home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1993 #3 / NN_1993_3.iso / spool / sci / physics / 23417 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1993-01-25  |  45.2 KB

  1. Path: sparky!uunet!gatech!purdue!mentor.cc.purdue.edu!noose.ecn.purdue.edu!dirac!bohr.physics.purdue.edu!hinson
  2. From: hinson@bohr.physics.purdue.edu (Jason W. Hinson)
  3. Newsgroups: sci.physics
  4. Subject: Re: Warping???
  5. Message-ID: <9164@dirac.physics.purdue.edu>
  6. Date: 25 Jan 93 07:44:19 GMT
  7. References: <1993Jan19.101548.1@kean.ucs.mun.ca> <1993Jan19.115212.19541@husc15.harvard.edu> <mcirvin.727495040@husc.harvard.edu>
  8. Sender: news@dirac.physics.purdue.edu
  9. Organization: Purdue University Physics Department
  10. Lines: 792
  11.  
  12.  
  13.  
  14. The following post was originally written for curious people in the 
  15. rec.arts.startrek.tech newsgroup, but since people are asking about
  16. this sort of thing here, I thought I'd post it here.  This is a first
  17. ready-to-post draft, and I plan to make corrections/changes for later
  18. postings.  Anyway, it's pretty basic stuff.  I invite you to make 
  19. comments that would help clear up any points in the article.
  20.  
  21. Oh, and since this is a group that would know more about this sort of
  22. thing, If anyone knows of another way to science-fictionally allow for
  23. FTL travel without violating causality, please let me know.
  24.  
  25.  
  26. What is it about, and who should read it:
  27.     This is a detailed explanation about how relativity and that 
  28. wonderful science fictional invention of faster than light travel do not 
  29. seem to get along with each other.  It begins with a simple introduction 
  30. to the ideas of relativity.  This section includes some important 
  31. information on space-time diagrams, so if you are not familiar with 
  32. them, I suggest you read it.  Then I get into the problems that 
  33. relativity poses for faster than light travel.  If you think that there 
  34. are many science fictional ways that we can get around these problems, 
  35. then you probably do not understand the second problem which I discuss 
  36. in the third section, and I strongly recommend that you read it to 
  37. educate yourself.  Finally, I introduce my idea (the only one I know of) 
  38. that, if nothing else, gets around this second problem in an interesting 
  39. way. 
  40.     The best way to read the article may be to make a hard copy.  I 
  41. refer back a few times to a Diagram in the first section, and to have it 
  42. readily available would be nice.
  43.     I hope you can learn a little something from reading this, or at 
  44. least strengthen your understanding of that which you already know.  
  45. Your comments and criticisms are welcome, especially if they indicate 
  46. improvements that can be made for future posts.
  47.     And now, without further delay, here it is.
  48.  
  49.  
  50.                         Relativity and FTL Travel
  51.  
  52. Outline:
  53.  
  54. I.    An Introduction to Special Relativity
  55.     A.    Reasoning for its existence
  56.     B.    Time dilation effects
  57.     C.    Other effects on observers
  58.     E.    Space-Time Diagrams
  59.     D.    Experimental support for the theory
  60. II.    The First Problem:  The Light Speed Barrier
  61.     A.    Effects as one approaches the speed of light
  62.     B.    Conceptual ideas around this problem
  63. III.    The Second Problem:  FTL Implies The Violation of Causality
  64.     A.    What is meant here by causality, and its importance
  65.     B.    Why FTL travel of any kind implies violation of causality
  66.     C.    A scenario as "proof"
  67. IV.    A Way Around the Second Problem
  68.     A.    Warped space as a special frame of reference
  69.     B.    How this solves the causality problem
  70.     C.    The relativity problem this produces
  71.     D.    One way around that relativity problem
  72. V.    Conclusion.
  73.  
  74.  
  75.  
  76.  
  77.  
  78.  
  79.  
  80. I.    An Introduction to Special Relativity
  81.  
  82.     The main goal of this introduction is to make relativity and its 
  83. consequences feasible to those who have not seen them before.  It should 
  84. also reinforce such ideas for those who are already somewhat familiar 
  85. with them.  This introduction will not completely follow the traditional 
  86. way in which relativity came about.  It will begin with a pre-Einstein 
  87. view of relativity.  It will then give some reasoning for why Einstein's 
  88. view is plausible.  This will lead to a discussion of some of the 
  89. consequences this theory has, odd as they may seem.  For future 
  90. reference, it will also introduce the reader to the basics of space-time 
  91. diagrams.  Finally, I want to mention some experimental evidence that 
  92. supports the theory.
  93.  
  94.     The idea of relativity was around in Newton's day, but it was 
  95. incomplete.  It involved transforming from one frame of reference to 
  96. another frame which is moving with respect to the first.  The 
  97. transformation was not completely correct, but it seemed so in the realm 
  98. of small speeds.  I give here an example of this to make it clear.  
  99.     Consider two observers, you and me, for example.  Lets say I am 
  100. on a train which passes you at 30 miles per hour.  I through a ball in 
  101. the direction the train is moving, and the ball moves at 10 mph in MY 
  102. point of view.  Now consider a mark on the train tracks.  You see the 
  103. ball initially moving along at the same speed I am moving (the speed of 
  104. the train).  Then I through the ball, and before I can reach the mark on 
  105. the track, the ball is able to reach it.  So to you, the ball is moving 
  106. even faster than I (and the train).  Obviously, it seems as if the speed 
  107. of the ball with respect to you is just the speed of the ball with 
  108. respect to me plus the speed of me with respect to you.   So, the speed 
  109. of the ball with respect to you = 10 mph + 30 mph = 40 mph.  This was 
  110. the first, simple idea for transforming velocities from one frame of 
  111. reference to another. In other words, this was part of the first concept 
  112. of relativity.
