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/ ftp.pasteur.org/FAQ/ / ftp-pasteur-org-FAQ.zip / FAQ / Star-Trek / relativity_FTL / part1 < prev    next >
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Internet Message Format  |  2004-05-15  |  71.7 KB

  1. Path: senator-bedfellow.mit.edu!bloom-beacon.mit.edu!newsfeed.stanford.edu!cyclone.bc.net!newsfeed.telusplanet.net!newsfeed.telus.net!news3.optonline.net!peer02.cox.net!cox.net!p02!lakeread01.POSTED!not-for-mail
  2. From: Jason W. Hinson <jason@physicsguy.com>
  3. Newsgroups: rec.arts.startrek.tech,rec.answers,news.answers
  4. Subject: Relativity and FTL Travel--PART I   (suggested reading)
  5. User-Agent: Newspost/2.1.1 (http://newspost.unixcab.org/)
  6. Followup-To: rec.arts.startrek.tech
  7. Organization: physicsguy.com
  8. Summary: Special Relativity
  9. Approved: news-answers-request@MIT.EDU
  10. Lines: 1250
  11. Message-ID: <xw1pc.148085$f_5.106353@lakeread01>
  12. Date: Fri, 14 May 2004 10:51:09 GMT
  13. NNTP-Posting-Host: 68.227.220.12
  14. X-Complaints-To: abuse@cox.net
  15. X-Trace: lakeread01 1084531869 68.227.220.12 (Fri, 14 May 2004 06:51:09 EDT)
  16. NNTP-Posting-Date: Fri, 14 May 2004 06:51:09 EDT
  17. Xref: senator-bedfellow.mit.edu rec.arts.startrek.tech:171409 rec.answers:87006 news.answers:271272
  18.  
  19. Archive-name: star-trek/relativity_FTL/part1
  20. Posting-Frequency: bimonthly for r.a.s.tech, monthly for news.answers
  21.  
  22. =============================================================================
  23.                           Relativity and FTL Travel
  24.                                  
  25.                by Jason W. Hinson (hinson@physics.purdue.edu)
  26. -----------------------------------------------------------------------------
  27.                                  
  28.                          Part I: Special Relativity
  29.                                  
  30. =============================================================================
  31. Edition: 5.1
  32. Last Modified: April 8, 2003
  33. URL: http://www.physicsguy.com/ftl/
  34. FTP (text version): ftp://ftp.cc.umanitoba.ca/startrek/relativity/
  35.  
  36.  
  37.  
  38.      This is Part I of the "Relativity and FTL Travel" FAQ. It contains
  39. basic information about the theory of special relativity. In the FTL
  40. discussion (Part IV of this FAQ), it is assumed that the reader understands
  41. the concepts discussed below, while it is not assumed that the reader has
  42. read Parts II and IV of this FAQ as they are "optional reading". Therefore,
  43. if the reader is unfamiliar with special relativity in general (and
  44. especially if the reader is unfamiliar with space-time diagrams) then he or
  45. she should read this part of the FAQ to understand the FTL discussion in
  46. Part IV.
  47.      For more information about this FAQ (including copyright information
  48. and a table of contents for all parts of the FAQ), see the Introduction to
  49. the FAQ portion which should be distributed with this document.
  50.  
  51.  
  52. Contents of Part I:
  53. Chapter 1: An Introduction to Special Relativity
  54.      1.1 Relativity Terminology
  55.      1.2 Reasoning for its Existence
  56.      1.3 Time Dilation and Length Contraction Effects
  57.      1.4 Introducing Gamma
  58.      1.5 Energy and Momentum Considerations
  59.           1.5.1 Rest Mass versus "Observed Mass"
  60.           1.5.2 The Energy and Momentum of a Photon (Where m = 0)
  61.      1.6 Experimental Support for the Theory
  62. Chapter 2: Space-Time Diagrams
  63.      2.1 What are Space-Time Diagrams?
  64.      2.2 Time as Another Dimension
  65.      2.3 Basic Information About the Diagrams we will Construct
  66.      2.4 Constructing One for a "Stationary" Observer
  67.      2.5 Constructing One for a "Moving" Observer
  68.      2.6 A Quick Comparison of the two Observers
  69.      2.7 Interchanging "Stationary" and "Moving"
  70.      2.8 "Future", "Past", and the Light Cone
  71.  
  72.  
  73.  
  74.  
  75.  
  76. Chapter 1: An Introduction to Special Relativity
  77.  
  78.      The main goal of this introduction is to make relativity and its
  79. consequences feasible to those who have not seen them before. It should also
  80. reinforce such ideas for those who are already somewhat familiar with them.
  81. This introduction will not really follow the traditional way in which
  82. relativity came about, but it will try to explain the concepts through an
  83. easy to follow perspective. After discussing the basic terminology, the
  84. introduction will discuss points in the pre-Einstein view of relativity. It
  85. will then give some reasoning for why Einstein's view is plausible. This
  86. will lead to a discussion of some of the consequences this theory has, odd
  87. as they may seem. Finally, I want to mention some experimental evidence that
  88. supports the theory.
  89.  
  90.  
  91.  
  92. 1.1 Relativity Terminology
  93.  
