home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ HPAVC / HPAVC CD-ROM.iso / FTLTRAVE.ZIP / FTLTRAVE.TXT < prev   
Text File  |  1995-04-29  |  66KB  |  1,097 lines

  1. Relativity and FTL Travel
  2. ──────────────────────────
  3.  
  4. This is now the third edtion copy of this post.  Only a few simply
  5. changes have been made in the last two sections.  As planned, it is
  6. becoming a regular monthly post.  Again, let me know if you think that
  7. any changes should be made.
  8.  
  9. What is it about, and who should read it:
  10.        This is a detailed explanation about how relativity and that 
  11. wonderful science fictional invention of faster than light travel do not 
  12. seem to get along with each other.  It begins with a simple introduction 
  13. to the ideas of relativity.  The next section includes some important 
  14. information on space-time diagrams, so if you are not familiar with 
  15. them, I suggest you read it.  Then I get into the problems that 
  16. relativity poses for faster than light travel.  If you think that there 
  17. are many ways for science fiction to get around these problems, then you 
  18. probably do not understand the problem that I discuss in the forth 
  19. section, and I strongly recommend that you read it to increase your 
  20. understanding of the FTL problem.  Finally, I introduce my idea (the 
  21. only one I know of) that, if nothing else, gets around the second 
  22. problem I discuss in an interesting way. 
  23.        The best way to read the article may be to make a hard copy.  I 
  24. refer a few times to a diagram in the second section, and to have it 
  25. readily available would be helpful.
  26.        I hope you can learn a little something from reading this, or at 
  27. least strengthen your understanding of that which you already know.  
  28. Your comments and criticisms are welcome, especially if they indicate 
  29. improvements that I can make for future posts.
  30.        And now, without further delay, here it is.
  31.  
  32.  
  33.                         Relativity and FTL Travel
  34.  
  35. Outline:
  36.  
  37. I.      An Introduction to Special Relativity
  38.         A.  Reasoning for its existence
  39.         B.  Time dilation effects
  40.         C.  Other effects on observers
  41.         D.  Experimental support for the theory  
  42. II.     Space-Time Diagrams
  43.         A.  What are Space-Time Diagrams?
  44.         B.  Constructing one for a "stationary" observer
  45.         C.  Constructing one for a "moving" observer
  46.         D.  Interchanging "stationary" and "moving"
  47.         E.  Introducing the light cone
  48.         F.  Comparing the way two observers view space and time
  49. III.    The First Problem:  The Light Speed Barrier
  50.         A.  Effects as one approaches the speed of light
  51.         B.  Conceptual ideas around this problem
  52. IV.     The Second Problem:  FTL Implies The Violation of Causality
  53.         A.  What is meant here by causality, and its importance
  54.         B.  Why FTL travel of any kind implies violation of causality
  55.         C.  A scenario as "proof"
  56. V.      A Way Around the Second Problem
  57.         A.  Warped space as a special frame of reference
  58.         B.  How this solves the causality problem
  59.         C.  The relativity problem this produces
  60.         D.  One way around that relativity problem
  61. VI.     Conclusion.
  62.  
  63.  
  64.  
  65.  
  66. I.     An Introduction to Special Relativity
  67.  
  68.        The main goal of this introduction is to make relativity and its 
  69. consequences feasible to those who have not seen them before.  It should 
  70. also reinforce such ideas for those who are already somewhat familiar 
  71. with them.  This introduction will not completely follow the traditional 
  72. way in which relativity came about.  It will begin with a pre-Einstein 
  73. view of relativity.  It will then give some reasoning for why Einstein's 
  74. view is plausible.  This will lead to a discussion of some of the 
  75. consequences this theory has, odd as they may seem.  Finally, I want to 
  76. mention some experimental evidence that supports the theory.
  77.  
  78.        The idea of relativity was around in Newton's day, but it was 
  79. incomplete.  It involved transforming from one frame of reference to 
  80. another frame which is moving with respect to the first.  The 
  81. transformation was not completely correct, but it seemed so in the realm 
  82. of small speeds.  
  83.        Here is an example of this to make it clear.  Consider two 
  84. observers, you and me, for example.  Let's say I am on a train that 
  85. passes you at 30 miles per hour.  I throw a ball in the direction the 
  86. train is moving, and the ball moves at 10 mph in MY point of view.  Now 
  87. consider a mark on the train tracks.  You see the ball initially moving 
  88. along at the same speed I am moving (the speed of the train).  Then I 
  89. throw the ball, and the ball is able to reach the mark on the track 
  90. before I do.  So to you, the ball is moving even faster than I (and the 
  91. train).  Obviously, it seems as if the speed of the ball with respect to 
  92. you is just the speed of the ball with respect to me plus the speed of 
  93. me with respect to you.   So, the speed of the ball with respect to you 
  94. = 10 mph + 30 mph = 40 mph.  This was the first, simple idea for 
  95. transforming velocities from one frame of reference to another. In other 
  96. words, this was part of the first concept of relativity.
  97.  
  98.        Now I introduce you to an important postulate that leads to the 
  99. concept of relativity that we have today.  I believe it will seem quite 
  100. reasonable.  I state it as it appears in a physics book by Serway: "the 
  101. laws of physics are the same in every inertial frame of reference."  
  102. What it means is that if you observe any physical laws for a given 
  103. situation in your frame of reference, then an observer in a reference 
  104. frame moving with a constant velocity with respect to you should also 
  105. agree that those physical laws apply to that situation.  
  106.        As an example, consider the conservation of momentum.  Say that 
  107. there are two balls coming straight at one another.  They collide and go 
  108. off in opposite directions.  Conservation of momentum says that if you 
  109. add up the total momentum (mass times velocity) before the collision and 
  110. after the collision, that the two should be identical.  Now, let this 
  111. experiment be performed on a train where the balls are moving along the 
  112. line of the train's motion.  An outside observer would say that the 
  113. initial and final velocities of the balls are one thing, while an 
  114. observer on the train would say they were something different.  However, 
  115. BOTH observers must agree that the total momentum is conserved.  They 
  116. will disagree on what the actual numbers are, but they will agree that 
  117. the law holds.  We should be able to apply this to any physical law.  If 
  118. not, (i.e.,  if physical laws were different for different frames of 
  119. reference) then we could change the laws of physics just by traveling in 
  120. a particular reference frame.
  121.        A very interesting result occurs when you apply this postulate to 
  122. the laws of electrodynamics.  What one finds is that in order for the 
  123. laws of electrodynamics to be the same in all inertial reference frames, 
  124. it must be true that the speed of electromagnetic waves (such as light) 
  125. is the same for all inertial observers.  Simply stating that may not 
  126. make you think that there is anything that interesting about it, but it 
  127. has amazing consequences.  Consider letting a beam of light take the 
  128. place of the ball in the first example given in this introduction.  If 
  129. the train is moving at half the velocity of light, wouldn't you expect 
  130. the light beam (which is traveling at the speed of light with respect to 
  131. the train) to look as if it is traveling one and a half that speed with 
  132. respect to an outside observer?  Well, this is not the case.  The old 
  133. ideas of relativity in Newton's day do not apply here.  What accounts 
  134. for this peculiarity is time dilation and length contraction.
