home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Space & Astronomy / Space and Astronomy (October 1993).iso / pc / text / spacedig / v16_1 / v16no137.txt < prev    next >
Internet Message Format  |  1993-07-13  |  47KB

  1. Date: Mon,  8 Feb 93 07:52:01    
  2. From: Space Digest maintainer <digests@isu.isunet.edu>
  3. Reply-To: Space-request@isu.isunet.edu
  4. Subject: Space Digest V16 #137
  5. To: Space Digest Readers
  6. Precedence: bulk
  7.  
  8.  
  9. Space Digest                Mon,  8 Feb 93       Volume 16 : Issue 137
  10.  
  11. Today's Topics:
  12.                      Units and Star Trek [Part 1]
  13.  
  14.     Welcome to the Space Digest!!  Please send your messages to
  15.     "space@isu.isunet.edu", and (un)subscription requests of the form
  16.     "Subscribe Space <your name>" to one of these addresses: listserv@uga
  17.     (BITNET), rice::boyle (SPAN/NSInet), utadnx::utspan::rice::boyle
  18.     (THENET), or space-REQUEST@isu.isunet.edu (Internet).
  19. ----------------------------------------------------------------------
  20.  
  21. Date: 4 Feb 1993 22:52:26 GMT
  22. From: David Geiser <dag@col.hp.com>
  23. Subject: Units and Star Trek [Part 1]
  24. Newsgroups: sci.space
  25.  
  26. Depends on what you mean by warp--Primary? Secondary? Tertiery?
  27.  
  28.  
  29.  
  30.  
  31.  
  32.  
  33.                 S T A R   T R E K   T E C H N O L O G Y
  34.  
  35.                           by Leon Myerson
  36.  
  37. COPYRIGHT 1988 by Leon Myerson - permission to download and reprint this
  38. essay for free distribution within the ranks of Star Trek fandom is hereby
  39. granted provided the author's name and this copyright notice are retained.
  40. This essay may be periodically superceded by revised versions uploaded to
  41. Data Library 2 of CompuServe's Science Fiction Forum.
  42.  
  43.     DISCLAIMER SECTION:  None of the ideas expressed in this essay are
  44. "official".  All concepts put forth are solely my own opinions and
  45. speculations, and as such, might be completely contradicted by "official"
  46. Star Trek material issued in the future.  I have drawn as much as possible
  47. upon the filmed Star Trek episodes and features, and refer to such
  48. "references" as the Franz Joseph blueprints and Technical Manual, and to the
  49. "Spaceflight Chronology" book, when I have found it useful to do so.  At
  50. other times, I made it up.  This material and any companion essays I may
  51. upload, are for the sole purpose of having fan-fun with the Star Trek
  52. universe.  I have no connection whatsoever with ST:TNG or with Paramount, I
  53. just like to speculate regarding futuristic science. -Leon.
  54.  
  55.  
  56.  
  57.     Warp numbers do not directly refer to speed, but to power.  Warp 1 is the
  58. power level required to enter the warp continuum, and is known as Threshold
  59. power.  Warp 2 is twice that power level, etc.  Fractional warp is simply
  60. less than Threshold power while the ship, though traveling via warp field
  61. effect, is still "in" the Einstein space-time continuum at sub-light speed.
  62. The unit of power between whole warp factors for a given vessel is one
  63. "Impulse", as in the ST:TNG episode "Conspiracy" when Geordi answers Riker's
  64. command to increase from Warp 5 to Warp 6 by acknowledging the addition of
  65. yet another full impulse to the power already coursing thru the warp
  66. nacelles.
  67.     The formula relating the Warp number W to velocity in terms of C is not
  68. the hopelessly inadequate V = W^3.  In Trek Classic's very first episode the
  69. Enterprise was seen at the edge of our galaxy.  Even assuming this to be the
  70. near edge reached by going perpendicular to the galactic plane, it is still
  71. at least 1500 light years from Earth.  At a cruising speed of Warp 6 = 216 C,
  72. the ship would have spent at least 7 years getting out there, then 7 more
  73. back.
  74.     Nor would that formula fit the size of the United Federation of Planets'
  75. Treaty Exploration Zone mapped in the "StarFleet Technical Manual".  This zone
  76. was pictured as being approximately 12,000 light years in radius, with both
  77. the Klingon and Romulan empires located at the rim some 60 degrees apart.
  78. Clearly, Enterprise did not require an excess of 50 years to reach the neutral
  79. zone.
  80.     In the ST:TNG episode "Conspiracy", Picard and Riker confront the parasite
  81. mother creature in the guise of Lt.  Cmdr.  Remmick as he/it sends a beacon to
  82. the parasite beings' homeworld via StarFleet's own CommNet.  The 3-D map of
  83. that network on the wall behind him fits almost perfectly the Treaty
  84. Exploration Zone of the Trek Classic Era.
  85.  
  86.     Instead of V = W^3, velocity is defined by the sum of an infinite series
  87. known as the 3rd-order Cochrane function, which is applicable to Tertiary
  88. warp effect fields such as are utilized by major Federation vessels from the
  89. Tritium class onward.  The first term of this series is the familiar W^3, the
  90. second term is the integral of the first term, W^4/4, the third is the
  91. integral of the second, W^5/20, and so on, ad infinitum.  Each term is the
  92. integral of the preceding term.  Thus the common mistake so often made is to
  93. quote only the first term of the series as if it were the entire function.
  94.     The behavior of this series is such that the terms rise in value at
  95. first, then become increasingly smaller so as to converge on a definite
  96. value.  This may be calculated by the equivalent formula:
  97.  