  94.      As we begin our discussion, I want to first introduce the reader to
  95. some terms which will be used. The first term to consider is the obvious
  96. one, "relativity". Why is this field of study called relativity? Well, it
  97. involves considering how an event or series of events would look to one
  98. observer given that you know how it looks to another observer who may be
  99. moving with respect to the first. This is called "transforming" the
  100. observation from one frame to another, and relativity tells us how to do
  101. that. Thus, we are concerned with the way something seems to one observer
  102. RELATIVE TO how it seems to another. Certain measurements or calculations
  103. will be the same regardless of your frame of reference. They are "frame
  104. independent" or "absolute" or "invariant" in nature. Other aspects of our
  105. universe depend greatly on your frame of reference, and they are thus "frame
  106. dependent" or "relative" in their nature. Relativity is thus study of the
  107. relative nature of things in our universe.
  108.      In that last paragraph, I use the term "frame of reference," and I
  109. should take a moment to explain what it is I am talking about. By "frame of
  110. reference" I sort of mean the "point of view" of a particular observer.
  111. Essentially, your frame of reference is what decides your relative "view" of
  112. things, so observers in different reference frames will have different
  113. relative "views". In special relativity, moving with respect to another
  114. observer is what makes your frame of reference different from his. Note too
  115. that frames of reference are relative, so that what we are really concerned
  116. with is what one frame of reference is like with respect to another frame of
  117. reference. Thus, we would say that your frame of reference relative to
  118. another frame depends on your velocity in that other frame of reference.
  119.      Now it is very easy for a newcomer to relativity to get mislead by this
  120. concept of frame of reference. The sticky phrase in the above explanation is
  121. "relative 'view' of things." You see, whenever I talk about when something
  122. occurs in some frame of reference, I DO NOT necessarily mean what the
  123. observer in that frame would actually see with their eyes. This is because
  124. the observer only sees the event after the light from the event reaches him.
  125. To figure out when the event actually occurred for that observer, one must
  126. account for the "signal delay". For example, an observer may see an event
  127. today, but if the event occurred on some star ten light-years away (the
  128. distance light would travel in 10 years) in this observer's frame, then we
  129. must realize that the event actually occurred ten years ago in this
  130. observer's frame of reference (because then light from the event would just
  131. be reaching the observer today). I mention this because it is sometimes
  132. tempting for newcomers of relativity to conclude that its odd effects (like
  133. time dilation--which we will discuss later in this chapter) are only
  134. illusions created by the fact that light from an event may reach one
  135. observer before it reaches another. However, here I am clearly stating that
  136. when we talk about when an event occurs in a frame of reference, we are
  137. talking about when it ACTUALLY OCCURRED in that frame after all light signal
  138. delays are taken into account.
  139.      Similarly, if I say that event A and event B occur simultaneously in
  140. some frame of reference, I do not mean that an observer in that frame would
  141. necessarily see them occur at the same time, but rather that they actually
  142. happened at the same time. For example, if two explosions really happened at
  143. the same time in our frame of reference, and one occurred on the moon while
  144. the other occurred on the sun, then we would see the one from on the moon
  145. first (because it is closer). However, we must take into account the time it
  146. takes the light to get to us. We must note that it would take longer for the
  147. light from the explosion on the sun to get to us, and we can then understand
  148. why we saw the explosion on the moon first. Then, with the proper
  149. calculations, we could conclude that the explosions actually happened at the
  150. same time in our frame. It will be important to remember that this is what
  151. we mean as we talk about when and where events occur in different frames of
  152. reference (especially in Chapter 2).
  153.      Now, with these terms and considerations in mind, we can go on to
  154. reason as to why the theory of relativity exists as it does today.
  155.  
  156.  
  157.  
  158. 1.2 Reasoning for its Existence
  159.  
  160.      Before Einstein, there was Newton, and Newtonian physics had its own
  161. concept of relativity; however, it was incomplete. Remember that relativity
  162. involves figuring out what an observation would seem like to one observer
  163. once you knew what it looked like to another observer who is moving with
  164. respect to the first. Before Einstein, this transformation from one frame to
  165. another was not completely correct, but it seemed so in the realm of small
  166. speeds.
  167.      Here is an example of the Newtonian idea of transforming from one frame
  168. of reference to another. Consider two observers, you and me, for example.
  169. Let's say I am on a train (in some enclosed, see-through car--if you want to
  170. visualize the situation) that passes you at 30 miles per hour. I throw a
  171. ball in the direction the train is moving such that the ball moves at 10 mph
  172. in MY point of view. Now consider a mark on the train tracks which starts
  173. out ahead of the train. As I am holding the ball (before I throw it), you
  174. will see it moving along at the same speed I am moving (the speed of the
  175. train). When I throw the ball, you will see that the ball is able to reach
  176. the mark on the track before I do. So to you, the ball is moving even faster
  177. than I (and the train). Obviously, it seems as if the speed of the ball with
  178. respect to you is just the speed of the ball with respect to me plus the
  179. speed of me with respect to you. So, the speed of the ball with respect to
  180. you = 10 mph + 30 mph = 40 mph.
  181.      This was the first, simple idea for transforming velocities from one
  182. frame of reference to another. It tries to explain a bit about observations
  183. of one observer relative to another observer's observations. In other words,
  184. this was part of the first concept of relativity, but it is incomplete.
  185.  