  135.        Now, I give an example of how time dilation can help explain a 
  136. peculiarity that arises from the above concept.  Again we consider a 
  137. train, but let's give it a speed of 0.6 c (where c = the speed of light 
  138. which is 3E8 m/s--3E8 means 3 times 10 to the eighth).  An occupant of 
  139. this train shines a beam of light so that (to him) the beam goes 
  140. straight up, hits a mirror at the top of the train, and bounces back to 
  141. the floor of the train where some instrument detects it. Now, in my 
  142. point of view (outside the train), that beam of light does not travel 
  143. straight up and straight down, but makes an up-side-down "V" shape 
  144. because of the motion of the train.  Here is a diagram of what I see:
  145.  
  146.  
  147.                          /|\
  148.                         / | \
  149.                        /  |  \
  150.  light beam going up->/   |   \<-light beam on return trip
  151.                      /    |    \
  152.                     /     |     \
  153.                    /      |      \
  154.                   /       |       \
  155.                  ---------|---------->trains motion (v = 0.6 c)
  156.  
  157. Let's say that the trip up takes 10 seconds in my point of view.  The 
  158. distance the train travels during that time is:
  159.        (0.6 * 3E8 m/s) * 10 s = 18E8 m.  
  160. The distance that the beam travels on the way up (the slanted line to 
  161. the left) must be 
  162.        3E8 m/s * 10s = 30E8 m.  
  163. Since the left side of the above figure is a right triangle, and we know 
  164. the length of two of the sides, we can now solve for the height of the 
  165. train: 
  166.        Height = [(30E8 m)^2 - (18E8 m)^2]^0.5  =  24E8 m.  
  167. (It is a tall train, but this IS just a thought experiment.)  Now we 
  168. consider the frame of reference of the traveler.  The light MUST travel 
  169. at 3E8 m/s for him also, and the height of the train doesn't change 
  170. because relativity contracts only lengths in the direction of motion.  
  171. Therefore, in his frame the light will reach the top of the train in
  172.        24E8 m / 3E8 (m/s) = 8 seconds, 
  173. and there you have it.  To me the event takes 10 seconds, while 
  174. according to him it must take only 8 seconds.  We measure time in 
  175. different ways.
  176.        To intensify this oddity, consider the fact that all inertial 
  177. frames are equivalent.  That is, from the traveler's point of view he is 
  178. the one who is sitting still, while I zip past him at 0.6 c.  So he will 
  179. think that it is MY clock that is running slowly.  This lends itself 
  180. over to what seem to be paradoxes which I will not get into here.  If 
  181. you have any questions on such things (such as the "twin paradox" --
  182. which can be understood with special relativity, by the way)  feel free 
  183. to ask me about them, and I will do the best I can to answer you.
  184.        As I mentioned above, length contraction is another consequence 
  185. of relativity.  Consider the same two travelers in our previous example, 
  186. and let each of them hold a meter stick horizontally (so that the length 
  187. of the stick is oriented in the direction of motion of the train).  To 
  188. the outside observer, the meter stick of the traveler on the train will 
  189. look as if it is shorter than a meter.  Similarly, the observer on the 
  190. train will think that the meter stick of the outside observer is the one 
  191. that is contracted.  The closer one gets to the speed of light with 
  192. respect to an observer, the shorter the stick will look to that 
  193. observer. The factor which determines the amount of length contraction 
  194. and time dilation is called gamma.
  195.        Gamma is defined as (1 - v^2/c^2)^(-1/2).  For our train (for 
  196. which v = 0.6 c), gamma is 1.25.  Lengths will be contracted and time 
  197. dilated (as seen by the outside observer) by a factor of 1/gamma = 0.8, 
  198. which is what we demonstrated with the difference in measured time (8 
  199. seconds compared to 10 seconds). Gamma is obviously an important number 
  200. in relativity, and it will appear as we discuss other consequences of 
  201. the theory.
  202.        Another consequence of relativity is a relationship between mass, 
  203. energy, and momentum.  By considering conservation of momentum and 
  204. energy as viewed from two frames of reference, one can find that the 
  205. following relationship must be true for an unbound particle:
  206.        E^2  =  p^2 * c^2  +  m^2 * c^4
  207. Where E is energy, m is mass, and p is relativistic momentum which is 
  208. defined as
  209.        p  =  gamma * m * v     (gamma is defined above)
  210. By manipulating the above equations, one can find another way to express 
  211. the total energy as
  212.        E  =  gamma * m * c^2
  213. Even when an object is at rest (gamma = 1) it still has an energy of 
  214.        E  =  m * c^2
  215. Many of you have seen something like this stated in context with the 
  216. theory of relativity.  
  217.        It is important to note that the mass in the above equations has 
  218. a special definition which we will now discuss. As a traveler approaches 
  219. the speed of light with respect to an observer, the observer sees the 
  220. mass of the traveler increase.  (By mass, we mean the property that 
  221. indicates (1) how much force is needed to create a certain acceleration 
  222. and (2) how much gravitational pull you will feel from that object).  
  223. However, the mass in the above equations is defined as the mass measured 
  224. in the rest frame of the object.  That mass is always the same.  The 
  225. mass seen by the observer (which I will call the observed mass) is given 
  226. by gamma * m.  Thus, we could also write the total energy as
  227.        E = (observed mass) * c^2
  228. That observed mass approaches infinity as the object approaches the 
  229. speed of light with respect to the observer.
  230.  
  231.        These amazing consequences of relativity do have experimental 
  232. foundations.  One of these involves the creation of muons by cosmic rays 
  233. in the upper atmosphere.  In the rest frame of a muon, its life time is 
  234. only about 2.2E-6 seconds.  Even if the muon could travel at the speed 
  235. of light, it could still go only about 660 meters during its life time.  
  236. Because of that, they should not be able to reach the surface of the 
  237. Earth.  However, it has been observed that large numbers of them do 
  238. reach the Earth.  From our point of view, time in the muons frame of 
  239. reference is running slowly, since the muons are traveling very fast 
  240. with respect to us.  So the 2.2E-6 seconds are slowed down, and the muon 
  241. has enough time to reach the earth.
  242.        We must also be able to explain the result from the muons frame 
  243. of reference.  In its point of view, it does have only 2.2E-6 seconds to 
  244. live.  However, the muon would say that it is the Earth which is 
  245. speeding toward the muon.  Therefore, the distance from the top of the 
  246. atmosphere to the Earth's surface is length contracted.  Thus, from its 
  247. point of view, it lives a very small amount of time, but it doesn't have 
  248. that far to go.
  249.        Another verification is found all the time in particle physics.  
  250. The results of having a particle strike a target can be understood only 
  251. if one takes the total energy of the particle to be E = Gamma * m * c^2,  
  252. which was predicted by relativity.
  253.        These are only a few examples that give credibility to the theory 
  254. of relativity.  Its predictions have turned out to be true in many 
  255. cases, and to date, no evidence exists that would tend to undermine the 
  256. theory.
  257.  
  258.  
  259.        In the above discussion of relativity's effects on space and time 
  260. we have looked at only length contraction and time dilation.  However, 
  261. there is a little more to it than that, and the next section attempts to
  262. explain this to some extent.
  263.  
  264.  
  265.  
  266.  
  267.  
  268. II.    Space-Time Diagrams
  269.  
  270.        In this section we examine certain constructions known as space-
  271. time diagrams.  After a short look at why we need to discuss these 
  272. diagrams, I will explain what they are and what purpose they serve.  
  273. Next we will construct a space-time diagram for a particular observer.  
  274. Then, using the same techniques, we will construct a second diagram to 
  275. represent the coordinate system for a second observer who is moving with 
  276. respect to the first observer.  This second diagram will show the second 
  277. observer's frame of reference with respect to the first observer; 
  278. however, we will also switch around the diagram to show what the first 
  279. observer's frame of reference looks like with respect to the second 
  280. observer.  Finally, we will compare the way these two observers view 
  281. space and time, which will make it necessary to first descuss a diagram 
  282. known as a light cone.