  98.                    V =  6 * { e^W - [ (W^2)/2 + W + 1] }
  99.  
  100. where V = velocity, W = Warp factor, and e = base for natural logs 2.71828..
  101.  
  102.     When calculated in this manner, this function gives the following values:
  103.  
  104.                     Generated              Uncorrected
  105.                        Power               Warp Speed x C
  106.  
  107.                            1                      1.31
  108.                            2                     14.33
  109.                            3                     69.51
  110.                            4                    249.59
  111.                            5                    779.48
  112.                            6                   2270.57
  113.                            7                   6384.80
  114.                            8                  17639.75
  115.                            9                  48315.50
  116.                           10                 131792.79
  117.                           11                 358809.85
  118.                           12                 976018.75
  119.                           13                2653889.35
  120.                           14                7214947.68
  121.                           15               19613332.78
  122.  
  123.     For starship designers, these numbers seemed too good to be true, and
  124. indeed they were.  From the earliest days of starship operations, warp
  125. engines had always registered a small power loss as they were fed more than
  126. Warp 1 power.  Defined as the difference between Generated Power and
  127. Delivered Power, this drain was ascribed to the faintly conceived notion of
  128. "continuum drag".  It was Delivered Power that determined actual velocity
  129. according to the 3rd-order Cochrane function.  As the phenomena was still too
  130. poorly understood for mathematical description, progressive increases in
  131. power generation capability had to be matched empirically with increases in
  132. Delivered Power via actual flight testing, and the term Warp Factor continued
  133. to refer to Generated Power.
  134.     The Dilithium breakthru made it possible to generate unprecedented
  135. multiples of threshold power, and led to the Federation's investment in the
  136. Constitution class vessels.  Able to safely generate and sustain Warp 8
  137. power, these ships found the drag/drain worsening rapidly at the higher
  138. levels.
  139.     It was the USS Enterprise, under Christopher Pike, that first challenged
  140. the "Warp Barrier".  After three month's total overhaul at the Terran Orbital
  141. Shipyards personally supervised at every stage by Montgomery Scott, the ship
  142. went on speed runs pushing her anti-matter reactors as high as Warp 13 for a
  143. few seconds at a time.  The resulting measurements at last permitted Scott to
  144. define the continuum drag equation:
  145.  
  146.                                    tan(A)
  147.           CDF = G - ------------------------------------ + 10
  148.                     (G-S) + (tan^2(A)+((G-S)^2)-1)^(1/2)
  149.  
  150. and thus
  151.  
  152.                                  D = G - CDF
  153.  
  154.     where D = Delivered Power; G = Generated Power; CDF = Continuum Drag
  155. Factor; A = 5.1050881 radians; and S = 9.8658770244 (Scott's constant).  The
  156. corrected table of Warp speeds is therefore:
  157.  
  158.                   Generated         Delivered      Warp Speed
  159.                     Power             Power           x C
  160.  
  161.                       1              1.00000            1.31
  162.                       2              1.98354           13.91
  163.                       3              2.96260           65.98
  164.                       4              3.93509          230.94
  165.                       5              4.89755          696.42
  166.                       6              5.84370         1926.80
  167.                       7              6.76140         4999.38
  168.                       8              7.62571        12075.26
  169.                       9              8.38615        26048.20
  170.                      10              8.96633        46707.91
  171.                      11              9.33067        67348.90
  172.                      12              9.53548        82717.85
  173.                      13              9.65322        93087.64
  174.                      14              9.72615       100151.85
  175.                      15              9.77477       105155.01
  176.  
  177.                   Old Warp          New Warp
  178.  
  179.     A graph of Scott's equation plotting Generated Power as X against
  180. Delivered Power as Y, shows that at threshold power (Scott's equation and the
  181. 3rd-order Cochrane's function are not applicable below this point) X = Y = 1,
  182. and the graph line proceeds at an almost 45 degree angle assuming equal
  183. scales.  (This graph is available as WARP10.RLE in DL2 for those with IBM PCs
  184. or compatibles.)
  185.     But as Generated Power exceeds 8 times threshold level, Delivered Power
  186. deviates ever more significantly and the graph curves sharply to the right.
  187. The curve is half of a hyperbola, rotated by angle A, with the significant
  188. asymptote line represented by the equation Y = 10, so that while the
  189. Generated Power may go arbitrarily high, the Delivered Power will only
  190. approach ever more closely but never equal 10.  The speed value for Warp 10
  191. from the uncorrected chart, 131792.39 times the speed of light, is the
  192. theoretical limit of the Tertiary warp effect, and can only be approached,
  193. never equaled or exceeded.  This is also the velocity of such warp continuum
  194. energy transmission phenomena as sub-space radio and the standard phaser
  195. effect.  (The complete hyperbola is graphed in WARP_X.RLE, also in DL2.)
  196.     By the time of ST:TNG, it had become standard practice to quote Warp
  197. factors in terms of Delivered, rather than Generated, power.  This explains
  198. the apparent discrepancy between the eras.  Overall Generated Power
  199. capabilities are still crucial to military vessels, as even a few dozen extra
  200. C's may mean the difference between success and failure when outrunning or
  201. persuing an opponent.  Here then is the standard warp factor scale used in the
  202. 24th century:
  203.  
  204.  
  205.                  Delivered      Generated         Tertiary
  206.                    Power          Power               Warp
  207.  