  113.  
  114.     Now I introduce you to an important postulate that leads to the 
  115. concept of relativity that we have today.  I believe it will seem quite 
  116. reasonable.  I state it as it appears in a physics book by Serway: "the 
  117. laws of physics are the same in every inertial frame of reference."  
  118. What it means is that if you observer any physical laws for a given 
  119. situation in your frame of reference, then an observer in a reference 
  120. frame moving with a constant velocity with respect to you should also 
  121. agree that those physical laws apply to that situation.  
  122.     As an example, consider the conservation of momentum.  Say that 
  123. there are two balls coming straight at one another.  They collide and go 
  124. off in opposite directions.  Conservation of momentum says that if you 
  125. add up the total momentum (mass times velocity) before the collision and 
  126. after the collision, that the two should be identical.  Now, let this 
  127. experiment be preformed on a train where the balls are moving along the 
  128. line of the train's motion.  An outside observer would say that the 
  129. initial and final velocities of the balls are one thing, while an 
  130. observer on the train would say they were something different.  However, 
  131. BOTH observers must agree that the total momentum is the same before and 
  132. after the collision.  We should be able to apply this to any physical 
  133. law.  If not, (i.e.  if physical laws were different for different 
  134. frames of reference) then we could change the laws of physics just by 
  135. traveling in a particular reference frame.
  136.     A very interesting result occurs when you apply this postulate 
  137. to the laws of electrodynamics.  What one finds is that in order for the 
  138. laws of electrodynamics to be the same in all inertial reference frames, 
  139. it must be true that the speed of electromagnetic waves (such as light) 
  140. is the same for all inertial observers.  Simply stating that may not 
  141. make you think that there is anything that interesting about it, but it 
  142. has amazing consequences.  Consider letting a beam of light take the 
  143. place of the ball in the first example given in this introduction.  If 
  144. the train is moving at half the velocity of light, wouldn't you expect 
  145. the light beam (which is traveling at the speed of light with respect to 
  146. the train) to look as if it is traveling one and a half that speed with 
  147. respect to an outside observer?  Well this is not the case.  The old 
  148. ideas of relativity in Newton's day do not apply here.  What accounts 
  149. for this peculiarity is time dilation and length contraction.
  150.     Here I give an example of how time dilation can help explain a 
  151. peculiarity that arises from the above concept.  Again we consider a 
  152. train, but let's give it a speed of 0.6 c (where c = the speed of light 
  153. which is 3E8 m/s).  An occupant of this train shines a beam of light so 
  154. that (to him) the beam goes straight up, hits a mirror at the top of the 
  155. train, and bounces back to the floor of the train where it is detected. 
  156. Now, in my point of view (outside of the train), that beam of light does 
  157. not travel straight up and straight down, but makes an up-side-down "V" 
  158. shape since the train is also moving.  Here is a diagram of what I see:
  159.  
  160.  
  161.                          /|\
  162.                         / | \
  163.                        /  |  \
  164.  light beam going up->/   |   \<-light beam on return trip
  165.                      /    |    \
  166.                     /     |     \
  167.                    /      |      \
  168.                   /       |       \
  169.                  ---------|---------->trains motion (v = 0.6 c)
  170.  
  171. Lets say that the trip up takes 10 seconds in my point of view.  The 
  172. distance the train travels during that time is:
  173.     (0.6 * 3E8 m/s) * 10 s = 18E8 m.  
  174. The distance that the beam travels on the way up (the slanted line to 
  175. the left) must be 
  176.     3E8 m/s * 10s = 30E8 m.  
  177. Since the left side of the above figure is a right triangle, and we know 
  178. the length of two of the sides, we can now solve for the height of the 
  179. train: 
  180.     Height = [(30E8 m)^2 - (18E8 m)^2]^0.5  =  24E8 m  
  181. (It is a tall train, but this IS just a thought experiment).  Now we 
  182. consider the frame of reference of the traveler.  The light MUST travel 
  183. at 3E8 m/s for him also, and the height of the train doesn't change 
  184. because only lengths in the direction of motion are contracted.  
  185. Therefore, in his frame the light will reach the top of the train in     24E8 m / 3E8 (m/s) = 8 seconds, 
  186. and there you have it.  To me the event takes 10 seconds, while 
  187. according to him it must take only 8 seconds.  We each measure time in 
  188. different ways.
  189.     To intensify this oddity, consider the fact that all inertial 
  190. frames are equivalent.  That is, from the traveler's point of view he is 
  191. the one who is sitting still, while I zip past him at 0.6 c.  So he will 
  192. think that it is MY clock that is running slowly.  This lends itself 
  193. over to what seem to be paradoxes which I will not get into here.  If 
  194. you have any questions on such things (such as theJ"twin paradox" --
  195. which can be understood with special relativity, by the way)  feel free 
  196. to ask me about them, and I will do the best I can to answer you.
  197.     As I mentioned above, length contraction is another consequence 
  198. of relativity.  Consider the same two travelers in our previous example, 
  199. and let each of them hold a meter stick horizontally (so that the length 
  200. of the stick is oriented in the direction of motion of the train).  To 
  201. the outside observer, the meter stick of the traveler on the train will 
  202. look as if it is shorter than a meter.  Similarly, the observer on the 
  203. train will think that the meter stick of the outside observer is the one 
  204. that is contracted.  The closer one gets to the speed of light with 
  205. respect to an observer, the shorter the stick will look to that 
  206. observer. The factor which determines the amount of length contraction 
  207. and time dilation is called gamma.