  283.  
  284.        In the previous section we talked about the major consequences of 
  285. special relativity, but now I want to concentrate more specifically on 
  286. how relativity causes a transformation of space and time.  Relativity 
  287. causes a little more than can be understood by simple length contraction 
  288. and time dilation.  It actually results in two different observers 
  289. having two different space-time coordinate systems.  The coordinates 
  290. transform from one frame to the other through what are known as a 
  291. Lorentz Transformation.  Without getting deep into the math, much can be 
  292. understood about such transforms by considering space-time diagrams.
  293.        A space-time diagram gives us a means of representing events 
  294. which occur at different locations and at different times.  For the 
  295. space part of the diagram, we will be looking in only one direction, the 
  296. x direction.  So, the space-time diagram consists of a coordinate system 
  297. with one axis to represent space (the x direction) and another to 
  298. represent time.  Where these two principle axes meet is the origin.  
  299. This is simply a point in space that we have defined as x = 0 and a 
  300. moment in time that we have defined as t = 0.  In Diagram 1 (below) I 
  301. have drawn these two axes and marked the origin with an o.  
  302.        For certain reasons we want to define the units that we will use 
  303. for distances and times in a very specific way.  Let's define the unit 
  304. for time to be the second.  This means that moving one unit up the time 
  305. axis will represent waiting one second of time.  We then want to define 
  306. the unit for distance to be a light second (the distance light travels 
  307. in one second).  So if you move one unit to the right on the x axis, you 
  308. will be looking at a point in space that is one light second away from 
  309. your previous location.  In Diagram 1, I have marked the locations of 
  310. the different space and time units (Note: In my diagrams, I am using 
  311. four spaces to be one unit along the x axis and two character heighths 
  312. to be one unit on the time axis).  
  313.        With these units it is interesting to note how a beam of light is 
  314. represented in our diagram.  Consider a beam of light leaving the origin 
  315. and traveling to the right.  One second later, it will have traveled one 
  316. light second away.  Two seconds after it leaves it will have traveled 
  317. two light seconds away, and so on.  So a beam of light will always make 
  318. a line at an angle of 45 degrees to the x and t axes.  I have drawn such 
  319. a light beam in Diagram 2.  
  320.  
  321.  
  322.  Diagram 1                      Diagram 2
  323.            t                               t
  324.            ^                               ^
  325.            |                               |       light
  326.            +                               +       /
  327.            |                               |     /  
  328.            +                               +   /  
  329.            |                               | /  
  330.   -+---+---o---+---+---> x        -+---+---o---+---+-> x
  331.            |                               |
  332.            +                               +
  333.            |                               | 
  334.            +                               +
  335.            |                               |
  336.  
  337.  
  338.        At this point, we want to decide exactly how to represent events 
  339. on this coordinate system.  First, when we say that we are using this 
  340. diagram to represent the reference frame of a particular observer, we 
  341. mean that in this diagram the observer is not moving.  We will call this 
  342. observer the O observer.  So if the O observer starts at the origin, 
  343. then one second later he is still at x = 0.  Two seconds later he is 
  344. still at x = 0, etc.  So, he is always on the time axis in our 
  345. representation.  Similarly, any lines drawn parallel to the t axis (in 
  346. this case, vertical lines) will represent lines of constant position.  
  347. If a second observer is not moving with respect to the first, and this 
  348. second observer starts at a position two light seconds away to the right 
  349. of the first, then as time progresses he will stay on the vertical line
  350. that runs through x = 2.
  351.        Next we want to figure out how to represent lines of constant 
  352. time.  To do this, we should first find a point on our diagram that 
  353. represents an event which occurs at the same time as the origin (t = 0).  
  354. To do this we will use a method that Einstein used.  First we choose a 
  355. point on the t axis which occurred prior to t = 0.  Let's use an example 
  356. where this point is occurs at t = -3 seconds.  At that time we send out 
  357. a beam of light in the positive x direction.  If the beam bounces off of 
  358. a distant mirror at t = 0 and heads back toward the t axis, then it  
  359. will come back to the us at t = 3 seconds.  So, if we send out a beam at 
  360. t = -3 seconds and it returns at t = 3 seconds, then the event of it 
  361. bouncing off the mirror occurred simultaneously with the time t = 0.  
  362.        To use this in our diagram, we first pick two points on the t 
  363. axis that mark t = -3 and t = 3 (let's call these points A and B 
  364. respectively).  We then draw one light beam leaving from A in the 
  365. positive x direction.  Next we draw a light beam coming to B in the 
  366. negative x direction.  Where these two beams meet (let's call this point 
  367. C) marks the point where the original beam bounces off the mirror.  Thus 
  368. the event marked by C is simultaneous with t = 0 (the origin).  A line 
  369. drawn through C and o will thus be a line of constant time.  All lines 
  370. parallel to this line will also be lines of constant time.  So any two 
  371. events that lie along one of these lines occur at the same time in this 
  372. frame of reference.  I have drawn this procedure in Diagram 3, and you 
  373. can see that the x axis is the line through both o and C which is a line 
  374. of simultaneity (as one might have expected).
  375.        Now, by constructing a set of simultaneous time lines and 
  376. simultaneous position lines we will have a grid on our space-time 
  377. diagram.  Any event has a specific location on the grid which tells when 
  378. and where it occurs.  In Diagram 4 I have drawn one of these grids and 
  379. marked an event (@) that occurred 3 light seconds away to the left of 
  380. the origin (x = -3) and 1 light seconds before the origin (t = -1).
  381.  
  382.  
  383.  Diagram 3                     Diagram 4  
  384.            t                                  t
  385.            |                      |   |   |   |   |   |
  386.            B                   ---+---+---+---+---+---+---
  387.            | \                    |   |   |   |   |   |
  388.            +   \               ---+---+---+---+---+---+---      
  389.            |     \                |   |   |   |   |   |     
  390.            +       \           ---+---+---+---o---+---+--- x
  391.            |         \            |   |   |   |   |   | 
  392.   -+---+---o---+---+---C- x    ---@---+---+---+---+---+---
  393.            |         /            |   |   |   |   |   |
  394.            +       /           ---+---+---+---+---+---+---
  395.            |     /                |   |   |   |   |   | 
  396.            +   /                             
  397.            | /
  398.            A                                  
  399.            |                                
  400.  
  401.  
  402.        Now comes an important addition to our discussion of space-time 
  403. diagrams.  The coordinate system we have drawn will work fine for any 
  404. observer who is not moving with respect to the O observer.  Now we want 
  405. to construct a coordinate system for an observer who IS traveling with 
  406. respect to the O observer.  The trajectories of two such observers have 
  407. been drawn in Diagrams 5 and 6.  Notice that in our discussion we will 
  408. always consider moving observers who pass by the O observer at the time 
  409. t = 0 and at the position x = 0.  Now, the traveler in Diagram 5 is 
  410. moving slower than the one in Diagram 6.  You can see this because in a 
  411. given amount of time, the Diagram 6 traveler has moved further away from 
  412. the time axis than the Diagram 5 traveler.  So the faster a traveler 
  413. moves, the more slanted this line becomes.
  414.  
  415.  
  416.  Diagram 5                      Diagram 6
  417.            t                               t
  418.            |  /                            |    /   
  419.            +                               +   /
  420.            | /                             |  /  
  421.            +                               + /  
  422.            |`                              |/  
  423.   -+---+---o---+---+--- x         -+---+---o---+---+- x
  424.           ,|                              /|
  425.            +                             / +
  426.          / |                            /  | 
  427.            +                           /   +
  428.         /  |                          /    |
  429.  