  186.      Now I introduce you to an important postulate that leads to the concept
  187. of relativity that we have today. I believe it will seem quite reasonable. I
  188. state it as it appears in a physics text by Serway: "the laws of physics are
  189. the same in every inertial frame of reference." (Note that by "inertial
  190. frame of reference" we basically mean a frame of reference which is not
  191. accelerating.) What the postulate means is that if two observers are moving
  192. at a constant speed with respect to one another, and one observes any
  193. physical laws for a given situation in their frame of reference, then the
  194. other observer must also agree that those physical laws apply to that
  195. situation.
  196.      As an example, consider the conservation of momentum (which I will
  197. briefly explain here). Say that there are two balls coming straight at one
  198. another. They collide and go off in opposite directions. Conservation of
  199. momentum says that if you add up the total momentum (which for small
  200. velocities is given by the mass of the ball times its velocity) of both the
  201. balls before the collision and after the collision, then the two should be
  202. identical. Now, let this experiment be performed on a train where one ball
  203. is moving in the same direction as the train, and the other is moving in the
  204. opposite direction. An outside observer would say that the initial and final
  205. velocities of the balls are one thing, while an observer on the train would
  206. say they were something different. However, BOTH observers must agree that
  207. the total momentum is conserved. One will say that momentum was conserved
  208. because the total momentum before AND after the collision were both some
  209. number, A; while the other will say that momentum was conserved because the
  210. total momentum before AND after were both some other number, B. They will
  211. disagree on what the actual numbers are, but they will agree that the law
  212. holds. We should be able to apply this postulate to any physical law. If
  213. not, (i.e., if physical laws were different for different frames of
  214. reference) then we could change the laws of physics just by traveling in a
  215. particular reference frame.
  216.      A very interesting result occurs when you apply this postulate to the
  217. laws of electrodynamics (the area of physics which deals with electricity
  218. and magnetism). What one finds is that in order for the laws of
  219. electrodynamics to be the same in all inertial reference frames, it must be
  220. true that the speed of electro-magnetic waves (such as light) is the same
  221. for all inertial observers. Perhaps the easiest way to explain why this is
  222. so is to discuss two constants used in basic electrodynamics. They are
  223. denoted as epsilon_0 and mu_0. Epsilon_0 is used in the basic equation which
  224. describes the attraction or repulsion between two electrically charged
  225. particles while mu_0 is used in the basic equation which describes the
  226. magnetic force on a charged particle. According to electrodynamics, these
  227. two constants are properties of the universe, and if any observer in any
  228. frame of reference does an electro-magnetic experiment to measure those
  229. constants, he or she must always come up with the same answers. However, it
  230. is also a property of electrodynamics that the speed (c) of an
  231. electro-magnetic wave (such as light) can be expressed in terms of those two
  232. constants: c = 1/sqrt(mu_0*epsilon_0). If epsilon_0 and mu_0 are constants
  233. for all inertial observers, then so is c.
  234.      Thus, requiring the laws of electrodynamics to be the same for all
  235. inertial observers suggests that the speed of light should be the same for
  236. all inertial observers. Simply stating that may not make you think that
  237. there is anything that interesting about it, but it has amazing and
  238. far-reaching consequences. Consider letting a beam of light take the place
  239. of the ball in our earlier example (the one where I was on a train throwing
  240. a ball, and you were outside the train). If the train is moving at half the
  241. velocity of light (c), and I say that the light beam is traveling at the
  242. speed c with respect to me, wouldn't you expect the light beam to look as if
  243. it were traveling one and a half that speed with respect to you? Well,
  244. because of the postulate above, this is not the case, and the old ideas of
  245. relativity in Newton's day fail to explain the situation. All observers must
  246. agree that the speed of any light beam is c, regardless of their frame of
  247. reference. Thus, even though I measure the speed of the light beam to be c
  248. with respect to me, and you see me traveling past you and one half that
  249. speed, still, you must also agree that the light is traveling at the speed c
  250. with respect to you. This obviously seems odd at first glance, but time
  251. dilation and length contraction are what account for the peculiarity.
  252.  
  253.  
  254.  
  255. 1.3 Time Dilation and Length Contraction Effects
  256.  
  257.      Now, I give an example of how time dilation can help explain a
  258. peculiarity that arises from the above concept. Again we consider a case
  259. where I am on a train and you are outside the train, but let's give the
  260. train a speed of 0.6 c with respect to you. (Note that c is generally used
  261. to denote the speed of light which is 300,000,000 meters per second. We can
  262. also write this as 3E8 m/s where "3E8" means 3 times 10 to the eighth). Now
  263. I (on the train) shine a small burst or pulse of light so that (to me) the
  264. light goes straight up, hits a mirror at the top of the train, and bounces
  265. back to the floor of the train where some instrument detects it. Now, in
  266. your point of view (outside the train), that pulse of light does not travel
  267. straight up and straight down, but makes an up-side-down "V" shape because
  268. of the motion of the train. This is not just some "illusion", but rather it
  269. is truly the way the light travels RELATIVE TO YOU, and thus this is truly
  270. the way the situation must be considered in your frame of reference. Below
  271. is a diagram of what occurs in your frame:
  272.  
  273.                                  Diagram 1-1
  274.  