  208.                      1         1.0000000000           1.31
  209.                      2         2.0167653720          14.33
  210.                      3         3.0383208502          69.51
  211.                      4         4.0670614879         249.59
  212.                      5         5.1072983806         779.48
  213.                      6         6.1676537197        2270.57
  214.                      7         7.2682459514        6384.80
  215.                    7.5         7.8487197368       10628.50
  216.                      8         8.4694304149       17639.75
  217.                    8.2         8.7364919027       21588.78
  218.                    8.4         9.0203187626       26414.32
  219.                    8.6         9.3280961537       32310.48
  220.                    8.8         9.6717993420       39514.34
  221.                      9        10.0729838055       48315.50
  222.                    9.1        10.3071067812       53422.73
  223.                    9.2        10.5747605008       59067.65
  224.                    9.3        10.8903152831       65306.85
  225.                    9.4        11.2777216596       72202.80
  226.                    9.5        11.7800905867       79824.61
  227.                    9.6        12.4836439773       88248.61
  228.                    9.7        13.5895662949       97559.17
  229.                    9.8        15.7014109302      107849.55
  230.                    9.9        21.8369448362      119222.79
  231.                     10          INFINITE         131792.79
  232.  
  233.                  New Warp       Old Warp        Velocity x C
  234.  
  235.     To calculate the Generated Power corresponding to a given Delivered
  236. Power level, use the formula:
  237.  
  238.                         ((D-10)^2*(tan(A)^2-1)-tan(A)^2
  239.                G = S - ---------------------------------
  240.                                2*(D-10)*tan(A))
  241.  
  242.  
  243.     An interesting aspect of the 3rd-order Cochrane function is that Warp 1
  244. is not C but 1.31 x C.  Taking the reciprocal of this number, 0.763, gives
  245. what is known as threshold velocity.  Under fractional warp power, a starship
  246. "accelerates" as the power is steadily increased.  At Warp .99999 etc., the
  247. ship is traveling at 0.763 x C.  Transition occurs, an explosive event
  248. accompanied by the hauntingly beautiful phenomena known as the Chromatic
  249. Detonation, the optical analog of a sonic boom.  In the next micro-instant,
  250. the ship is on "the other side", traveling through the warp continuum at 1.31
  251. x C.  The ship is never observed at speeds 0.763 < V < 1.31 under normal
  252. conditions.
  253.     It should be noted however, that the boundary layer of the warp field
  254. effect creates an envelope of 4 dimensional Einsteinian space-time within
  255. which the ship travels.  Therefore, all the familiar physical laws of the
  256. "ordinary" continuum still apply within the envelope.  From the outside, it
  257. appears as though a space-time anomaly were manifested sequentially along a
  258. linear path.  Fleeting, multiple images of the vessel in the center of the
  259. anomaly are created at widely spaced intervals which grow more distant at
  260. higher warp factors.  Light coming from within the envelope gathers at the
  261. boundary layer until it reaches optical crossover threshold, at which point
  262. it "pulses" through, thus re-entering normal space-time to project the image
  263. of the ship.  This effect was nicely filmed for the climactic scene in
  264. ST:TSFS when we see the Enterprise fleeing the detonation of the Genesis
  265. Device.
  266.     External light enters the envelope via complex optical interaction with
  267. the warp field boundary layer.  The micro-instant lost for photons in front
  268. of the ship's path to cross the boundary layer causes them to appear to
  269. originate from directions shifted away from the line of motion in favor of
  270. apparent origins perpendicular to the direction of travel.  While an optical
  271. blind spot exists directly behind the ship along the direction of motion, due
  272. to the superluminal velocity involved, the tear-drop shape of the overall
  273. warp field minimizes the area so blanked out to a vanishingly small region.
  274.     The overall effect is curiously symmetrical to that observed by vessels
  275. approaching light speed in normal space-time.  Such a vessel would see its
  276. 3-dimensional field of view collapsed into twin circles of light in front of
  277. and behind the ship, with a band of darkness around its mid-section.  A
  278. vessel in the warp field traveling at superluminal velocities experiences a
  279. tunnel-like effect in which the dark region consists of circles in front of
  280. and behind the vessel, and its view of the universe is projected onto a
  281. cylindrical tube which the ship appears to travel through.
  282.     Of course, the ship's computers correct for this effect to present an
  283. intuitively "normal" view upon the bridge and other viewscreens.  Windows
  284. facing port or starboard reveal a relatively normal view without
  285. sophisticated correction, others have internal holographic layers which serve
  286. as the functional equivalents of corrective lenses to keep the view at least
  287. intelligible, if not exactly accurate.
  288.     Sometimes a foreign body, such as small pieces of asteroidal rock or
  289. chunks of cometary ice are pulled into the forming continuum envelope as a
  290. starship achieves transition.  Usually this is a harmless occurence, unless
  291. the "dragger" is massive enough to damage the hull if it should collide with
  292. the vessel.  If so, the ship will usually power down below threshold to
  293. release the object, otherwise it can remain within the influence of the warp
  294. field effect and go along for the ride to the starship's scheduled
  295. destination.  An unusually extreme instance of this effect occurs in ST:TMP
  296. when the old Enterprise, bucking wildly from her imbalanced engines, pulled a
  297. whole asteroid into the warp envelope formed around herself, and was forced
  298. to pulverize it with a photon torpedo.
  299.     Old space junk from various inhabited systems often gets distributed
  300. about the galaxy in this fashion, centuries in orbit about their star of
  301. origin affording plenty of time for a chance encounter with a transitioning
  302. starship.  Some of places identifiable objects ultimately turn up can be
  303. downright humorous.  Items too small to possibly damage a vessel thru its
  304. deflector shield are usually ignored, especially when they have no possible
  305. salvage value.