  208.     Gamma is defined as (1 - v^2/c^2)^(-1/2).  For our train (for 
  209. which v = 0.6 c), gamma is 1.25.  Lengths will be contracted and time 
  210. dilated (as seen by the outside observer) by a factor of 1/gamma = 0.8, 
  211. which is what we demonstrated with the difference in measured time (8 
  212. seconds compared to 10 seconds). Gamma is obviously an important number 
  213. in relativity, and it will appear as we discuss other consequences of 
  214. the theory.
  215.     Another consequence of relativity is a relationship between 
  216. mass, energy, and momentum.  By considering conservation of momentum and 
  217. energy as viewed from two frames of reference, one can find that the 
  218. following relationship must be true for an unbound particle:
  219.     E^2  =  p^2 * c^2  +  m^2 * c^4
  220. Where E is energy, m is mass, and p is relativistic momentum which is 
  221. defined as
  222.     p  =  gamma * m * v     (gamma is defined above)
  223. By manipulating the above equations, one can find another way to express 
  224. the total energy as
  225.     E  =  gamma * m * c^2
  226. Even when an object is at rest (gamma = 1) it still has an energy of 
  227.     E  =  m * c^2
  228. Many of you have seen something like this stated in context with the 
  229. theory of relativity.  
  230.     It is important to note that the mass in the above equations has 
  231. a special definition which we will now discuss. As a traveler approaches 
  232. the speed of light with respect to an observer, the observer sees the 
  233. mass of the traveler increase.  (By mass, we mean the property that 
  234. indicates (1) how much force is needed to create a certain acceleration 
  235. and (2) how much gravitational pull you will feel from that object).  
  236. However, the mass in the above equations is defined as the mass measured 
  237. in the rest frame of the object.  That mass is always the same.  The 
  238. mass seen by the observer (which I will call the observed mass) is given 
  239. by gamma * m.  Thus, we could also write the total energy as
  240.     E = (observed mass) * c^2
  241. That observed mass approaches infinity as the object approaches the 
  242. speed of light with respect to the observer.
  243.  
  244.     So far we talked about the major consequences of special 
  245. relativity, but now I want to concentrate more specifically on how 
  246. relativity causes a transformation of space and time.  Relativity causes 
  247. a little more than can be understood by simple length contraction and 
  248. time dilation.  It actually results in two different observers having 
  249. two different space-time coordinate systems.  The coordinates transform 
  250. from one frame to the other through what are known as Lorentz 
  251. Transformation.  Without getting deep into the math, much can be 
  252. understood about such transforms by considering space-time diagrams.
  253.     A space-time diagram consists of a coordinate system with one 
  254. axis to represent space and another to represent time.  Where these two 
  255. principle axes meet is the origin (see Diagram 1 below), and for the 
  256. most part, we consider ourselves to be at that point.  Anything above 
  257. the principle space axis is in our future, while anything below that 
  258. axis is in our past.  Any event can be described as a point in this axis 
  259. system.  For example, consider an event that took place 3 seconds ago 
  260. and was 2 light seconds (the distance light travels in 2 seconds) away 
  261. from you to the left (x = -2 light seconds).  This event is marked in 
  262. Diagram 1 as a "*".  
  263.     Now consider a traveler going away from the origin to the right.  
  264. As time progresses forward, the traveler gets further and further from 
  265. the time axis.  The faster he goes, the more slanted the line he makes 
  266. will be as he is able to get far down the x axis in a short amount of 
  267. time.  One important traveler to consider here is light.  If we define 
  268. the x axis in light seconds and the time axis in seconds, then light 
  269. will speed away from the origin creating a line at a 45 degree angle to 
  270. the two axes. On diagram 2, I have drawn two lines which represent a 
  271. pulse of light going away from the origin in the plus and minus x 
  272. directions.  The two pulses are extended back into the past, as if they 
  273. started from far off, came to the origin, and sped away in the future. 
  274. This figure is known as a light cone.
  275.     A light cone divides a space-time diagram into two major 
  276. sections: the area inside the cone and the area outside the cone.  If it 
  277. is impossible for anything to travel faster than light, then the only 
  278. events in the past that you can know about at this moment are those that 
  279. are inside the light cone.  Also, the only events that you can influence 
  280. in the future are, again, those inside the light cone.
  281.     Let us now consider (again) an arbitrary traveler who is going 
  282. slower than the speed of light.  As a consequence of the Lorentz 
  283. transforms that I have mentioned, the line he makes on the space-time 
  284. diagram becomes his new time line (t').  Because of relativity, his 
  285. space axis will also be transformed.  As can be seen in Diagram 3, his 
  286. time axis has been rotated by some angle clockwise, while his space axis 
  287. (x') has been rotated by the same angle counterclockwise.  The faster 
  288. the speed, the greater this angle, and as you approach the speed of 
  289. light, the two axis come closer and closer to being the same line (a 
  290. line on the light cone which is at 45 degrees).  This gives him a skewed 
  291. set of space-time coordinates that I have tried my best to show on 
  292. Diagram 4 (squint your eyes, and you can see the skewed squares of the 
  293. new coordinate system).  It is important to note that in this 
  294. transformation, the position of the light cone does not change.  If you 
  295. move one unit down the space axis, and one unit up the time axis, that 
  296. point will still lie somewhere on the light cone.  This shows that the 
  297. speed of light has not changed for the moving observer (it still travels 
  298. one light second per second).