  430.  
  431.        What does this line actually represent?  Well, consider an object 
  432. sitting on this line, right next to our moving observer.  If a few 
  433. seconds later the object is still sitting on that line (right next to 
  434. him), then in his point of view, the object has not moved.  The line is 
  435. a line of constant position for the moving observer.  But that means 
  436. that this line represents the same thing for the moving observer as the 
  437. t axis represented for the O observer; and in fact, this line becomes 
  438. the moving observer's new time axis.  We will mark this new time axis as 
  439. t' (t-prime).  All lines parallel to this slanted line will also be 
  440. lines of constant position for our moving observer.
  441.        Now, just as we did for the O observer, we want to construct 
  442. lines of constant time for our traveling observer.  To do this, we will 
  443. use the same method that we did for the O observer.  The moving observer 
  444. will send out a light beam at some time t' = -T, and the beam will 
  445. bounce of some mirror so that it returns at time t' = +T. Then the point 
  446. at which the beam bounces of the mirror will be simultaneous with the 
  447. origin, where t' = t = 0.
  448.        There is a very important point to note here.  What if instead of 
  449. light, we wanted to throw a ball at 0.5 c, have it bounce of some wall, 
  450. and then return at the same speed (0.5 c).  The problem with this is 
  451. that to find a line of constant time for the moving observer, then the 
  452. ball must travel at 0.5 c both ways in the reference frame of the MOVING 
  453. observer.  But we have not yet defined the coordinate system for the 
  454. moving observer, so we do not know what a ball moving at 0.5 c with 
  455. respect to him will look like on our diagram.  However, because of 
  456. relativity, we know that the speed of light itself CANNOT change from 
  457. one observer to the next.  In that case, a beam of light traveling at c 
  458. in the frame of the moving observer will also be traveling at c for the 
  459. O observer.  So no matter what observer we are representing on our 
  460. diagram, a beam of light will ALWAYS make a 45 degree angle with respect 
  461. to the x and t axes.
  462.       In Diagram 7, I have labeled a point A' which occurs some amount 
  463. of time before t' = 0 and a point B' which occurs the same amount of 
  464. time after t' = 0.  I then drew the two light rays as before and found 
  465. the point where they would meet (C').  Thus, C' and o occur at the same 
  466. time in the eyes of the moving observer.  Notice that for the O 
  467. observer, C' is above his line of simultaneity (the x axis).  So while 
  468. the moving observer says that C' occurs when the two observers pass (at 
  469. the origin), the stationary observer says that C' occurs after the two 
  470. observers have passed by one another.  In Diagram 8, I have drawn a line 
  471. passing through C' and o.  This line represents the same thing for our 
  472. moving observer as the x axis did for the O observer.  So we label this 
  473. line x'.  
  474.        From the geometry involved in finding this x' axis, we can state 
  475. a general rule for finding the x' axis for any moving observer.  First 
  476. recall that the t' axis is the line that represents the moving 
  477. observer's position on the space-time diagram.  The faster O' is moving 
  478. with respect to O, the greater the angle between the t axis and the t' 
  479. axis.  So the t' axis is rotated at some angle (either clockwise or 
  480. counterclockwise, depending on the direction O' is going--left or right) 
  481. away from the t axis.  The x' axis is a line rotated at the same angle, 
  482. but in the _opposite_ direction (counterclockwise or clockwise) away 
  483. from the x axis.
  484.  
  485.  
  486.  Diagram 7                       Diagram 8
  487.               t                               t     t'                        
  488.               |    /                          |    /            
  489.               +   B'                          +   /             
  490.               |  /  \                         |  /       __--x'
  491.               + /     C'                      + /   __C'-
  492.               |/    /                         |/__--     
  493.  -+---+---+---o---/---+---+- x   -+---+---+-__o---+---+---+- x
  494.              /| /                    *  __-- /|               
  495.             / /                     __--    / +               
  496.            // |                   --       /  |               
  497.           A'  +                           /   +               
  498.          /    |                          /    |               
  499.  
  500.                
  501.        Now, x' is a line of constant time for O', and any line drawn 
  502. parallel to x' is also a line of constant time.  Such lines, along with 
  503. the lines of constant position form a grid of the space-time coordinates 
  504. for the O' observer.  I have tried my best to draw such a grid in 
  505. Diagram 9.  If you squint your eyes while looking at that diagram, you 
  506. can see the skewed squares of the coordinate grid.  You can see that if 
  507. you pick a point on the space-time diagram, the two observers with their 
  508. two different coordinate systems will disagree on when and where the 
  509. event occurs. 
  510.        As a final note about this, think back to what really made these 
  511. two coordinate systems look differently.  Well, the only thing we 
  512. assumed in creating these systems is that the speed of light is the same 
  513. for all observers.  In fact, this is the only reason that the two 
  514. coordinate systems look the way they do.
  515.  
  516.        In our understanding of space-time diagrams, I also want to 
  517. incorporate the idea that all reference frames that move with a constant 
  518. velocity are considered equivalent.  By this I mean that O was 
  519. considered as the stationary observer only because we defined him as 
  520. such.  Then, when I called O' the moving observer, I meant that he was 
  521. moving with respect to O.  However, we should just as easily be able to 
  522. define O' as the stationary observer.  Then, to him, O is moving away 
  523. from him to the left.  Then, we should be able to draw the t' and x' 
  524. axes as the vertical and horizontal lines, while the t and x axes become 
  525. the rotated lines.  I have done this in Diagram 10.  By examining this 
  526. Diagram, you can confirm that it makes since to you in light of our 
  527. discussion thus far.
  528.  
  529.  
  530.  Diagram 9                       Diagram 10
  531.                     t'                  t     t'
  532.  +-----------------/-------+             \    |
  533.  | /  /_-/""/  /__/-"/  / _|              \   +
  534.  |/-"/  / _/--/" /  /_-/""/|               \  |
  535.  |  /_-/""/  /__/-"/  / _/-->x'             \ +
  536.  |"/  / _/--/" /  /_-/""/  |                 \|
  537.  |/_-/""/  /__o-"/  / _/--/|       ---+---+---o-__+---+--- x'
  538.  |  / _/--/" /  /_-/""/  /_|                  |   ""--__
  539.  |-/""/  /__/-"/  / _/--/" |                  +         ""--x
  540.  |/ _/--/" /  /_-/""/  /__/|                  |
  541.  |""/  /__/-"/  / _/--/" / |                  +
  542.  +-------------------------+                  |
  543.  
  544.        The last thing I want to do in this discussion is to compare the 
  545. way our two observers view a particular event.  First, let me note that 
  546. with what we have discussed we cannot make a complete comparison of the 
  547. two observers' coordinate systems.  You see, we have not seen how the 
  548. lengths which represents one unit of space and time in the reference 
  549. frame of O compares with the lengths representing the same units in O'.  
  550. I will tell you that the lengths are in fact different; however, I will 
  551. not take up any more of your time by going into exactly how they 
  552. compare.  Also, to do this comparison one would use the fact that for 
  553. the observers we have defined, if an event occurs at a point (x,t) for O 
  554. and  (x',t') for O', then x^2 - t^2 = x'^2 - t'^2.  The best way to show 
  555. this on the diagram is to draw hyperbolas represented by these 
  556. equations, and I don't even want to consider how to do this with my 
  557. limited experience with ASCII graphics.