  306.     An example would be the cryonics satellite found just prior to the
  307. NCC-1701-D's recent visit to the Neutral Zone which originally WAS orbiting
  308. Sol, minding its own business for centuries.  People in the future tend to
  309. leave space junk that old alone, the objects most popular as tourist sights
  310. actually being protected with "landmark" status.  A sleeper ship such as
  311. Khan's would certainly have been detected, but the cryonauts registered NO
  312. life signs at all, so no one ever knew what was in this craft.  Eventually, a
  313. starship pulled it into its envelope and carried it thousands of light years
  314. out to the vicinity of the starbase Enterprise was visiting for Captain
  315. Picard's conference with StarFleet authorities regarding the apparent loss of
  316. stations near the Neutral Zone.
  317.     This is also now considered the most probable explanation for the early
  318. 1990's Voyager 6 probe having reached a black hole capable of sending it to
  319. the "machine" planet, as various research ships have made many voyages
  320. directly from the Sol system to known black holes since warp drive was first
  321. employed.  Its return to the Sol system as "V'ger" prompted some talk
  322. off a system wide clean up of old hardware, but nothing ever came of it.
  323.  
  324.     The relativistic time dilation experienced at Tertiary threshold
  325. velocity is such that time passes at 64.6% per cent, or roughly 2/3's,
  326. the "normal" rate of objects "at rest".  This time dilation factor goes
  327. along with the ship as the warp effect envelope separates from normal
  328. space/time in crossing over the threshold, and remains stable
  329. thereafter, so that all the time spent under way at superluminal
  330. velocities is discounted by 1/3 for those on the vessel vs.  those
  331. staying behind.  The effect is rather conveinient for starship crews, as
  332. it effectively cuts by 1/3 the travel time between stop-overs, and since
  333. all Tertiary warp vessels experience it, there is no disadvantage in
  334. reaction time against opponents.
  335.     There are social aspects to the cumulative effect of a lifetime career
  336. devoted to star travel, in that one's age starts falling behind that of
  337. friends, family, and above all spouse's left behind.  In the 2nd, 3rd, and
  338. 4th feature films, we see James Kirk wearing four bars and three dots on his
  339. sleeve, indicating 23 years service in StarFleet.  Yet his birthday
  340. depression in ST:TWOK and the presence of the fully grown David Marcus all
  341. point towards a 50th birthday.  Assuming Kirk graduated the Academy at the
  342. normal age of 22, adding 23 years leaves a 5 year gap.  The gap is simply the
  343. cumulative effect of the time he's spent cruising at warp speed.  For married
  344. personnel, this "age gaping" becomes a serious problem over a lifetime, and
  345. was a major factor in StarFleet's decision to allow families to go along on
  346. its latest vessels of the ST:TNG era.
  347.     A very important aspect of this effect derives from the behavior of the
  348. threshold cross-over phenomena in the presence of intense gravitational
  349. fields, such as would be found near stellar bodies.  The intense warping of
  350. space/time already imposed upon the region of the continuum nearest the star
  351. causes it to become more tolerant of extreme profile skewing than normal
  352. space.  As a nearby ship accelerates, the threshold velocity is reached, but
  353. cross-over does not occur, one has to increase the degree of skew with still
  354. more power.  This means going nearer to lightspeed while still in the normal
  355. continuum, thus the time dilation factor increases.  Since the time dilation
  356. at cross-over remains in effect throughout the period spent in the warp
  357. continuum's sub-space, it is possible to retard one's own rate of time
  358. passage to an arbitrarily high degree to assist in making extremely long
  359. voyages.
  360.     Some of the early Federation exploration ships, such as the famous USS
  361. Horizon, used this sort of maneuver on occasion, but more often avoided it
  362. due to the detrimental effect upon shipboard reaction time it causes.
  363. Merchant vessels sometimes tried it, but the extreme danger of maneuvering so
  364. close to a star led first to uninsurability and finally to outright
  365. regulatory prohibitions against the practice.  Ships full of colonists almost
  366. always housed them in sleeper chambers, an old and proven technology dating
  367. as far back as the late 20th century, leaving only the crew awake.
  368.     One of the greatest scientific discoveries made by the original
  369. NCC-1701 Enterprise was that if a ship went EXTREMELY close to an object
  370. of stellar mass while in the normal continuum, then poured on maximum
  371. power to force its way to threshold before putting significant distance
  372. between itself and the gravity field of the celestial body in question,
  373. then the effective threshold velocity could actually be slightly above
  374. lightspeed, and the associated time dilation not only extremely large
  375. but NEGATIVE.  This is the essence of time travel under what has become
  376. known as the breakaway maneuver.
  377.     The class of phenomena known as "time travel" are extremely complex
  378. and remain poorly understood.  Most recorded incidents have involved
  379. multiple effects which, in the absence of a fully developed theory of
  380. time, are often difficult to untangle for separate description and
  381. analysis.  The Enterprise's unintentional journey to the Terra of the
  382. late 1960's began with an accidental encounter with an uncharted black
  383. hole.  The unusual properties of this particular hole had attracted
  384. their attention, resulting in the Enterprise making a low warp speed
  385. sensor pass.  The anomalous readings prevented them from realizing the
  386. nature of this object until it was too late.  The hole's intense
  387. distortion of the continuum pulled the Enterprise out of warp, where the
  388. ship was in iminent danger of being sucked into the hole itself.