  299.     Now let us compare the different ways that each observer views 
  300. space and time.  Look at the event marked "*" on Diagram 3.  For the 
  301. observer in the x',t' system, the event is in his future (above his 
  302. principle x' axis).  For the observer in the x,t system, the event is in 
  303. his past.  So how does this make since?  Recall two things: (1) you can 
  304. only know about and influence events that are inside the light cone, and 
  305. (2) the light cone does not change for the moving observer.  So even if 
  306. an event is in one observers past and in another observers future, it 
  307. will be outside the light cone, and neither observer will be able to 
  308. know about it or influence it.  It is the fact that nothing travels 
  309. faster than light that causes this to be true. 
  310.    
  311.  
  312.  Diagram 1                           Diagram 2
  313.               t                                    t
  314.               |                                    |       light
  315.            future                        \       inside      /
  316.               |                            \      cone     /
  317.               |                              \     |     /
  318.               |                       outside  \   |   /    outside
  319.               |                        cone      \ | /       cone
  320.  -------------+------------- x        -------------+------------- x
  321.               |                                  / | \
  322.               |                                /   |   \
  323.       event * |                              /     |     \
  324.               |                            /     inside    \
  325.              past                        /        cone       \
  326.               |
  327.  
  328.  
  329.  
  330.  Diagram 3                           
  331.               t     t'                   
  332.               |    /                   
  333.               |   /                  
  334.               |  /
  335.               | /        ___---> x'             
  336.               |/___---'''                       
  337.  -------------+------------- x        
  338.   * ___ ---'''|                       
  339.  '''        / |   note: * = event                        
  340.            /  |                              
  341.           /   |                         
  342.          /    |                       
  343.               
  344.  
  345.  
  346.  
  347.  
  348. Diagram 4                  principle t' axis
  349.                           /
  350.    +---------------------/-----------+
  351.    |__---/""  /    /    /    /  __/--|
  352.    |    /    /    /    /__--/""" /   |
  353.    |   /    /___-/-"""/    /    /    |
  354.    |__/---"/"   /    /    /    /__--/|
  355.    | /    /    /    / ___/--""/    / |
  356.    |/    /   _/_---/""  /    /    /  |  ___--->principle x' axis
  357.    |___-/-"""/    /    /    /  __/---"""
  358.    |   /    /    /    /__--/""" /    | 
  359.    |  /    / ___O--""/    /    /    /|
  360.    |_/_---/""  /    /    /    /___-/-|    O = Origin
  361.    |/    /    /    /  __/---"/"   /  |
  362.    |    /    /__--/""" /    /    /   |
  363.    |___/--""/    /    /    /   _/_---|
  364.    |  /    /    /    /___-/-"""/     |
  365.    +---------------------------------+
  366.  
  367.  
  368.     These amazing consequences of relativity do have experimental 
  369. foundations.  One of these involves the creation of muons by cosmic rays 
  370. in the upper atmosphere.  In the rest frame of a muon, its life time is 
  371. only about 2.2E-6 seconds.  Even if the muon could traveling at the 
  372. speed of light, it could still only go about 660 meters during its life 
  373. time.  Because of that, they should not be able to reach the surface of 
  374. the Earth.  However, it has been observed that large numbers of them do 
  375. reach the Earth.  From our point of view, time in the muons frame of 
  376. reference is running slow, since the muons are traveling very fast with 
  377. respect to us.  So the 2.2E-6 seconds are slowed down, and the muon has 
  378. enough time to reach the earth.
  379.     We must also be able to explain the result from the muons frame 
  380. of reference.  So in its point of view, it does only have 2.2E-6 seconds 
  381. to live.  However, the muon would say that it is the Earth which is 
  382. speeding toward the muon.  Therefore, the distance from the top of the 
  383. atmosphere to the Earth's surface is length contracted.  Thus, from its 
  384. point of view, it lives a very small amount of time, but it doesn't have 
  385. that far to go.
  386.     Another verification is found all the time in particle physics.  
  387. The results of having a particle strike a target can only be understood 
  388. if one takes the total energy of the particle to be E = Gamma * m * c^2,  
  389. which was predicted by relativity.
  390.     These are only a few examples that give credibility to the 
  391. theory of relativity.  Its predictions have turned out to be true in 
  392. many cases, and to date, no evidence exits that would tend to undermine 
  393. the theory.
  394.  
  395.     Well, that was a fairly lengthy look at relativity, but how does 
  396. it all apply to faster than light travel?  This is what we will look at 
  397. next.
  398.  
  399.  
  400.  
  401.  
  402. II.    The First Problem:  The Light Speed Barrier
  403.  
  404.     In this section we discuss the first thing (and in some cases 
  405. the only thing) that comes to mind for most people who consider the 
  406. problem of faster than light travel.  I call it the light speed barrier. 
  407. As we will see by considering ideas from the previous section, light 
  408. speed seems to be a giant, unreachable wall standing in our way.  I also 
  409. introduce a couple of fictional ways to get around this barrier; 
  410. however, part of my reason for introducing these solutions is to show 
  411. that they do not solve the problem discussed in the next section.
  412.  