  558.        There is, however, one comparison that we can make, and it will 
  559. be of importance in later discussions.  In Diagram 8, in addition to the 
  560. O and O' space and time axes, I have also marked a particular event with 
  561. a star, "*".  Recall that for O, any event on the x axis occurs at the 
  562. same time as the origin (the place and time that the two observers pass 
  563. each other).  Since the marked event appears under the x axis, then O 
  564. must believe that the event occurs before the observers pass each other.  
  565. Also recall that for O', those events on the x' axis are the ones that 
  566. occur at the same time the observers are passing.  Since the marked 
  567. event appears above the x' axis, O' must believe that the event occurs 
  568. after the observers pass each other.  So, when and where events occur 
  569. with respect to other events is completely dependent on who is observing 
  570. the events.  Now, how can this make since?  How can one event be both in 
  571. the future for one observer and in the past to another observer.  To 
  572. better understand why this situation doesn't contradict itself, we need 
  573. to look at one other constuction typically shown on a space-time 
  574. diagram.
  575.        In Diagram 11 I have drawn two light rays, one which travels in 
  576. the +x direction and another which travels in the -x direction.  At some 
  577. negative time, the two rays were headed towards x = 0.  At t = 0, the 
  578. two rays finally get to x = 0 and cross paths.  As time progresses, the 
  579. two then speed away from x = 0.  This construction is known as a light 
  580. cone.
  581.        A light cone divides a space-time diagram into two major 
  582. sections: the area inside the cone and the area outside the cone (as 
  583. shown in Diagram 11).  Let me mention here that specifically I will call 
  584. the cone I have drawn a light cone centered at the origin, because that 
  585. is where the two beams meet.  Now, consider an observer who has been 
  586. sitting at x = 0 (like our O observer) and is recieving and sending 
  587. signals at the moment marked by t = 0.  Obviously, if he sends out a 
  588. signal, it procedes away from x = 0 into the future, and the event 
  589. marked by someone recieving the signal would be above the x axis (in his 
  590. future). Also, if he is recieving signals at t = 0, then the event 
  591. marked by someone sending the signal would have to be under the x axis 
  592. (in his past).  Now, if it is impossible for anything to travel faster 
  593. than light, then the only events occuring before t = 0 that the observer 
  594. can know about at the moment are those that are inside the light cone.  
  595. Also, the only future events (those occuring after t = 0) that he can 
  596. influence are, again, those inside the light cone.
  597.        Now, one of the most important things to note about a light cone 
  598. is that it's positon is the same for all observers (because the speed of 
  599. light is the same for all observers).  For example, picture taking the 
  600. skewed coordinate system of the moving observer and superimposing it on 
  601. the light cone I have drawn.  If you were to move one unit "down" the x' 
  602. axis (a distance that represents one light second for our moving 
  603. observer), and you move one unit "up" the t' axes (one second for our 
  604. moving observer), then the point you end up at should lie somewhere on 
  605. the light cone.  In effect, a light cone will always look the same on 
  606. our diagram reguardless of which observer is drawing the cone.  
  607.       This fact has great importance.  Consider different observers who 
  608. are all passing by one another at some point in space and time.  In 
  609. general, they will dissagree with each other on when and where different 
  610. events have and will occur.  However, if you draw a light cone centered 
  611. at the point where they are passing each other, then they will ALL agree 
  612. as to which events are inside the light cone and which events are 
  613. outside the light cone.  So, reguardless of the coordinate system for 
  614. any of these observers, the following facts remain:  The only events 
  615. that any of these observers can ever hope to influence are those which 
  616. lie inside the upper half of the light cone.  Similarly, the only events 
  617. that any of these observers can know about as they pass by one another 
  618. are those which lie inside the lower half of the cone.
  619.        Now let's apply this to the observers and event in Diagram 8.  As 
  620. you can see, the event in question is indeed outside the light cone.  
  621. Because of this, even though the event is in one observers past, he 
  622. cannot know about the event at this time.  Also, even though the event 
  623. is in the other observers furure, he can never have an effect on the 
  624. event.  In essence, the event (when it happens, where it happens, how it 
  625. happens, etc.) is of absolutly no consequence for these two observers at 
  626. this time.  As it turns out, any time you find two observers who are 
  627. passing by one another and an event which one observer's coordinate 
  628. system places in the past and the other observer's coordinate system 
  629. places in the future, then the event will always be outside of the light 
  630. cone for the observers.
  631.        But doesn't this relativistic picture of the universe still 
  632. present an ambiguity in the concepts of past and future?  Pehaps 
  633. philisophically it does, but not physically.  You see, the only time you 
  634. can see these ambiguities is if you are looking at the whole space-time 
  635. picture at one once.  If you were one of the observers who is actually 
  636. viewing space and time, then as the other observer passes by you, your 
  637. whole picture of space and time can only be constructed from events that 
  638. are inside the lower half of the light cone.  If you wait for a while, 
  639. then eventually you can get all of the informtion from all of the events 
  640. that were happening around the time you were passing the other observer.  
  641. From this information, you can draw the whole space-time diagram, and 
  642. then you can see the ambiguity.  But by that time, the ambiguity that 
  643. you are considering no longer exists.  So the ambiguity can never 
  644. actually play a part in any physical situation.  Finally, remember that 
  645. this is only true if nothing can travel faster than the speed of light.
  646.  
  647.  Diagram 11                   
  648.              t               
  649.              ^               
  650.              |         light       
  651.      \       +       /       
  652.        \   inside  /         
  653.          \   +   /           
  654.   outside  \ | /  outside           
  655.   ---+---+---o---+---+---> x 
  656.            / | \             
  657.          /   +   \           
  658.        /   inside  \         
  659.      /       +       \
  660.              |               
  661.  
  662.        
  663.        Well, that concludes our look at relativity and space-time 
  664. diagrams.  Now, we can use these concepts to discuss the problems 
  665. presented by FTL travel.
  666.  
  667.  
  668.  
  669.  
  670.  
  671. III.   The First Problem:  The Light Speed Barrier
  672.  
  673.        In this section we discuss the first thing (and in some cases the 
  674. only thing) that comes to mind for most people who consider the problem 
  675. of faster than light travel.  I call it the light speed barrier. As we 
  676. will see by considering ideas from the first section, light speed seems 
  677. to be a giant, unreachable wall standing in our way.  I also introduce a 
  678. couple of fictional ways to get around this barrier; however, part of my 
  679. reason for introducing these solutions is to show that they do not solve 
  680. the problem discussed in the next section.
  681.  
  682.        Consider two observers, A and B.  Let A be here on Earth and be 
  683. considered at rest for now.  B will be speeding past the A at highly 
  684. relativistic speeds.  If B's speed is 80% that of light with respect to 
  685. A, then gamma for him (as defined in the first section) is 
  686. 1.6666666... = 1/0.6
  687. So from A's point of view B's clock is running slow and B's lengths in 
  688. the direction of motion are shorter by a factor of 0.6.  If B were 
  689. traveling at 0.9 c, then this factor becomes about 0.436; and at 0.99 c, 
  690. it is about 0.14.  As the speed gets closer and closer to the speed of 
  691. light, A will see B's clock slow down infinitesimally slow, and A will 
  692. see B's lengths in the direction of motion becoming infinitesimally 
  693. small.
  694.        In addition, If B's speed is 0.8 c with respect to A, then A will 
  695. see B's observed mass as being larger by a factor of gamma (which is 
  696. 1.666...).  At 0.9 c and 0.99 c this factor is about 2.3 and 7.1 
  697. respectively.  As the speed gets closer and closer to the speed of 
  698. light, A will see B's observed mass (and thus his energy) become 
  699. infinitely large.