  389.     On Kirk's orders, Sulu applied full emergency power in a desperate
  390. attempt to fight their way back to threshold so as to to re-enter the
  391. warp continuum, but even as the mighty starship trembled under the
  392. effort, the threshold power level was moving higher and higher as they
  393. neared the event horizon.  With seconds left before the end, Mr.  Scott
  394. in engineering surmised the nature of their situation.  Knowing the ship
  395. could never make the rising tertiary warp threshold in time, he engaged
  396. the emergency circuit breakers to take the tertiary booster coils
  397. offline, and diverted 100% of the reactor output into what was now a
  398. lower threshold secondary warp field system.  The collapse of the
  399. tertiary field into a secondary one "collided" with the rapidly growing
  400. overall power level, kicking the ship into the warp continuum with such
  401. explosive force that she briefly left sub-space itself on a kind of
  402. "ballistic arc" OVER rather than thru the warp-space she would normally
  403. traverse.
  404.     It would take Spock many weeks of theoretical study and analysis
  405. before he would devise a tentative explanation for their seemingly
  406. miraculous appearance within the Terran atmosphere.  Ultimately, his
  407. explanation for their movement thru space as well as time rested upon
  408. two major points.
  409.     First, time travel does not permit violation of the conservation of
  410. mass law.  One cannot simply send 200,000 metric tons of starship back
  411. in time to coexist with an "earlier" copy of the same 200,000 tons of
  412. matter without in some way compensating for the effect such functional
  413. duplication of mass will have on the overall gravitational process of
  414. the cosmos.
  415.  
  416.     Second, in this particular incident the mode of compensation took
  417. the form of an exchange or displacement of the 20th century matter that
  418. would one day be the Enterprise and her crew, this material swapping out
  419. of the normal plane of existance to reside in the hyper-continuum the
  420. ship had traversed to reach its destination.  Therefore, in a manner
  421. related to the phenomena of "symmetry breaking", the cosmos "selected"
  422. as the ship's re-entry point a location determined by the whereabouts at
  423. that time of the raw materials which would one day be the Enterprise and
  424. her crew.
  425.     As most of this material would be found on Terra in the 1960's, that
  426. is where the ship materialized.  Fortunately, not quite all of the
  427. material constituting the Enterprise was of Terrestrial origin, or the
  428. ship would appeared at the center of the Earth instead of 5 miles above
  429. its surface.  That it wasn't 5 miles below the surface instead was
  430. simply good luck as to the total net effect of the mass-origin location
  431. factors.  When the Enterprise returned to its proper place in time, the
  432. older version of her material constituents resumed their proper place in
  433. the continuum as well.
  434.     Later studies of the "breakaway maneuver" and its associated
  435. parameters revealed that had this early incident not involved such
  436. extreme conditions, the time traveling starship would have remained
  437. "linked" to the net gravitational influence of the star used as the
  438. initiator mass.  This would have caused the celestial body itself to
  439. assume the role of adjusting its own impact on the expansion of the
  440. universe to compensate for sending a vessel back in time, and would
  441. permit such voyages thru time while retaining the ability to target
  442. spatial destinations as well.  This type of controled temporal
  443. translation was successfully demonstrated by the Enterprise via Sol
  444. during the mission Kirk's log describes as "Assignment:  Earth", and
  445. was later employed from a captured Klingon cruiser to solve the
  446. "Whalesinger" crisis.
  447.     Given the operational parameters of starship reactor systems, the
  448. time it takes to build up power applied to generating the warp field
  449. effect normally requires an initiator mass the size of a star or greater
  450. to perform the breakaway maneuver.  A planetary mass is just too small
  451. under most circumstances as the vessel will have already moved too far
  452. from the center of its gravitational field before attaining threshold
  453. power where the time dilation effects are manifested.  This does not
  454. mean it isn't possible to use a planetary mass as the initiator, only
  455. that the ship in question would have to bring up its power output in an
  456. incredibly rapid surge to do so.  The only known means of doing this is
  457. the all but suicidal technique of deliberate implosion to "cold-start"
  458. completely shut down power systems.  Only one ship, NCC-1701, is known
  459. to have ever survived this procedure.  Historians remained baffled as to
  460. why the crew dubbed the gambit an "Irishman's Chance".
  461.     Were you to travel back in time without triggering some form of
  462. gravitational impact compensation for your mass, the continuum would
  463. soon destroy you via an effect strikingly similar to the manner in which
  464. a living creature's immune system destroys that which does not belong.
  465. The unfortunate time traveler would experience progressive
  466. disintegration as the particles of his/her body are randomly pushed back
  467. to their own correct time.
  468.     An advanced form of such compensation was an integral part of the
  469. Atavachron, which functioned by actually forcing open "portals" between
  470. times.  As Kirk, Spock, and McCoy went through the portal but bypassed
  471. the compensation stage, they were in grave danger and had but little
  472. time to return.  Sarabeth could not return with them unless they could
  473. have learned to use the machine to compensate for her entry into their
  474. era, but alas there was no time for that before the star in that system
  475. went nova.
  476.  
  477.     Just as the 3rd-order Cochrane function is known as Tertiary Warp, the
  478. 1st and 2nd orders represent Primary, and Secondary Warp.  Primary Warp is
  479. the function consisting of the sum of the infinite series begining with X
  480. plus (X^2)/2 plus (X^3)/6 etc.  As with the 3rd-order series, it may be
  481. calculated with the equivalent formula (e^W)-1.  This was the first type of
  482. warp field effect propulsion system developed, and it is still in use on
  483. later vessels as the Impulse Drive sub-system.
  484.     When Secondary Warp drive systems were developed, governed by the
  485. 2nd-order Cochrane function consisting of the sum of the infinite series
  486. begining with X^2 + (X^3)/3 +(X^4)/12 etc., equivalent formula:
  487. 2*((e^W)-(W+1)), it was learned that they, and all higher order warp fields,
  488. were dangerously unstable at low fractions of threshold power.  This forced
  489. the retention of some form of Primary warp drive, though it need not handle
  490. enough power to go superluminal.