  413.     Consider two observers, A and B.  Let A be here on Earth and be 
  414. considered at rest for now.  B will be speeding past the A at highly 
  415. relativistic speeds.  If B's speed is 80% that of light with respect to 
  416. A, then gamma for him (as defined in the previous section) is 
  417. 1.6666666... = 1/0.6
  418. So from A's point of view B's clock is running slow and B's lengths in 
  419. the direction of motion are shorter by a factor of 0.6.  If B were 
  420. traveling at 0.9 c, then this factor becomes about 0.436; and at 0.99 c, 
  421. it is about 0.14.  As the speed gets closer and closer to the speed of 
  422. light, A will see B's clock slow down infinitesimally slow, and A will 
  423. see B's lengths in the direction of motion becoming infinitesimally 
  424. small.
  425.     In addition, If B's speed is 0.8 c with respect to A, then A 
  426. will see B's observed mass as being larger by a factor of gamma (which 
  427. is 1.666...).  At 0.9 c and 0.99 c this factor is about 2.3 and 7.1 
  428. respectively.  As the speed gets closer and closer to me speed of light, 
  429. A will see B's observed mass (and thus his energy) get infinitely large.
  430.     Obviously, from A's point of view, B will not be able to reach
  431. the speed of light without stopping his own time, shrinking to 
  432. nothingness in the direction of motion, and taking on an infinite amount 
  433. of energy.
  434.  
  435.     Now lets look at the situation from B's point of view, so we 
  436. will consider him be at rest.  First, notice that the sun, the other 
  437. planets, the nearby stars, etc. are not moving very relativistically 
  438. with respect to the Earth; so we will consider all of these to be in the 
  439. same frame of reference.  Let B be traveling past the earth and toward 
  440. some near by star.  In his point of view, the earth, the sun, the other 
  441. star, etc. are the ones traveling at highly relativistic velocities with 
  442. respect to him.  So to him the clock on Earth are running slow, the 
  443. energy of all those objects becomes greater, and the distances between 
  444. the objects in the direction of motion become smaller.
  445.     Lets consider the distance between the Earth and the star to 
  446. which B is traveling.  From B's point of view, as the speed gets closer 
  447. and closer to that of light, this distance becomes infinitesimally 
  448. small.  So from his point of view, he can get to the star in practically 
  449. no time.  (This explains how A seems to think that B's clock is 
  450. practically stopped during the whole trip when the velocity is almost 
  451. c.)  If B thinks that at the speed of light that distance shrinks to 
  452. zero and that he is able to get there instantaneously, then from his 
  453. point of view, c is the fastest possible speed.
  454.  
  455.     So from either point of view, it seems that the speed of light 
  456. cannot be reached, much less exceeded.  However, through some inventive 
  457. imagination, it is possible to come up with fictional ways around this 
  458. problem.  Some of these solutions involve getting from point A to point 
  459. B without traveling through the intermittent space.  For example, 
  460. consider a forth dimension that we can use to bend two points in our 
  461. universe closer together (sort of like connecting two points of a "two 
  462. dimensional" piece of paper by bending it through a third dimension and 
  463. touching the two points directly).  Then a ship could travel between two 
  464. points without moving through the space in between, thus bypassing the 
  465. light speed barrier.
  466.     Another idea involves bending the space between the points to 
  467. make the distance between them smaller.  In a way, this is what highly 
  468. relativistic traveling looks like from the point of view of the 
  469. traveler; however, we don't want the associated time transformation.  So 
  470. by fictionally bending the space to cause the space distortion without 
  471. the time distortion, one can imagine getting away from the problem.
  472.  
  473.     Again I remind you that these solutions only take care of the 
  474. "light speed barrier" problem.  They do not solve the problem discussed 
  475. in the next section, as we shall soon see.
  476.  
  477.  
  478.  
  479. III.    The Second Problem:  FTL Implies The Violation of Causality
  480.  
  481.     In this section we explore the violation of causality involved 
  482. with faster than light travel.  First I will explain what we mean here 
  483. by causality and why it is important that we do not simply throw it 
  484. aside without a second thought.  I will then try to explain why 
  485. traveling faster than light by any means (except the one introduced in 
  486. the next section) will produce a violation of causality.  Finally, 
  487. attempting to remove any doubt, we will preform a thought experiment to 
  488. show that FTL travel does imply the violation of causality.
  489.  
  490.     When I speak of causality, I have the following particular idea 
  491. in mind.  Consider an event A which has an effect on another event B.  
  492. Causality would require that event B cannot in turn have an effect on 
  493. event A.  For example, let's say that event A is a murderer making a 
  494. decision to shoot and kill his victim.  Let's then say that event B is 
  495. the victim being shot and killed by the murderer.  Causality says that 
  496. the death of the victim cannot then have any effect on the murderer's 
  497. decision.  If the murderer could see his dead victim, go back in time, 
  498. and then decide not to kill him after all, then causality would be 
  499. violated.  In time travel "theories," such problems are reasoned with 
  500. the use of multiple time lines and the likes; however, since we do not 
  501. want every excursion to a nearby star to create a new time line, we 
  502. would hope that FTL travel could be done without such causality 
  503. violations.  As I shall now show, this is not a simple problem to get 
  504. around.
  505.  
  506.     I refer you back to the diagrams in the first section so that I 
  507. can demonstrate the causality problem involved with FTL travel.  In 
  508. Diagram 3, two observers are passing by one another.  At the moment 
  509. represented by the principle axes shown, the two observers are right 
  510. next to one another an the origin.  The x' and t' axes are said to 
  511. represent the K-prime frame of reference (I will call this Kp for 
  512. short). The x and t axes are then the K frame of reference.  We define 
  513. the K system to be our rest system, while the Kp observer passes by K at 
  514. a relativistic speed.  As you can see, the two observers measure space 
  515. and time in different ways.  For example, consider again the event 
  516. marked "*".  Cover up the x and t axis and look only at the Kp system.  