  275.                                 /|\
  276.                                / | \
  277.                               /  |  \
  278.        light pulse going up->/   |   \<-light pulse on return trip
  279.                             /    |    \
  280.                            /     |     \
  281.                           /      |      \
  282.                          /       |       \
  283.                         ---------|---------->train's motion (v = 0.6 c)
  284.  
  285.  
  286.      Let's say that the trip up takes 10 seconds in your frame of reference.
  287. The distance the train travels during that time is given by its velocity
  288. (0.6 c) multiplied by that time of 10 seconds:
  289.  
  290.   (Eq 1:1)
  291.    (0.6 * 3E8 m/s) * 10 s = 18E8 m
  292.  
  293. The distance that the light pulse travels on the way up (the slanted line to
  294. the left) must be given by its speed with respect to you (which MUST be c
  295. given our previous discussion) multiplied by the time of 10 seconds:
  296.  
  297.   (Eq 1:2)
  298.    3E8 m/s * 10s = 30E8 m
  299.  
  300. Since the left side of the above figure is a right triangle, and we know the
  301. length of its hypotenuse (the path of the light pulse) and one of its sides
  302. (the distance the train traveled), we can now solve for the height of the
  303. train using the Pythagorean theorem. That theorem states that for a right
  304. triangle the length of the hypotenuse squared is equal to the length of one
  305. of the sides squared plus the length of the other side squared. We can thus
  306. write the following:
  307.  
  308.   (Eq 1:3)
  309.     Height^2 + (18E8 m)^2 =  (30E8 m)^2
  310.    so
  311.     Height = [(30E8 m)^2 - (18E8 m)^2]^0.5 = 24E8 m
  312.  
  313. (It is a tall train because we said that it took the light 10 seconds to
  314. reach the top, but this IS just a thought experiment.) Now we consider my
  315. frame of reference (on the train). In my frame, the light is truly traveling
  316. straight up and straight back down to me. This is truly the way the light
  317. travels in my frame of reference, and so that's the way we must analyze the
  318. situation relative to me. Again, according to our previous discussion, the
  319. light MUST travel at 3E8 m/s as measured by me as well. Further the height
  320. of the train doesn't change because relativity doesn't affect lengths
  321. perpendicular to the direction of motion. Therefore, we can calculate how
  322. long it takes for the light to reach the top of the train in my frame of
  323. reference. That is given by the distance (the height of the train) divided
  324. by the speed of the light pulse (c):
  325.  
  326.   (Eq 1:4)
  327.    24E8 m / 3E8 (m/s) = 8 seconds,
  328.  
  329. and there you have it. To you the event takes 10 seconds, while according to
  330. me it must take only 8 seconds. We measure time in different ways.
  331.      You see, to you the distance the light travels is longer than the
  332. height of the train (see the diagram). So, the only way I (on the train)
  333. could say that the light traveled the height of the train while you say that
  334. the SAME light travels a longer distance is if we either (1) have different
  335. ideas for the speed of the light because we are in different frames of
  336. reference, or (2) we have different ideas for the time it takes the light to
  337. travel because we are in different frames of reference. Now, in Newton's
  338. days, they would believe that the former were true. The light would be no
  339. different from, say, a ball, and observers in different frames of reference
  340. can observer different speeds for a ball (remember our first "train" example
  341. in this introduction). However, with the principles of Einstein's
  342. relativity, we find that the speed of light is unlike other speeds in that
  343. it must always be the same regardless of your frame of reference. Thus, the
  344. second explanation must be the case, and in your frame of reference, my
  345. clock (on the fast moving train) is going slower than yours.
  346.      As I mentioned in the last part of the previous section, length
  347. contraction is another consequence of relativity. Consider the same two
  348. travelers in our previous example, and let each of them hold a meter stick
  349. horizontally (so that the length of the stick is oriented in the direction
  350. of motion of the train). To the outside observer (you), the meter stick of
  351. the traveler on the train (me) will look as if it is shorter than a meter.
  352. One can actually derive this given the time dilation effect (which we have
  353. already derived), but I wont go through that explanation for the sake of
  354. time.
  355.      Now, DON'T BE FOOLED! One of the first concepts which can get into the
  356. mind of a newcomer to relativity involves a statement like, "if you are
  357. moving, your clock slows down." However, the question of which clock is
  358. REALLY running slowly (yours or mine) has NO absolute answer! It is
  359. important to remember that all inertial motion is relative. That is, there
  360. is no such thing as absolute inertial motion. You cannot say that it is the
  361. train that is absolutely moving and that you are the one who is actually
  362. sitting still.
  363.      Have you ever had the experience of sitting in a car, noticing that you
  364. seemed to be moving backwards, and then realizing that it was the car beside
  365. which was "actually" moving forward. Well, the only reason you say that
  366. "actually" the other car was moving forward is because you are considering
  367. the ground to be stationary, and it was the other car who was moving with
  368. respect to the ground rather than your car. Before you looked at the ground
  369. (or surrounding scenery) you had no way of knowing which of you was "really"
  370. moving. Now, if you did this in space (with space ships instead of cars),
  371. and there were no other objects around to reference to, and neither space
  372. ship was accelerating (they were moving at a constant speed with respect to
  373. one another) then what would be the difference in saying that your space
  374. ship was the one that was moving or saying that it was the other space ship
  375. that was moving? As long as neither of you is undergoing an acceleration
  376. (which would mean you were not in an inertial frame of reference) there is
  377. no absolute answer to the question of which one of you is moving and which
  378. of you is sitting still. You are moving with respect to him, but then again,
  379. he is moving with respect to you. All motion is relative, and all inertial
  380. frames are equivalent.