  491.     All warp field effects are created via the use of superconducting
  492. Cochrane coils, which are wound according to the complex topological patterns
  493. defined by Impulsor Calculus, the branch of mathematics developed by Zephram
  494. Cochrane to express the new kinematics and mechanics resulting from his
  495. successful unification of gravity with the electro-strong-weak force of
  496. quantum physics.  As this essay is intended for a 20th century audience,
  497. ethical constraints place severe limits on the range of comments that can be
  498. made on this subject, but the inference should be obvious that if theoretical
  499. physics has mastered the unification of the primal forces of nature, it
  500. becomes possible to use a force easily generated and controled, such as
  501. electromagnetism, to manipulate phenomena normally governed by another force,
  502. such as gravity.
  503.     Cochrane's mechanics superceded Einstein's, as his in its time
  504. supplanted Newton's.  Each is "true" or at least acceptably valid,
  505. within its range, and may be thought of as a special case approximation
  506. of its successor, which is itself regarded as a superset of its
  507. predecessor.  The following clues to Cochrane's accomplishment,
  508. paraphrased from the preface to his own textbook, are deemed safe for
  509. 20th century humans.
  510.     The first is that while current attempts to build ever larger particle
  511. accelerators will lead to the unification of the strong nuclear force with
  512. the electro-weak force, this approach will not be successful with gravity.
  513. The reason is that while accelerators of sufficient power approximate the
  514. fantastic extremes of temperature and pressure found during the era
  515. immediately following the Big Bang, it was not these aspects of the early
  516. universe but rather the extreme curvature of space-time then in force which
  517. wedded gravity to the other forces.  As space-time expanded, or flattened,
  518. gravity was the first force to de-couple from the others.
  519.     The second clue is that while Newton's mechanics were based upon the
  520. Euclidean model of geometry, and Einstein's was grounded in 19th century
  521. alternatives such as that of Riemann, Cochrane found the mathematical tools
  522. he needed to join the probability functions of quantum physics to the
  523. structures defined by distortions of space-time in the "strange attractors"
  524. of Fractal Geometry's framework for the study of "chaos".
  525.     The warp effect itself derives from Cochrane's advanced concepts of
  526. gravitation under which the interaction between the mass of a physical body
  527. and the surrounding space/time matrix defines a complex mathematical field
  528. known as a continuum profile.  On a purely theoretical level, Cochrane was
  529. able to establish a new understanding of the term velocity by demonstrating
  530. an intriguing difference in the continuum profiles of moving objects versus
  531. those stationary relative to the observer.  All objects having mass distort
  532. the space/time continuum around them, but when an object is in motion
  533. relative to the observer, the pattern of the this distortion, known as the
  534. continuum profile, becomes skewed along the direction of travel.
  535.     Space/time is not infinitely malleable, it takes a minute but finite
  536. interval for gravitational distortions to be fully manifested upon newly
  537. encountered regions.  Because of this propagation-time factor, the region of
  538. space/time in front of a moving object at a given instant is not as distorted
  539. as it would be had the object in question been excerting its gravitational
  540. influence on it for an arbitrarily long period, and the region behind the
  541. traveling body shows excess distortion because of the time it takes to flatten
  542. back to its undisturbed state.  The concept of relative motion remains in
  543. force, for the skewing of the continuum profiles of all objects in the
  544. universe is measured from the vantage point of the observer's own comparably
  545. skewed line of travel.  In measuring the velocity relative to himself, the
  546. observer is actually noting the degree of continuum profile skewing relative
  547. to his own, and an inertial frame of reference becomes one with a constant
  548. degree of skew.
  549.     In astrophysics, this effect is largely muted by the ability of
  550. space/time to "remember" repeated transits, so that all cyclic motions, such
  551. as the orbits of planets, literally "groove" their paths into the very fabric
  552. of the continuum, diminishing the skewing effect to almost vanishing levels.
  553. Also, such circular motions involve the interaction of mutually influencing
  554. bodies, so that each experiences far more change in the direction of its
  555. skewing factor than in its absolute magnitude.
  556.     But for non-cyclic motions, such as that of spacecraft executing huge
  557. linear translations thru the continuum, the effect is sufficiently pronounced
  558. to impact observations made from onboard instruments.  Generations after
  559. Cochrane, the ability of the space/time continuum to store such
  560. information-laden "memories" would be used by Dr.  Carol Marcus to establish
  561. the theoretical basis for the long suspected existence of morphogenetic
  562. fields, and would lead her to attempt the exploitation of this phenomena via
  563. the "Genesis" technology.
  564.     In creating his unified field theory, Cochrane opened the door to
  565. full-scale interaction/exchange between the primal forces of nature.  Using
  566. the analytic tools of his carefully derived Impulsor Calculus, he has able to
  567. map out complex yet stable forms of interwoven electro-magnetic fields which
  568. would cross "the line" by manifesting part of their effect in the form of
  569. gravitational phenomena.  He was then able to follow the conceptual trail
  570. back to the actual design and contruction of field generating coils that
  571. could transform his theories into useful technology.  In his first great
  572. practicle success, he proved that if his coil systems were used to
  573. reconfigure the continuum profile of a "stationary" object so that it
  574. acquired the relative "skew" of a moving one, it moved accordingly.