  517. In this system, the event is above the x' axis.  If the Kp observer at 
  518. the origin could look left and right and see all the way down his space 
  519. axis instantaneously, then he would have to wait a while for the event 
  520. to occur.  Now cover up the Kp system and look only at the K system.  In 
  521. this system, the event is below the x axis.  So to the observer in the K 
  522. system, the event has already occurred.
  523.     Normally, this fact gives us no trouble.  If you draw a light 
  524. cone (as discussed in the first section) through the origin, then the 
  525. event will be outside of the light cone.  As long as no signal can 
  526. travel faster than the speed of light, then it will be impossible for 
  527. either observer to know about or influence the event.  So even though it 
  528. is in one observers past, he cannot know about it, and even though it is 
  529. in the other observers future, he cannot have an effect on it. This is 
  530. how relativity saves its own self from violating causality. 
  531.     Now consider what would happen if a signal could be sent 
  532. arbitrarily fast.  From K's frame of reference, the event has already 
  533. occurred. For example, say the event occurred a year ago and 5 light 
  534. years away.  As long as a signal can be sent at 5 times the speed of 
  535. light, then obviously K can receive a signal from the event.  However, 
  536. from Kp's frame of reference, the event is in the future.  So as long as 
  537. he can send a signal sufficiently faster than light, he can get a signal 
  538. out to the place where the event will occur before it occurs.  So, in 
  539. the point of view of one observer, the event can be know about.  This 
  540. observer can then tell the other observer as they pass by each other.  
  541. Then the second observer can send a signal out that could change that 
  542. event.  This is a violation of causality.  Basically, when K receives a 
  543. signal from the event, Kp sees the signal as coming from the future.  
  544. Also, when Kp sends a signal to the event, K sees it as a signal being 
  545. sent into the past.
  546.     As a short example of this, consider the following.  Instead of 
  547. sending a message out, let's say that Kp sends out a bullet that travels 
  548. faster than the speed of light.  This bullet can go out and kill someone 
  549. light-years away in only a few hours (for example) in Kp's frame of 
  550. reference.  Now, say he fires this bullet just as he passes by K.  Then 
  551. we can call the death of the victim the event (*).  Now, in K's frame of 
  552. reference, the victim is already dead when Kp passes by.  This means 
  553. that the victim could have sent a signal just after he was shot that 
  554. would reach K before Kp passed by.  So K can know that Kp will shoot his 
  555. gun as he passes, and K can stop Kp.  But then the victim is never hit, 
  556. and he never sends a message to K.  So K doesn't know to stop Kp and Kp 
  557. does shoot the bullet.  Obviously, causality is not very happy about 
  558. this logical loop that develops.
  559.  
  560.     If this argument hasn't convinced you, then let me try one more 
  561. thought experiment to convince you of the problem.  Here, to make 
  562. calculations easy, we assume that a signal can be sent infinitely fast.
  563.  
  564.     Person A is on earth, and person B speeds away from earth at a 
  565. velocity v.  To make things easy, lets say that v is such that for an 
  566. observer on Earth, person B's clock runs slow by a factor of 2.  now, 
  567. person A waits one hour after person B has passed earth.  At that time
  568. person A sends a message to person B which says "I just found a bomb 
  569. under my chair that will take 10 minutes to defuse, but goes off in 10 
  570. seconds ... HELP"  He sends it instantaneously from his point of view... 
  571. well, from his point of view, B's clock has only moved half an hour. So 
  572. B receives the message half an hour after passing earth in his frame of 
  573. reference.
  574.     Now we must switch to B's point of view.  From his point of 
  575. view, A has been speeding away from him at a velocity v.  So, to B, it 
  576. is A's clock that has been running slow.  Therefore, when he gets the 
  577. message half an hour after passing earth, then in his frame of 
  578. reference, A's clock has only moved 1/4 an hour.  So, B sends a message 
  579. to A that says: "There's a bomb under your chair." It gets to A 
  580. instantaneously, but this time it is sent from B's frame of reference, 
  581. so instantaneously means that A gets the message only 1/4 of an hour 
  582. after B passed Earth. You see that A as received an answer to his 
  583. message before he even sent it.  Obviously, there is a causality 
  584. problem, no matter how you get the message there.
  585.     OK, what about speeds grater than c but NOT instantaneous?  
  586. Whether or not you can use the above argument to find a causality 
  587. problem will depend on how fast you have B traveling. If you have a 
  588. communication travel faster than c, then you can always find a velocity 
  589. for B (v < c) such that a causality problem will occur.  However, if you 
  590. send the communication at a speed that is less than c, then you cannot 
  591. create a causality problem for any velocity of B (as long as B's 
  592. velocity is also less that c).
  593.  
  594.     So, it seems that if you go around traveling faster than the 
  595. speed of light, causality violations are sure to follow you around.  
  596. This causes some very real problems with logic, and I for one would like 
  597. to find a way around such problems. This next section intends to do just 
  598. that.
  599.  
  600.  
  601.  
  602.  
  603. IV.    A Way Around the Second Problem
  604.  
  605.     Now we can discuss my idea for getting around the causality 
  606. problem produced by FTL travel.  I will move through the development of 
  607. the idea step by step so that it is clear to the reader.  I will then 
  608. explain how the idea I pose completely gets rid of causality violations.  