  381.      So what does that mean for us in this "train" example. Well, from my
  382. point of view on the train, I am the one who is sitting still, while you zip
  383. past me at 0.6 c. Since I can apply the concepts of relativity just as you
  384. can (that's the postulate of relativity--all physical laws are the same for
  385. all inertial observers), and in my frame of reference you are the one who is
  386. in motion, that means that I will think that it is YOUR clock that is
  387. running slowly and that YOUR meter sticks are length contracted.
  388.      So, there is NO absolute answer to the question of which of our clocks
  389. is REALLY running slower than the other and which of our meter sticks is
  390. REALLY length contracted smaller than the other. The only way to answer this
  391. question is relative to whose frame of reference you are considering. In my
  392. frame of reference your clock is running slower than mine, but in your frame
  393. of reference my clock is running slower than yours. This lends itself over
  394. to what seem to be paradoxes such as "the twin paradox" (doesn't it seem
  395. like a paradox that we each believe that the other person's clock is running
  396. slower than our own?). Understanding these paradoxes can be a key to really
  397. grasping some major concepts of special relativity. The explanation of these
  398. paradoxes will be given for the interested reader in Part II of this FAQ.
  399.  
  400.  
  401.  
  402. 1.4 Introducing Gamma
  403.  
  404.      Now, the closer one gets to the speed of light with respect to an
  405. observer, the slower ones clock ticks and the shorter ones meter stick will
  406. be in the frame of reference of that observer. The factor which determines
  407. the amount of length contraction and time dilation is called gamma.
  408.      Gamma for an object moving with speed v in your frame of reference is
  409. defined as
  410.  
  411.   (Eq 1:5)
  412.    gamma = 1 / (1 - v^2/c^2)^0.5
  413.  
  414. For our train (for which v = 0.6 c in your frame of reference), gamma is
  415. 1.25 in your frame. Lengths will be contracted and time dilated (as seen by
  416. you--the outside observer) by a factor of 1/gamma = 0.8. That is what we
  417. demonstrated in our example by showing that the difference in measured times
  418. was 10 seconds for you (off the train) and 8 seconds for me (on the train)
  419. in your point of view. Gamma is obviously an important number in relativity,
  420. and it will appear as we discuss other consequences of the theory (including
  421. the effects of special relativity on energy and momentum considerations).
  422.  
  423.  
  424.  
  425. 1.5 Energy and Momentum Considerations
  426.  
  427.      Another consequence of relativity is a relationship between mass,
  428. energy, and momentum. Note that velocity involves the question of how far
  429. you go and how long it takes. Obviously, if relativity affects the way
  430. observers view lengths and times relative to one another, one could expect
  431. that any Newtonian concepts involving velocity might need to be re-thought.
  432. For example, because of relativity we can no longer simply add velocities to
  433. transform from one frame to another as we did with the ball and the train
  434. earlier. (However, for small velocities like we see every day, the
  435. differences which comes in because of relativity are much to small for us to
  436. notice).
  437.      Further, consider momentum (which in Newtonian mechanics is defined as
  438. mass times velocity). With relativity, this value is no longer conserved in
  439. different reference frames when an interaction takes place. The quantity
  440. that is conserved is relativistic momentum which is defined as
  441.  
  442.   (Eq 1:6)
  443.    p  =  gamma * m * v
  444.  
  445. where gamma is defined in the previous section.
  446.      By further considering conservation of momentum and energy as viewed
  447. from two frames of reference, one can find that the following equation must
  448. be true for the total energy of an unbound particle:
  449.  
  450.   (Eq 1:7)
  451.    E^2  =  p^2 * c^2  +  m^2 * c^4
  452.  
  453. Where E is energy, m is mass, and p is the relativistic momentum as defined
  454. above.
  455.      Now, by manipulating the above equations, one can find another way to
  456. express the total energy as
  457.  
  458.   (Eq 1:8)
  459.    E  =  gamma * m * c^2
  460.  
  461. Notice that even when an object is at rest (gamma = 1) it still has an
  462. energy of
  463.  
  464.   (Eq 1:9)
  465.    E  =  m * c^2
  466.  
  467. Many of you have seen something like this stated in context with the theory
  468. of relativity ("E equals m c squared"). It says that because of the
  469. relationship between space and time for different observers as discovered by
  470. special relativity, we must conclude that an object possesses an internal
  471. energy contained in its mass--mass itself contains energy, or, to put it
  472. more eloquently, mass is simply a convenient form of energy.
  473.  
  474.  
  475.  
  476. 1.5.1 Rest Mass versus "Observed Mass"
  477.  
  478.      It is important to note that the mass, m, in the above equations has a
  479. special definition which we will now discuss (by "mass", we generally mean
  480. the property of an object that indicates (1) how much force is needed to
  481. cause the object to have a certain acceleration and (2) how much
  482. gravitational pull you will feel from that object in Newtonian gravitation).