  700.        Obviously, from A's point of view, B will not be able to reach 
  701. the speed of light without stopping his own time, shrinking to 
  702. nothingness in the direction of motion, and taking on an infinite amount 
  703. of energy.
  704.  
  705.        Now let's look at the situation from B's point of view, so we 
  706. will consider him be at rest.  First, notice that the sun, the other 
  707. planets, the nearby stars, etc. are not moving very relativistically 
  708. with respect to the Earth; so we will consider all of these to be in the 
  709. same frame of reference.  Let B be traveling past the earth and toward 
  710. some near by star.  In his point of view, the earth, the sun, the other 
  711. star, etc. are the ones traveling at highly relativistic velocities with 
  712. respect to him.  So to him the clock on Earth are running slow, the 
  713. energy of all those objects becomes greater, and the distances between 
  714. the objects in the direction of motion become smaller.
  715.        Let's consider the distance between the Earth and the star to 
  716. which B is traveling.  From B's point of view, as the speed gets closer 
  717. and closer to that of light, this distance becomes infinitesimally 
  718. small.  So from his point of view, he can get to the star in practically 
  719. no time.  (This explains how A seems to think that B's clock is 
  720. practically stopped during the whole trip when the velocity is almost 
  721. c.)  If B thinks that at the speed of light that distance shrinks to 
  722. zero and that he is able to get there instantaneously, then from his 
  723. point of view, c is the fastest possible speed.
  724.  
  725.        So from either point of view, it seems that the speed of light 
  726. cannot be reached, much less exceeded.  However, through some inventive 
  727. imagination, it is possible to come up with fictional ways around this 
  728. problem.  Some of these solutions involve getting from point A to point 
  729. B without traveling through the intermittent space.  For example, 
  730. consider a forth dimension that we can use to bend two points in our 
  731. universe closer together (sort of like connecting two points of a "two 
  732. dimensional" piece of paper by bending it through a third dimension and 
  733. touching the two points directly).  Then a ship could travel between two 
  734. points without moving through the space in between, thus bypassing the 
  735. light speed barrier.
  736.        Another idea involves bending the space between the points to 
  737. make the distance between them smaller.  In a way, this is what highly 
  738. relativistic traveling looks like from the point of view of the 
  739. traveler; however, we don't want the associated time transformation.  So 
  740. by fictionally bending the space to cause the space distortion without 
  741. the time distortion, one can imagine getting away from the problem.
  742.  
  743.        Again I remind you that these solutions only take care of the 
  744. "light speed barrier" problem.  They do not solve the problem discussed 
  745. in the next section, as we shall soon see.
  746.  
  747.  
  748.  
  749.  
  750. IV.    The Second Problem:  FTL Implies The Violation of Causality
  751.  
  752.        In this section we explore the violation of causality involved 
  753. with faster than light travel.  First I will explain what we mean here 
  754. by causality and why it is important that we do not simply throw it 
  755. aside without a second thought.  I will then try to explain why any 
  756. faster than light method that allows you to travel faster than light in 
  757. any frame you wish will also allow you to violation causality.
  758.  
  759.        When I speak of causality, I have the following particular idea 
  760. in mind.  Consider an event A which has an effect on another event B.  
  761. Causality would require that event B cannot in turn have an effect on 
  762. event A.  For example, let's say that event A is a murderer making a 
  763. decision to shoot and kill his victim.  Let's then say that event B is 
  764. the victim being shot and killed by the murderer.  Causality says that 
  765. the death of the victim cannot then have any effect on the murderer's 
  766. decision.  If the murderer could see his dead victim, go back in time, 
  767. and then decide not to kill him after all, then causality would be 
  768. violated.  In time travel "theories," such problems are reasoned with 
  769. the use of multiple time lines and the likes; however, since we do not 
  770. want every excursion to a nearby star to create a new time line, we 
  771. would hope that FTL travel could be done without such causality 
  772. violations.  As I shall now show, this is not a simple problem to get 
  773. around.
  774.  
  775.        I refer you back to the diagrams in the second section so that I 
  776. can demonstrate the causality problem involved with FTL travel.  In 
  777. Diagram 8, two observers are passing by one another.  At the moment 
  778. represented by the principle axes shown, the two observers are right 
  779. next to one another an the origin.  The x' and t' axes are said to 
  780. represent the K-prime frame of reference (I will call this Kp for 
  781. short). The x and t axes are then the K frame of reference.  We define 
  782. the K system to be our rest system, while the Kp observer passes by K at 
  783. a relativistic speed.  As you can see, the two observers measure space 
  784. and time in different ways.  For example, consider again the event 
  785. marked "*".  Cover up the x and t axis and look only at the Kp system.  
  786. In this system, the event is above the x' axis.  If the Kp observer at 
  787. the origin could look left and right and see all the way down his space 
  788. axis instantaneously, then he would have to wait a while for the event 
  789. to occur.  Now cover up the Kp system and look only at the K system.  In 
  790. this system, the event is below the x axis.  So to the observer in the K 
  791. system, the event has already occurred.
  792.        Normally, this fact gives us no trouble.  If you draw a light 
  793. cone (as discussed in the second section) through the origin, then the 
  794. event will be outside of the light cone.  As long as no signal can 
  795. travel faster than the speed of light, then it will be impossible for 
  796. either observer to know about or influence the event.  So even though it 
  797. is in one observers past, he cannot know about it, and even though it is 
  798. in the other observers future, he cannot have an effect on it. This is 
  799. how relativity saves its own self from violating causality. 
  800.        Now consider what would happen if a signal could be sent 
  801. arbitrarily fast.  From K's frame of reference, the event has already 
  802. occurred. For example, say the event occurred a year ago and 5 light 
  803. years away.  As long as a signal can be sent at 5 times the speed of 
  804. light, then obviously K can receive a signal from the event.  However, 
  805. from Kp's frame of reference, the event is in the future.  So as long as 
  806. he can send a signal sufficiently faster than light, he can get a signal 
  807. out to the place where the event will occur before it occurs.  So, in 
  808. the point of view of one observer, the event can be know about.  This 
  809. observer can then tell the other observer as they pass by each other.  
  810. Then the second observer can send a signal out that could change that 
  811. event.  This is a violation of causality.  
  812.       Basically, when K receives a signal from the event, Kp sees the 
  813. signal as coming from the future.  Also, when Kp sends a signal to the 
  814. event, K sees it as a signal being sent into the past.  In one frame of 
  815. reference the signal is moving faster than light, while in the other 
  816. frame it is going backwards in time.  Also notice that in this example I 
  817. never mentioned anything about how the signal gets between two points.  
  818. I didn't even require that the signal be "in our universe" when it is 
  819. traveling.  The only thing I required is that the signal starts and ends 
  820. as events in our universe.  As long as this is true, and as long as 
  821. either observer (K or Kp) can send any faster than light signal in their 
  822. own frame of reference, then the causality problem can be produced.
  823.        As a short example of this, consider the following.  Instead of 
  824. sending a message out, let's say that Kp sends out a bullet that travels 
  825. faster than the speed of light.  This bullet can go out and kill someone 
  826. light-years away in only a few hours (for example) in Kp's frame of 
  827. reference.  Now, say he fires this bullet just as he passes by K.  Then 
  828. we can call the death of the victim the event (*).  Now, in K's frame of 
  829. reference, the victim is already dead when Kp passes by.  This means 
  830. that the victim could have sent a signal just after he was shot that 
  831. would reach K before Kp passed by.  So K can know that Kp will shoot his 
  832. gun as he passes, and K can stop him.  But then the victim is never hit, 
  833. so he never sends a message to K.  So K doesn't know to stop Kp and Kp 
  834. does shoot the bullet.  Obviously, causality is not very happy about 
  835. this logical loop that develops.