  575.     This led first to the developement of the long wished-for "jetless" space
  576. drive, ultimately called "Impulse drive", in which designers no longer needed
  577. to bother about reaction mass carried onboard only to serve as kinetic
  578. exhaust.  Later studies revealed that the application of sufficient power to
  579. the skewing field would produce a degree of skew effect so highly pronounced
  580. as to be insupportable by the familiar Einsteinian continuum.  Attaining this
  581. "threshold" level would so stress the ordinary continuum that a vessel and its
  582. surrounding field envelope would literally be ejected into a higher order
  583. continuum in which the speed of light was no longer relevant as a limiting
  584. factor.  Cochrane himself visualized our familiar continuum as "floating"
  585. above the larger realm, and so described the transition process as "dropping
  586. into sub-space" rather than apply an upward linguistic bias and the overused
  587. "hyperspace".
  588.     A gentle, private, and in some respects almost old-fashioned man,
  589. Cochrane lived far enough into his twilight years to see his work send
  590. humanity to the stars, before he mysteriously vanished.  Some say that the
  591. warp-driven space yacht presented to him by the greatful governments of
  592. several worlds disappeared at the same time, fueling speculation that he
  593. headed into unknown space on some final adventure.  While historians argue
  594. over his ultimate fate, none dispute the enormity of his contributions,
  595. without which the very founding of the Federation could never have occurred.
  596.  
  597.     Just as the 20th century's mastery of undreamed of natural forces such as
  598. electricity produces technological wonders inconceivable to 17th century
  599. minds, so did Cochrane's breakthru set the stage for a vast family of related
  600. discoveries and devices that seem almost magical to residents of our time.
  601. In the decades following the construction of the first "impulsor drives",
  602. further experimentation and theoretical studies led to totally different,
  603. often unexpected, applications of the basic Cochrane coil system.  The coil
  604. itself would become as basic a concept to an entire branch of technology as
  605. the "circuit" is to the field of electrical engineering.
  606.     Physicist Alicia Chalmbers interwove two coils, one wound clockwise, the
  607. other anti-clockwise, and sent twin currents thru them in opposite
  608. directions.  The "Chalmbers" coil did not move, as its external effect upon
  609. the continuum was balanced between opposite and equal influences, but within
  610. the dual-coil itself a profound disruption of space/time took place.  Wave
  611. like patterns of variation in the "topological gradient" or distortability of
  612. space/time, went out equally in all directions.  A second Chalmbers coil,
  613. though unenergized, reacted to the distortion pattern by converting part of
  614. its energy content back into electricity.
  615.     Of course, modulations in the current flow to the first Chalmbers coil
  616. were echoed analog fashion in the current output of the second "receiving"
  617. coil, giving birth to sub-space radio.  The effect propagates at the
  618. theoretical limit of the warp effect, Warp 10, the actual speed depending on
  619. whether the Chalmbers coils are of the Primary, Secondary, or Tertiary
  620. variety.  All StarFleet, and virtually all modern civilian vessels, use
  621. Tertiary Chalmbers systems, allowing communications at 131792.79 x C.
  622. Passive listening for natural occurences of this phenomena, and the active
  623. use of a form of sub-space radio in "radar" mode, constitute much of the
  624. sensor technology of Starships.
  625.     Another variation of the basic Cochrane device bends the coil away from
  626. its "barber-pole" configuration, to double back on itself full circle, in
  627. effect coiling the coil in a single loop.  The result is an artificial
  628. gravity field projected perpendicular to the plane of the loop, in either
  629. pull or push mode depending on the orientation of the windings and/or the
  630. direction of current flow.  Within its housing, the loop coil is physically
  631. anchored or it would simply spin in a warp driven circle rather than impart
  632. its effect to the gravity field.  Such units are always paired so that the
  633. torque from each cancels the other rather than be imparted to the vessel via
  634. the structural elements holding them in place.
  635.     Other variants of the Cochrane coil take the form of conical shaped pairs
  636. of coils nested within each other facing in opposite directions.  The conical
  637. shape causes the warp field's skewing effect to be projected away from the
  638. coil system rather than centered upon it.  By using the two coils in tandem,
  639. one can induce any desired combination of push or pull force up to the
  640. system's operational limits on a distant object, moving it arbitrarily close
  641. to the starship's hull and holding it there.  Known as a tractor beam, this
  642. piece of equipment is indispensable for modern spacecraft operations, without
  643. it sleek warp-driven starships would be reduced to reliance upon primitive
  644. manipulator arms such as the one found on the 1980's space shuttle.  When
  645. holding a derelict vessel via tractor beam, it is possible to apply the the
  646. repulsive force against selected portions of the outer hull, concentrating
  647. the attractive force thru the vehicles' center, so as to not only retrieve
  648. and stabilize it, but provide artificial gravity as well for the comfort of
  649. boarding parties.
  650.     In man's first experience with interstellar combat, the technological
  651. level of the participants had the vessels of both sides drop into sub-light
  652. speeds to maneuver against each other in a tight volume of laser crossfired
  653. space.  These primitive battles were analogous to the way in which late 20th
  654. century fighter planes would reach a combat zone via supersonic travel, then
  655. go subsonic for the actual dogfight.  The advantages of a weapon that could
  656. unleash its effect at warp speed were so obvious that an all out technology
  657. race to build such a device began even before the first Romulan War was over.
  658.     Ultra high velocity missiles carrying powerful matter/anti-matter
  659. warheads were already in use.  As the M/A anhilation produces a shower of
  660. photons in the extremely high energy gamma ray portion of the spectrum, these
  661. missiles were dubbed photon mines.  Though their highly developed fusion
  662. thrusters could accelerate them at hundreds of G's, they were still so slow
  663. compared to even the sublight capabilties of impulse driven starships that
  664. one had to use them in the manner of depth charges, simply deploying them in
  665. the expected path of the enemy ship and hoping for the best.  Attempts to
  666. replace the fusion thruster with a warp engine enjoyed some success against
  667. vehicles moving at sublight speeds, but against vessels traveling at warp
  668. speeds what was needed was a weapon that could travel substantially faster
  669. than any ship.