  483. First, note what happens to the relativistic momentum (Equation 1:6) of an
  484. object as its speed approaches c with respect to some observer. In that
  485. observer's frame of reference, its momentum becomes very large (because
  486. gamma goes to infinity), especially compared to the old definition of
  487. momentum, p = m*v. However, if we define a property called "observed mass"
  488. as being gamma * m, then we see that the momentum can be written as
  489.  
  490.   (Eq 1:10)
  491.    p  =  (observed mass) * v
  492.  
  493. We see that the momentum can be written exactly as it was in Newtonian
  494. physics, except that it seems the mass of the object as seen by an outside
  495. observer is larger than its "rest mass" (m). Further, if we take the
  496. relativistic equation for the energy of an object, Equation 1:8, we see it
  497. too can be written as
  498.  
  499.   (Eq 1:11)
  500.    E  =  (observed mass) * c^2
  501.  
  502. This is like the energy of an object at rest (E = m*c^2) with the "observed
  503. mass" substituted in for the "rest mass."
  504.      Thus, one way to interpret relativity's effect on our view of momentum
  505. and energy is to say that because of relativity, an observer sees an
  506. object's mass increase as the object approaches the speed of light in that
  507. observer's frame of reference. The mass (m) in our equations is thus the
  508. mass as measured when the object is at rest in our frame of reference (the
  509. rest mass), not the "observed mass" we have defined.
  510.      However, this concept of observed mass doesn't really work for
  511. gravitational mass. In a relativistic setting, you can't figure out the
  512. gravitational effects of an object that is moving (in your frame) by simply
  513. figuring out what gravitational effects its mass would have at rest and
  514. replacing its mass with the observed mass in your frame of reference. For
  515. example, as the velocity of an object with respect to you approaches c, its
  516. "observed mass" approaches infinity. However, this does not mean that the
  517. object will eventually look like a black hole predicted by general
  518. relativity (as it would if the same object really did have a huge mass
  519. sitting at rest).
  520.      Also, let's look at kinetic energy in relation to mass. Kinetic energy
  521. is energy of motion--it's the total energy of a free object minus the amount
  522. of that energy that is internal to the object:
  523.  
  524.   (Eq 1:12)
  525.    E_kinetic = E_total - E_internal
  526.              = gamma*m*c^2 - m*c^2
  527.              = (gamma-1) *m*c^2
  528.  
  529. As it turns out, when v is much smaller than c, the equation gamma-1 is
  530. approximately equal to (1/2)*v^2/c^2 such that E_kinetic is approximately
  531. (1/2)*m*v^2 (that's the Newtonian equation for kinetic energy which is
  532. approximately correct for non-relativistic speeds). But with relativistic
  533. velocities, the kinetic energy becomes much larger than we would have
  534. calculated it to be using the Newtonian equations. In that sense, there does
  535. seem to be some "extra energy" which could be considered as extra mass
  536. energy; however, you can't get the correct kinetic energy in relativity by
  537. simply plugging our expression for "observed mass" into the Newtonian
  538. equation for kinetic energy. The observed mass concept doesn't really work
  539. here, and we see that it's better to simply argue that the mass isn't really
  540. increasing, but rather the equations for energy and momentum are different
  541. than expressed by Newtonian physics.
  542.      So, "observed mass" has its uses, but physicists today rarely use the
  543. concept in practice. Rather, an object is said to have a rest mass (which
  544. truly is its inherent internal energy) as well as an energy due to its
  545. motion with respect to an observer (kinetic energy) which come together to
  546. produce its total energy, E.
  547.     
  548.  
  549.  
  550.  
  551. 1.5.2 The Energy and Momentum of a Photon (Where m = 0)
  552.  
  553.      We should quickly note the case where the rest mass of an object is
  554. zero (such is the case for a photon--a particle of light). Given the
  555. equation for the energy in the form of Equation 1:8 (E = gamma*m*c^2), one
  556. might at first glance think that the energy was zero when m = 0. However,
  557. note that massless particles like the photon travel at the speed of light.
  558. Since gamma goes to infinity as the velocity of an object goes to c, the
  559. equation E = gamma*m*c^2 involves one part which goes to zero (m) and one
  560. part which goes to infinity (gamma). Thus, it is not obvious what the energy
  561. would be. However, if we use the energy equation in the form of Equation 1:7
  562. (E^2 = p^2*c^2 + m^2*c^4), then we can see that when m = 0 then the energy
  563. is given by E = p*c).
  564.      Now, a photon has a momentum (it can "slam" into particles and change
  565. their motion, for example) which is determined by its wavelength (lambda) in
  566. the equation p = h/lambda (where h = 6.626E(-34) Joules is called Planck's
  567. constant). A photon of wavelength lambda thus has an energy given by E = p*c
  568. = h*c/lambda, even though it has no rest mass.
  569.  
  570.  
  571.  
  572. 1.6 Experimental Support for the Theory
  573.  
  574.      These amazing consequences of relativity do have experimental
  575. foundations. For example, using atomic clocks and super-sonic jets, we have
  576. been able to confirm the effects of time dilation just as relativity
  577. predicts. Another experimental confirmation involves the creation of
  578. particles called muons by cosmic rays (from the sun) in the upper
  579. atmosphere. These muons then travel at very fast speeds towards the earth.