  836.  
  837.        If this argument hasn't convinced you, then let me try one more 
  838. thought experiment to convince you of the problem.  Here, to make 
  839. calculations easy, we assume that a signal can be sent infinitely fast.
  840.  
  841.        Person A is on earth, and person B speeds away from earth at a 
  842. velocity v.  To make things easy, let's say that v is such that for an 
  843. observer on Earth, person B's clock runs slow by a factor of 2.  now, 
  844. person A waits one hour after person B has passed earth.  At that time
  845. person A sends a message to person B which says "I just found a bomb 
  846. under my chair that will take 10 minutes to defuse, but goes off in 10 
  847. seconds ... HELP"  He sends it instantaneously from his point of view... 
  848. well, from his point of view, B's clock has moved only half an hour. So 
  849. B receives the message half an hour after passing earth in his frame of 
  850. reference.
  851.        Now we must switch to B's point of view.  From his point of view, 
  852. A has been speeding away from him at a velocity v.  So, to B, it is A's 
  853. clock that has been running slow.  Therefore, when he gets the message 
  854. half an hour after passing earth, then in his frame of reference, A's 
  855. clock has moved only 1/4 an hour.  So, B sends a message to A that says: 
  856. "There's a bomb under your chair." It gets to A instantaneously, but 
  857. this time it is sent from B's frame of reference, so instantaneously 
  858. means that A gets the message only 1/4 of an hour after B passed Earth. 
  859. You see that A as received an answer to his message before he even sent 
  860. it.  Obviously, there is a causality problem, no matter how you get the 
  861. message there.
  862.        OK, what about speeds grater than c but NOT instantaneous?  
  863. Whether or not you can use the above argument to find a causality 
  864. problem will depend on how fast you have B traveling. If you have a 
  865. communication travel faster than c, then you can always find a velocity 
  866. for B (v < c) such that a causality problem will occur.  However, if you 
  867. send the communication at a speed that is less than c, then you cannot 
  868. create a causality problem for any velocity of B (as long as B's 
  869. velocity is also less that c).
  870.  
  871.        So, it seems that if you go around traveling faster than the 
  872. speed of light, causality violations are sure to follow you around.  
  873. This causes some very real problems with logic, and I for one would like 
  874. to find a way around such problems. This next section intends to do just 
  875. that.
  876.  
  877.  
  878.  
  879.  
  880. V.     A Way Around the Second Problem
  881.  
  882.        Now we can discuss my idea for getting around the causality 
  883. problem produced by FTL travel.  I will move through the development of 
  884. the idea step by step so that it is clear to the reader.  I will then 
  885. explain how the idea I pose completely gets rid of causality violations.  
  886. Finally, I will discuss the one "bad" side effect of my solution which 
  887. involves the fundamentals of relativity, and I will mention how this 
  888. might not be so bad after all.
  889.  
  890.        Join me now on a science fictional journey of the imagination.  
  891. Picture, if you will, a particular area of space about one square light-
  892. year in size.  Filling this area of space is a special field which is 
  893. sitting relatively stationary with respect to the earth, the sun, etc.  
  894. (By stationary, I mean relativistically speaking.  That means it could 
  895. still be moving at a few hundreds of thousands of meters per second with 
  896. respect to the earth.  Even at that speed, someone could travel for a 
  897. few thousand years and their clock would be off by only a day or two 
  898. from earth's clocks.)  So, the field has a frame of reference that is 
  899. basically the same as ours on earth.  In our science fictional future, a 
  900. way is found to manipulate the very makeup (fabric, if you will) of this 
  901. field.  When this "warping" is done, it is found that the field has a 
  902. very special property.  An observer inside the warped area can travel at 
  903. any speed he wishes with respect to the field, and his frame of 
  904. reference will always be the same as that of the field.  This means that 
  905. x and t axes in a space time diagram will be the same as the ones for 
  906. the special field, reguardless of the observer's motion.  In our 
  907. discussion of relativity, we saw that in normal space a traveler's frame 
  908. of reference depends on his speed with respect to the things he is 
  909. observing.  However, for a traveler in this warped space, this is no 
  910. longer the case.
  911.        To help you understand this, let's look at a simple example.  
  912. Consider two ships, A and B, which start out sitting still with respect 
  913. to the special field.  They are in regular space, but in the area of 
  914. space where the field exists.  At some time, Ship A warps the field 
  915. around him to produce a warped space.  He then travels to the edge of 
  916. the warped space at a velocity of 0.999 c with respect to ship B.  That 
  917. means that if they started at one end of the field, and A traveled to 
  918. the other end of the field and dropped back into normal space, then B 
  919. says the trip took 1.001001... years.  (That's 1 light-year divided by 
  920. 0.999 light-years per year.)  Now, if A had traveled in normal space, 
  921. then his clock would have been moving slow by a factor of 22.4 with 
  922. respect to B's clock.  To observer A, the trip would have only taken 
  923. 16.3 days.  However, by using the special field, observer A kept the 
  924. field's frame of reference during the whole trip.  So he also thinks it 
  925. took 1.001001... years to get there.
  926.        Now, let's change one thing about this field.  Let the field 
  927. exist everywhere in space that we have been able to look.  We are able 
  928. to detect its motion with respect to us, and have found that it still 
  929. doesn't have a very relativistic speed with respect to our galaxy and 
  930. its stars.  With this, warping the field now becomes a means of travel 
  931. within all known space.
  932.  
  933.        The most important reason for considering this as a means of 
  934. travel in a science fiction story is that it does preserve causality, as 
  935. I will now attempt to show.  Again, I will be referring to Diagram 8 in 
  936. the second section.  In order to demonstrate my point, I will be doing 
  937. two things.  First, I will assume that the frame of reference of the 
  938. field (let's call it the S frame)  is the same as that of the x and t 
  939. system (the K system) shown in Diagram 8.  Assuming that, I will show 
  940. that the causality violation discussed in the previous section will not 
  941. occur using the new method of travel.  Second, I will show that we can 
  942. instead assume that the S frame is the same as that of the x' and t' 
  943. system (the K-prime--or Kp for short--system), and again causality will 
  944. be preserved.
  945.        Before I do this, let me remind you of how the causality 
  946. violation occurred. The event (*) in the diagram will again be focused 
  947. on to explore causality.  This event is in the past of the K system, but 
  948. it is in the future of the Kp system.  Since it is in the past according 
  949. to the K observer, a FTL signal could be sent from the event to the 
  950. origin where K would receive the signal.  As the Kp observer passed by, 
  951. K could tell him, "Hay, here is an event that will occur x number of 
  952. light years away and t years in your future."  Now we can switch over to 
  953. Kp's frame of reference.  He sees a universe in which he now knows that 
  954. at some distant point an event will occur some time in the future.  He 
  955. can then send a FTL signal that would get to that distant point before 
  956. the event happens.  So he can influence the event, a future that he 
  957. knows must exist.  That is a violation of causality. But now we have a 
  958. specific frame of reference in which any FTL travel must be done, and 
  959. this will save causality.