  670.     The answer was ultimately inspired by the ancient submarine torpedo,
  671. which used steam power pumped into the torpedo by the submarine rather
  672. generated onboard the weapon itself.  The modern analog of the torpedo tube
  673. emerged as an inside out warp engine coil which generated its field within
  674. its own interior and imparted an enormous skewing effect on any object placed
  675. inside.  The specially designed warhead pod would zip out of the tube at
  676. extremely high warp speeds, having an unprecendented degree of skew, but free
  677. of the mass of any onboard warp field generating equipment.  Though the
  678. warhead pod is designed to retain its imparted skew as long as possible, it
  679. does begin to decay immediately after leaving the tube.  As this takes at
  680. least several minutes, the effective range is quite adequate for the tactical
  681. role these weapons play.  Note that these devices have almost no steering,
  682. only a slight course correction capability, and so must be carefully aimed.
  683. The parallel to ancient submarine weapons was so close that the term "photon
  684. torpedo" became permanently attached to these deadly implements of celestial
  685. combat, which in the ST:TNG era are capable of as much as 10 to 15 minutes
  686. travel at speeds approaching warp 9.9.
  687.  
  688.     Early experiments with Dilithium crystals found that two such crystals, a
  689. mirror, a semi-reflector, and a light source made a marvelously efficient
  690. laser, as Spock once demonstrated in escaping from Gestapo headquarters on
  691. the planet Ekos.  When Science Officer Bruno Wilhelm placed a dilithium laser
  692. setup inside a Chalmbers coil, the crystals synchronized so as to overlap the
  693. coinciding lightwaves exactly out of "phase" making the light energy
  694. effectively vanish from our continuum, only to reimerge as a uni-directional
  695. highly intense disruption of the space/time continuum now known as the
  696. "phaser effect".  Such synchronization of the crystals required a
  697. super-luminal transfer of coordinating influences, and so was only possible
  698. in the context of a coil-induced sub-space environment.  Within the coil, one
  699. can reasonably construe the laser as being "in" sub-space.
  700.     When fully powered, the phaser effect travels at the Warp 10 limit for
  701. the type of Chalmbers coil used, be it Primary, Secondary, or Tertiary.
  702. Naturally, StarFleet vessels are armed only with Tertiary phasers, anything
  703. less would produce a "beam" literally too slow to catch a Tertiary warp
  704. starship with Dilithium focused anti-matter reactors.
  705.     However, hand phasers don't have access to quite enough power to energize
  706. the coil component to its equivalent threshold power level.  The result is
  707. that the phaser beam produced travels at a speed dependent upon the power
  708. level applied to the coil.  Whereas a beam emitted from a coil at threshold
  709. power would always move at Warp 10, with additional coil power just boosting
  710. the intensity or striking power of the beam, at just below threshold power
  711. the beam's speed is the reciprocal of Warp 10.  This is a mere 7.58766 x
  712. 10^(-6) x C, or approximately 7300 feet per second from a Tertiary coil,
  713. therefore hand phasers use Primary coils so that the phaser effect
  714. propagatation velocity is proportional to the reciprocal of the Primary warp
  715. field's Warp 10 limit of 22025.47 x C.  The reciprocal value is therefore
  716. approxiamately 8.45 miles per second.  At still less coil power, the speed
  717. diminishes in direct proportion to the fraction of threshold power applied to
  718. the coil.  Operational maximums for ST:TNG hand phasers take their coils to
  719. about 1/3 of threshold velocity, so that the weapons full power effect moves
  720. at roughly 2.82 miles per second.
  721.     One can vary the proportion of coil vs.  initiating light energy levels
  722. only so far without overloading the hand phaser, causing burnout or even
  723. detonation.  Thus to moderate the phaser effect down to stun levels, the beam
  724. in some models of hand phaser may travel as slowly as 200 or 300 feet per
  725. second.  We've seen this effect quite clearly when Kirk once fired his phaser
  726. set for stun at the metabolically accelerated Deela of Scalos, who simply
  727. stepped out of the way.  Hand phaser on stun is definitely a close quarters
  728. only weapon, where speed is not significant.
  729.     Unlike sub-space "radio", which simply attenuates under an inverse square
  730. law, phaser beams have a much shorter range due their propensity to "decay"
  731. by losing their energy to the creation of visible spectrum photons all along
  732. their path of travel.  This is what the observer sees, not the phaser beam
  733. itself.  The actual phaser effect is one of micro-range random space/time
  734. fluctuations in the topological gradient of the space encountered, imparting
  735. warp impulses to the atoms encountered.  The effect tends to spread and
  736. propagate thru solid matter, so that material objects are likely to
  737. distribute the effect throughout their particularly shaped volumes.
  738.     At high power, the effect is so severe that all molecular bonds are
  739. snapped, and all of the particles are "impulsed" in random directions.  What
  740. had been a solid object becomes an expanding cloud of particles moving fast
  741. enough to penetrate other solid matter to an enormous extent.  A body so
  742. "disintegrated" on a ship would pass right thru the hull like a burst of
  743. gamma rays, but because the particles are traveling via impulse rather than
  744.  
  745. ------------------------------
  746.  
  747. End of Space Digest Volume 16 : Issue 137
  748. ------------------------------
  749.