  580. In the rest frame of a muon, its life time is only about 2.2E-6 seconds.
  581. Even if the muon could travel at the speed of light, it could still go only
  582. about 660 meters during its life time. Because of that, they should not be
  583. able to reach the surface of the Earth. However, it has been observed that
  584. large numbers of them do reach the Earth. From our point of view, time in
  585. the muon's frame of reference is running slowly, since the muons are
  586. traveling very fast with respect to us. So the 2.2E-6 seconds are slowed
  587. down, and the muon has enough time to reach the earth.
  588.      We must also be able to explain the result from the muon's frame of
  589. reference. In its point of view, it does have only 2.2E-6 seconds to live.
  590. However, the muon would say that it is the Earth which is speeding toward
  591. the muon. Therefore, the distance from the top of the atmosphere to the
  592. Earth's surface is length contracted. Thus, from the muon's point of view,
  593. it lives a very small amount of time, but it doesn't have that far to go.
  594. This is an interesting point of Relativity--the physical results (e.g. the
  595. muon reaches the Earth's surface) must be true for all observers; however,
  596. the explanation as to how it came about can be different for different
  597. frames of reference.
  598.      Another verification of special relativity is found all the time in
  599. particle physics. In particle physics, large accelerators push particles to
  600. speeds very close to the speed of light, and experimenters then cause those
  601. particles to strike other particles. The results of such collisions can be
  602. understood only if one uses the momentum and energy equations which were
  603. predicted by relativity (for example, one must take the total energy of the
  604. particle to be E = gamma*m*c^2, which was predicted by relativity).
  605.      These are only a few examples that give credibility to the theory of
  606. relativity. Its predictions have turned out to be true in many cases, and to
  607. date, no evidence exists that would tend to undermine the theory in the
  608. areas where it applies.
  609.  
  610.      In the above discussion of relativity's effects on space and time we
  611. have specifically mentioned length contraction and time dilation. However,
  612. there is a little more to it than that, and the next section attempts to
  613. explain this to some extent.
  614.  
  615.  
  616.  
  617.  
  618.  
  619. Chapter 2: Space-Time Diagrams
  620.  
  621.      In this section we examine certain constructions known as space-time
  622. diagrams. After a short look at why we need to discuss these diagrams, I
  623. will explain what they are and what purpose they serve. Next we will
  624. construct a space-time diagram for a particular observer. Then, using the
  625. same techniques, we will construct a second diagram to represent the
  626. coordinate system for a second observer who is moving with respect to the
  627. first observer. This second diagram will show the second observer's frame of
  628. reference with respect to the first observer; however, we will also switch
  629. around the diagram to show what the first observer's frame of reference
  630. looks like with respect to the second observer. Finally, we will compare the
  631. concepts these two observers have of future and past, which will make it
  632. necessary to first discuss a diagram known as a light cone.
  633.  
  634.  
  635.  
  636. 2.1 What are Space-Time Diagrams?
  637.  
  638.      In the previous section we talked about the major consequences of
  639. special relativity, but now I want to concentrate more specifically on how
  640. relativity causes a transformation of space and time. Relativity causes a
  641. little more than can be understood by simple notions of length contraction
  642. and time dilation. It actually results in two different observers having two
  643. different space-time coordinate systems. The coordinates transform from one
  644. frame to the other through what is known as a Lorentz Transformation.
  645. Without getting deep into the math, much can be understood about such
  646. transforms by considering space-time diagrams.
  647.  
  648.  
  649.  
  650. 2.2 Time as Another Dimension
  651.  
  652.      One of the first points to make as we begin discussing space-time
  653. diagrams is that we are treating time as another dimension along with the
  654. three dimensions of space. Generally, people aren't used to thinking of time
  655. as just another dimension, but doing so allows us to truly understand how
  656. relativity works. So, how do we represent time as just another dimension?
  657.      Obviously we can't actually picture four dimensions all at once (three
  658. of space and one of time). Our minds are limited to picturing the three
  659. dimensions of space that we are used to dealing with. However, we can
  660. consider one or two dimensions of space and then use another dimension of
  661. space to represent time.
  662.      To see how this can work, consider Diagram 2-1. There you see a film
  663. strip on which each frame represents a moment in time. As you watch a film,
  664. you see each moment in time presented one right after another, and this
  665. gives the impression of seeing time pass. If we cut the film up into frames
  666. then we can stack the frames flat, evenly spaced, and one on top of the
  667. other (as shown in the diagram). Then each frame is a two dimensional
  668. representation of space and as you move through the third dimension you go
  669. up the stack, and each frame you pass represents another point in time.
  670. Thus, we have a three dimensional stack which represents two dimensions of
  671. space and the third dimension represents time.
  672.  
  673.                                  Diagram 2-1
  674.  