  609. Finally, I will discuss the one "bad" side effect of my solution which 
  610. involves the fundamentals of relativity, and I will mention how this 
  611. might not be so bad after all.
  612.  
  613.     Join me now on a science fictional journey of the imagination.  
  614. Picture, if you will, a particular area of space about one square light-
  615. year in size.  Filling this area of space is a special field which is 
  616. sitting relatively stationary with respect to the earth, the sun, etc.  
  617. (By stationary, I mean relativistically speaking.  That means it could 
  618. still be moving at a few hundreds of thousands of meters per second with 
  619. respect to the earth.  Even at that speed, someone could travel for a 
  620. few thousand years and their clock would only be off by a day or two 
  621. from earth's clocks.)  So, the field has a frame of reference that is 
  622. basically the same as ours on earth.  In our science fictional future, a 
  623. way is found to manipulate the very makeup (fabric, if you will) of this 
  624. field.  When this "warping" is done, it is found that the field has a 
  625. very special property.  An observer inside the warped area can travel at 
  626. any speed he wishes with respect to the field, and his frame of 
  627. reference will always be the same as that of the field.  In our 
  628. discussion of relativity, we saw that in normal space a traveler's frame 
  629. of reference depends on his speed with respect to the things he is 
  630. observing.  However, for a traveler in this warped space, this is no 
  631. longer the case.
  632.     To help you understand this, lets look at a simple example.  
  633. Consider two ships, A and B, which start out sitting still with respect 
  634. to the special field.  They are in regular space, but in the area of 
  635. space where the field exists.  At some time, Ship A warps the field 
  636. around him to produce a warped space.  He then travels to the edge of 
  637. the warped space at a velocity of 0.999 c with respect to ship B.  That 
  638. means that if they started at one end of the field, and A traveled to 
  639. the other end of the field and dropped back into normal space, then B 
  640. says the trip took 1.001001... years.  (That's 1 light-year divided by 
  641. 0.999 light-years per year.)  Now, if A had traveled in normal space, 
  642. then his clock would have been moving slow by a factor of 22.4 with 
  643. respect to B's clock.  To observer A, the trip would have only taken 
  644. 16.3 days.  However, by using the special field, observer A kept the 
  645. field's frame of reference during the whole trip.  So he also thinks it 
  646. took 1.001001... years to get there.
  647.     Now, let's change one thing about this field.  Let the field 
  648. exist everywhere in space that we have been able to look.  We are able 
  649. to detect its motion with respect to us, and have found that it still 
  650. doesn't have a very relativistic speed with respect to our galaxy and 
  651. its stars.  With this, warping the field now becomes a means of travel 
  652. within all known space.
  653.  
  654.     The most important reason for considering this as a means of 
  655. travel in a science fiction story is that it does preserve causality, as 
  656. I will now attempt to show.  Again, I will be referring to Diagram 3 in 
  657. the first section.  In order to demonstrate my point, I will be doing 
  658. two things.  First, I will assume that the frame of reference of the 
  659. field (let's call it the S frame)  is the same as that of the x and t 
  660. system (the K system) shown in Diagram 3.  Assuming that, I will show 
  661. that the causality violation discussed in the previous section will not 
  662. occur using the new method of travel.  Second, I will show that we can 
  663. instead assume that the S frame is the same as that of the x' and t' 
  664. system (the K-prime--or Kp for short--system), and again causality will 
  665. be preserved.
  666.     Before I do this, let me remind you of how the causality 
  667. violation occurred. The event (*) in the diagram will again be focussed 
  668. on to explore causality.  This event is in the past of the K system, but 
  669. it is in the future of the Kp system.  Since it is in the past according 
  670. to the K observer, a FTL signal could be sent from the event to the 
  671. origin where K would receive the signal.  As the Kp observer passed by, 
  672. K could tell him, "Hay, here is an event that will occur x number of 
  673. light years away and t years in your future."  Now we can switch over to 
  674. Kp's frame of reference.  He sees a universe in which he now knows that 
  675. at some distant point an event will occur some time in the future.  He 
  676. can then send a FTL signal that would get to that distant point before 
  677. the event happens.  So he can influence the event, a future that he 
  678. knows must exist.  That is a violation of causality. But now we have a 
  679. specific frame of reference in which any FTL travel must be done, and 
  680. this will save causality.
  681.     First, we consider what would happen if the frame of the special 
  682. field was the same as that of the K system.  That means that the K 
  683. observer is sitting relatively still with respect to the field.  So, in 
  684. the frame of reference of the field, the event "*" IS in the past.  That 
  685. means that someone at event "*" can send a message by warping the field, 
  686. and the message will be able to get to origin.  Again, the K observer 
  687. has received a signal from the event.  So, again he can tell the Kp 
  688. observer about the event as the Kp observer passes by.  Again, we switch 
  689. to Kp's frame of reference, and again he is in a universe in which he 
  690. now knows that at some distant point an event will occur some time in 
  691. the future.  But here is where the "again's" stop.  Before it was 
  692. possible for Kp to then send a signal out that would get to that distant 
  693. point before the event occurs.  But NOW, to send a signal faster than 
  694. light, you must do so by warping the field, and the signal will be sent 
  695. in the field's frame of reference.  But we have assumed that the field's 
  696. frame of reference is the same as K's frame, and in that frame, the 
  697. event has already occurred.  So, as soon as the signal enters the warped 
  698. space, it is in a frame of reference in which the event is over with, 
  699. and it cannot get to the location of the event before it happens.  What 
  700. Kp basically sees is that no matter how fast he tries to send the 
  701. signal, he can never get it to go fast enough to reach the event.  In 
  702. K's frame, it is theoretically possible to send a signal 
  703. instantaneously; but in Kp's frame, that same signal would have a non-
  704. infinite speed.  So we see that under this first consideration, 
  705. causality is preserved.