  960.        First, we consider what would happen if the frame of the special 
  961. field was the same as that of the K system.  That means that the K 
  962. observer is sitting relatively still with respect to the field.  So, in 
  963. the frame of reference of the field, the event "*" IS in the past.  That 
  964. means that someone at event "*" can send a message by warping the field, 
  965. and the message will be able to get to origin.  Again, the K observer 
  966. has received a signal from the event.  So, again he can tell the Kp 
  967. observer about the event as the Kp observer passes by.  Again, we switch 
  968. to Kp's frame of reference, and again he is in a universe in which he 
  969. now knows that at some distant point an event will occur some time in 
  970. the future.  But here is where the "agains" stop.  Before it was 
  971. possible for Kp to then send a signal out that would get to that distant 
  972. point before the event occurs.  But NOW, to send a signal faster than 
  973. light, you must do so by warping the field, and the signal will be sent 
  974. in the field's frame of reference.  But we have assumed that the field's 
  975. frame of reference is the same as K's frame, and in that frame, the 
  976. event has already occurred.  So, as soon as the signal enters the warped 
  977. space, it is in a frame of reference in which the event is over with, 
  978. and it cannot get to the location of the event before it happens.  What 
  979. Kp basically sees is that no matter how fast he tries to send the 
  980. signal, he can never get it to go fast enough to reach the event.  In 
  981. K's frame, it is theoretically possible to send any signal, even an
  982. instantaneous one in any direction; but in Kp's frame, some signals 
  983. which would appear to him to be FTL cannot be sent (specifically, 
  984. signals which would go back in time in the K frame).  So we see that 
  985. under this first consideration, causality is preserved.
  986.        To further convince you of my point, I will now consider what 
  987. would happen if the frame of the special field was the same as that of 
  988. the Kp system instead of the K system.  Again, consider an observer at 
  989. the event "*" who wishes to send a signal to K before Kp passes by K.  
  990. The event of K and Kp passing one another has the position of the origin 
  991. in our diagram.  In order to send this signal, the observer at "*" must 
  992. warp the field and thus enter the system of the Kp observer.  But in the 
  993. frame of reference of Kp, when he passes by K, the event "*" is in the 
  994. future.  Another way of saying this is that in the Kp frame of 
  995. reference, when the event "*" occurs, Kp will have already passed K and 
  996. gone off on his merry way.  So when the signal at "*" enters the warped 
  997. space, it's frame of reference switches to one in which K and Kp have 
  998. already passed by one another.  That means that it is impossible for "*" 
  999. to send a signal that would get to K before Kp passes by.  The 
  1000. possibility of creating a causality violation thus ends here.  
  1001.        Let me summarize the two above scenarios.  In the first 
  1002. situation, K could know about the event before Kp passes.  So Kp can 
  1003. know about the event after he passes K, but Kp could not send a signal 
  1004. that would then influence the event.  In the second situation, Kp can 
  1005. send a signal that would influence the event after he passed by K. 
  1006. However, K could not know about the event before Kp passed, so Kp cannot 
  1007. have previous knowledge of the event before he sends a signal to the 
  1008. event.  In either case, causality is safe.  Also notice that only one 
  1009. case can be true.  If both cases existed at the same time, then 
  1010. causality would be no safer than before.  Therefore, only one special 
  1011. field can exist, and using it must be the only way that FTL travel can 
  1012. be done.
  1013.        Many scenarios like the one above can be conceived using 
  1014. different events and observers, and (under normal situations) FTL 
  1015. travel/communication can be shown to violate causality.  However, in all 
  1016. such cases the same types of arguments are used that I have used here, 
  1017. and the causality problem is still eliminated by using the special 
  1018. field.  In general, this is because no observer can ever send a signal 
  1019. which goes backward in time in the frame of the special field.
  1020.        I thus see warp travel in Star Trek like this:  Subspace is a 
  1021. field which defines a particular frame of reference at all points in 
  1022. known space.  When you enter warp, you are using subspace such that you 
  1023. keep its frame of reference reguardless of your speed.  Not only does 
  1024. this means that normal warp travel cannot be used to violate causality, 
  1025. but since your frame of reference does not depend on your speed as it 
  1026. does in relativity, relativistic effects in general do not apply to 
  1027. travelers using warp.  Since relativistic effects don't apply, you also 
  1028. have a general explaination as to why you can exceed the speed of light 
  1029. in the first place.
  1030.  
  1031.        So, is this the perfect solution where FTL travel exists without 
  1032. any side effects that make it logically impossible?  Does this mean that 
  1033. FTL travel in Star Trek lives, and all we have to do is accept the idea 
  1034. that subspace/warped space involves a special frame of reference?  Well, 
  1035. not quite.  
  1036.        You see, there is one problem with all of this which involves the 
  1037. basic ideas which helped form relativity.  We said that an observer 
  1038. using our special mode of transportation will always have the frame of 
  1039. reference of the field.  This means that his frame of reference does not 
  1040. change with respect to his speed, and that travel within the warped 
  1041. field does not obey Einstein's Relativity.  At first glance, this 
  1042. doesn't seem too bad, it just sounds like good science fiction.  But 
  1043. what happens when you observer the outside world while in warp?  To 
  1044. explore this, let's first look back at why it is necessary for the frame 
  1045. of reference to change with respect to speed.  We had assumed that the 
  1046. laws of physics don't simply change for every different inertial 
  1047. observer.  It had been found that if the laws of electrodynamics look 
  1048. the same to all inertial observers, then the speed of an electromagnetic 
  1049. wave such as light must be the same for all observers.  This in turn 
  1050. made it necessary for different observers to have different frames of 
  1051. reference.  Now, let's go backwards through this argument.  If different 
  1052. observers using our special mode of transportation do not have different 
  1053. frames of reference, then the speed of light will not look the same to 
  1054. all observers.  This in turn means that if you are observing an 
  1055. electromagnetic event occuring in normal space while you are within the 
  1056. warped space, the laws governing that occurrence will look different to 
  1057. you that they would to an observer in normal space.
  1058.        Perhaps this is not that big of a problem.  One could assume that 
  1059. what you see from within warped space is not actually occurring in real 
  1060. space, but is caused by the interaction between the warped space and the 
  1061. real universe.  The computer could then compensate for these effects and 
  1062. show you on screen what is really happening.  I do not, however pretend 
  1063. that this is a sound explanation.  This is the one part of the 
  1064. discussion that I have not delved into very deeply.  Perhaps I will look 
  1065. further into this in the future, but it seems as if science fiction 
  1066. could take care of this problem.
  1067.  
  1068.  
  1069.  
  1070.  
  1071. VI.    Conclusion.
  1072.  
  1073.        I have presented to you some major concepts of relativity and the 
  1074. havoc they play with faster than light travel.  I have show you that the 
  1075. violation of causality alone is a very powerful deterrent to faster than 
  1076. light travel of almost any kind.  So powerful are its effects, in fact, 
  1077. that I have found only one way to get around them if we wish to have 
  1078. faster than light travel redily available.  I hope I have convinced you 
  1079. that (1) causality is indeed very hard to get around, and (2) my idea 
  1080. for a special field with a particular frame of reference does get around 
  1081. it.  For the moment, I for one see this as the only way that I would 
  1082. ever want to consider the possibility of faster than light travel.  
  1083. Though I do not expect you to be so adamant about the idea, I do hope 
  1084. that you see it as a definite possibility with some desirable outcomes.  
  1085. If nothing else, I hope that I have at least educated you to some extent 
  1086. on the problems involved when considering the effects of relativity on 
  1087. faster than light travel.
  1088.  
  1089.  
  1090.  
  1091.  
  1092.                                              Jason Hinson
  1093.  
  1094.  
  1095.  
  1096.  
  1097.