causality". The question is do
  246. they violate it in a consistent way or an inconsistent way? I suspect the
  247. former is the case. If the latter is the case, then they cannot exist.
  248.  
  249. The string-like subnucleonic structure may mean that quarks are self-
  250. trapped superluminal (or maybe transluminal) particles. This would
  251. automatically explain the origin of the strong color force because color
  252. was introduced to have the correct spin-statistics connection and
  253. superluminal particles have the wrong spin-statistics connection (e.g. a
  254. superluminal particle of spin 1/2 is a boson not a fermion.
  255.  
  256. Superluminal electrons or quarks in the free state would quickly radiate
  257. photons in a Cerenkov cone speeding up to infinite speed at zero total
  258. energy E but finite momentum p. This would explain why free quarks are not
  259. seen. Condensed superluminal matter, if it could exist, would not obey the
  260. Pauli exclusion principle and would not have the diverse and stable
  261. organization of ordinary subluminal matter. Bound superluminal particles
  262. constrained by a "bag" or by a force that increased with separation might
  263. look like ordinary matter to an outside observer).
  264.  
  265. The ordinary subluminal Lorentz frame transformations describe both
  266. subluminal and superluminal particle motions equally well and consistently.
  267. Subluminal particles have a rest frame, superluminal particles do not. The
  268. rest frame for a subluminal particle is defined by the particle's gamma =
  269. E/mc^2 = 1 which means v(particle) = 0, E = mc^2, and p = 0.  Similarly,
  270. the faster than light particle obeys the same equation for gamma. Now if
  271. gamma = 1, v = sqrt2c. If v > sqrt2c , gamma is less than 1. In this region
  272. we have string-like length expansion in the direction of motion and time
  273. contraction. If, on the other hand,c < v < sqrt2c gamma is bigger than 1
  274. like ordinary slower than light particles with length contraction and time
  275. dilation.
  276.  
  277. The mass shell equation for transluminal particles moving in imaginary time
  278. of quantum-gravity's Euclidean signature (++++) is
  279.  
  280.  E^2  =  -p^2 * c^2  +  m^2 * c^4
  281.  
  282. E and p real require p < mc which is the long wave limit which would be
  283. most relevant to observational test. A transluminal particle moving locally
  284. according to a Euclidean rather than Lorentzian metric signature would look
  285. to our real time detectors like a new kind of particle with peculiar "dark
  286. matter" kinematics and dynamics.
  287.  
  288. with gamma = (1 + v^2/c^2)^(-1/2) < 1 for all v.
  289.  
  290. Both the subluminal and superluminal particles in real time obey the
  291. Einstein speed of light barrier. They are on opposite sides of the barrier.
  292. Not so for transluminal particles which do not feel the barrier at all
  293. since they are in a topologically distinct parallel universe connected to
  294. ours by photons if we make the ansatz that a charged accelerating
  295. transluminal particle emits photons in real time. But this may not be
  296. correct. The question is neutral transluminal matter gravitate? How will
  297. curvature in the Euclidean metric influence curvature in the Lorentz metric
  298. to which it is connected by a Wick rotation. Will this explain the large
  299. scale structure of the universe with its walls and voids?
  300.  
  301. Has Star Trek Command succeeded in converting among the subluminal,
  302. superluminal and transluminal phases of matter at will? Note that a Star
  303. Ship built of ordinary subluminal matter with subluminal life forms could
  304. use a subluminal <---> transluminal matter converter to do two things.
  305. First, transluminal matter ejected in a rocket exhaust at superluminal
  306. speeds would be ultr-energy efficient enabling very heavy super-carrier
  307. size craft to get close to the Einstein light barrier with small amounts of
  308. fuel. Second, The transluminal matter is the exotic matter needed to
  309. support stable traversable wormholes amplified out of the quantum foam for
  310. warp drive.*
  311.  
  312. to be continued.
  313.  
  314.