  706.     To further convince you of my point, I will now consider what 
  707. would happen if the frame of the special field was the same as that of 
  708. the Kp system instead of the K system.  Again, consider an observer at 
  709. the event "*" who wishes to send a signal to K before Kp passes by K.  
  710. The event of K and Kp passing one another has the position of the origin 
  711. in our diagram (as I hope you understand).  In order to send this 
  712. signal, the observer at "*" must warp the field and thus enter the 
  713. system of the Kp observer.  But in the frame of reference of Kp, when he 
  714. passes by K, the event "*" is in the future.  Another way of saying this 
  715. is that in the Kp frame of reference, when the event "*" occurs, Kp will 
  716. have already passed K and gone off on his merry way.  So when the signal 
  717. at "*" enters the warped space, it's frame of reference switches to one 
  718. in which K and Kp have already passed by one another.  That means that 
  719. it is impossible for "*" to send a signal that would get to K before Kp 
  720. passes by.  The possibility of creating a causality violation thus ends 
  721. here.  
  722.     Let me summarize the two above scenarios.  In the first 
  723. situation, K could know about the event before Kp passes.  So Kp can 
  724. know about the event after he passes K, but Kp could not send a signal 
  725. that would then influence the event.  In the second situation, Kp can 
  726. send a signal that would influence the event after he passed by K. 
  727. However, K could not know about the event before Kp passed, so Kp cannot 
  728. have previous knowledge of the event before he sends a signal to the 
  729. event.  In either case, causality is safe.  Also notice that only one 
  730. case can be true.  If both cases existed at the same time, then 
  731. causality would be no safer than before.  Therefore, only one special 
  732. field can exist, and using it must be the only way that FTL travel can 
  733. be done.
  734.     Many scenarios like the one above can be conceived using 
  735. different events and observers, and (under normal situations) FTL 
  736. travel/communication can be shown to violate causality.  However, in all 
  737. such cases, the same types of arguments are used that I have used here, 
  738. and the causality problem is still eliminated by using the special 
  739. field.
  740.  
  741.     So, is the the perfect solution where FTL travel exists without 
  742. any side effects that make it logically impossible?  Does this mean that 
  743. FTL travel in Star Trek lives, and all we have to do is accept the idea 
  744. that subspace/warped space involves a special frame of reference?  Well, 
  745. not quite.  
  746.     You see, there is one problem with all of this which involves 
  747. the basic ideas which helped form relativity.  We said that an observer 
  748. using our special mode of transportation will always have the frame of 
  749. reference of the field.  This means that his frame of reference does not 
  750. change with respect to his speed, and that travel within the warped 
  751. field does not obey Einstein's Relativity.  At first glance, this 
  752. doesn't seem too bad, it just sounds like good science fiction.  But 
  753. what happens when you observer the outside world while in warp?  To 
  754. explore this, let's first look back at why it is necessary for the frame 
  755. of reference to change with respect to speed.  We had assumed that the 
  756. laws of physics don't simply change for every different inertial 
  757. observer.  It had been found that if the laws of electrodynamics look 
  758. the same to all inertial observers, then the speed of an electromagnetic 
  759. wave such as light must be the same for all observers.  This in turn 
  760. made it necessary for different observers to have different frames of 
  761. reference.  Now, lets go backwards through this argument.  If different 
  762. observers using our special mode of transportation do not have different 
  763. frames of reference, then the speed of light will not look the same to 
  764. all observers.  This in turn means that if you are observing an 
  765. electromagnetic occurrence from within the warped space, the laws 
  766. governing that occurrence will look different to you that they would to 
  767. an observer in normal space.
  768.     Perhaps this is not that big of a problem.  One could assume 
  769. that what you see from within warped space is not actually occurring in 
  770. real space, but is caused by the interaction between the warped space 
  771. and the real universe.  The computer could then compensate for these 
  772. effects and show you on screen what is really happening.  I do not, 
  773. however pretend that this is a sound explanation.  This is the one part 
  774. of the discussion that I have not delved into very deeply.  Perhaps I 
  775. will look further into this in the future, but it seems like science 
  776. fiction could take care of this problem.
  777.  
  778.  
  779.  
  780.  
  781. V.    Conclusion.
  782.  
  783.     I have presented to you some major concepts of relativity and 
  784. the havoc they play with faster than light travel.  I have show you that 
  785. the violation of causality alone is a very powerful deterrent to faster 
  786. than light travel of almost any kind.  So powerful are its effects, in 
  787. fact, that I have found only one way to get around them.  I hope I have 
  788. convinced you that (1) causality is indeed very hard to get around, and 
  789. (2) my idea for a special field with a particular frame of reference 
  790. does get around it.  For the moment, I for one see this as the only way 
  791. I want to consider the possibility of faster than light travel.  Though
  792. I do not expect you to be so adamant about the idea, I do hope that you  
  793. see it as a definite possibility with some desirable outcomes.  If 
  794. nothing else, I hope that I have at least educated you to some extent on
  795. the problems involved when considering the effects of relativity on
  796. faster than light travel.
  797.  
  798.  
  799.  
  800.                                                  Jason Hinson
  801.  
  802. -Jay
  803.  
  804.