  675.            |o|---------|o|
  676.            |o|*        |o|                           ___________
  677.            |o|         |o|                   ^      /*         /
  678.            |o|         |o|  5                |     /          /
  679.            |o|         |o|                   |    /          /   5
  680.            |o|         |o|                   |   /          /
  681.            |o|---------|o|                   |  /__________/
  682.            |o|         |o|                   |       ___________
  683.            |o|  *      |o|                   |      /          /
  684.            |o|         |o|  4                |     /  *       /
  685.            |o|         |o|                 T |    /          /   4
  686.            |o|         |o|                   |   /          /
  687.            |o|---------|o|                 I |  /__________/
  688.            |o|         |o|                   |       ___________
  689.            |o|         |o|                 M |      /          /
  690.            |o|    *    |o|  3                |     /          /
  691.            |o|         |o|                 E |    /    *     /   3
  692.            |o|         |o|                   |   /          /
  693.            |o|---------|o|                   |  /__________/
  694.            |o|         |o|                   |       ___________
  695.            |o|         |o|                   |      /          /
  696.            |o|         |o|  2                |     /          /
  697.            |o|      *  |o|                   |    /          /   2
  698.            |o|         |o|                   |   /       *  /
  699.            |o|---------|o|                   |  /__________/
  700.            |o|         |o|                   |       ___________
  701.            |o|         |o|                   |      /          /
  702.            |o|         |o|  1                |     /          /
  703.            |o|         |o|                   |    /          /   1
  704.            |o|        *|o|                   |   /          /
  705.            |o|---------|o|                      /_________*/
  706.                 Film
  707.  
  708.  
  709.      Note too that in the diagram the film shows a ball moving from one
  710. corner of the screen to the other. However, in the three dimensional stack,
  711. the ball now follows a three dimensional path through space-time. In four
  712. dimensional space-time, objects which we see moving in time through three
  713. dimensional space are following a four-dimensional path through space-time.
  714. On space-time diagrams, paths you draw represent objects moving through
  715. space as time passes, but we'll see more about that later in the chapter.
  716.      Further, consider an event such as "the ball reaches the far corner of
  717. the screen." That is a single event--it occurs at one moment in time and at
  718. one particular place in space. On our diagram, it is a single point (it is a
  719. spot represented by the ball which is on the upper most frame in the stack).
  720. Any single event which occurs is represented by a single point on a
  721. space-time diagram.
  722.      And so, a space-time diagram gives us a means of representing events
  723. which occur at different locations and at different times. Every event is
  724. portrayed as a point somewhere on the space-time diagram.
  725.      Now, because of relativity, different observers which are moving
  726. relative to one another will have different coordinates for any given event.
  727. However, with space-time diagrams, we can picture these different coordinate
  728. systems on the same diagram, and this allows us to understand how they are
  729. related to one another.
  730.  
  731.  
  732.  
  733. 2.3 Basic Information About the Diagrams we will Construct
  734.  
  735.      In Diagram 2-1 we saw how one can use three dimensions to represent two
  736. dimensions of space and one of time, but for simplicity the diagrams we use
  737. will be two dimensional--one of space and one of time. We will consider the
  738. one dimension of space to be the x direction. So, the space-time diagram
  739. consists of a coordinate system with one axis to represent space (the x
  740. direction) and another to represent time. Where these two principal axes
  741. meet is the origin. This is simply a point in space that we have defined as
  742. x = 0 and a moment in time that we have defined as t = 0. In Diagram 2-2
  743. (below) I have drawn these two axes and marked the origin with an o.
  744.      For certain reasons we want to define the units that we will use for
  745. distances and times in a very specific way. Let's define the unit for time
  746. to be the second. This means that moving one unit up the time axis will
  747. represent waiting one second of time. We then want to define the unit for
  748. distance to be a light second (the distance light travels in one second). So
  749. if you move one unit to the right on the x axis, you will be considering a
  750. point in space that is one light second away from your previous location. In
  751. Diagram 2-2, I have marked the locations of the different space and time
  752. units (Note: In my ASCII diagrams, I am using four spaces to represent one
  753. unit along the x axis and two character heights to represent one unit on the
  754. time axis).
  755.      With these units, it is interesting to note how a beam of light is
  756. represented in our diagram. Consider a beam of light leaving the origin and
  757. traveling to the right. One second later, it will have traveled one light
  758. second away. Two seconds after it leaves it will have traveled two light
  759. seconds away, and so on. So a beam of light will always make a line at an
  760. angle of 45 degrees to the x and t axes. I have drawn such a light beam in
  761. Diagram 2-3.
  762.  
  763.               Diagram 2-2                           Diagram 2-3
  764.  
  765.                 t                                       t
  766.                 ^                                       ^
  767.                 |                                       |       light
  768.                 +                                       +       /
  769.                 |                                       |     /
  770.                 +                                       +   /
  771.                 |                                       | /
  772.        -+---+---o---+---+---> x                -+---+---o---+---+-> x
  773.                 |                                       |
  774.                 +                                       +
  775.                 |                                       |
  776.                 +                                       +
  777.                 |                                       |
  778.  
  779.  
  780.  
  781.  
  782.  
  783. 2.4 Constructing One for a "Stationary" Observer
  784.  
  785.      At this point, we want to decide exactly how to represent events on
  786. this coordinate system for a particular observer. First note that it is
  787. convenient to think of any particular space-time diagram as being
  788. specifically drawn for one particular observer. For Diagram 2-2, that
  789. particular observer (let's call him the O observer) is the one whose
  790. coordinate system has the vertical time axis and horizontal space axis shown
  791. in that diagram. Now, other frames of reference (which don't follow those
  792. axes) can also be represented on this same diagram (as we will see).
  793. However, because we are used to seeing coordinate systems with horizontal
  794. and vertical axes, it is natural to think of this space-time diagram as
  795. being drawn specifically with the O observer in mind. In fact, we could say
  796. that in this space-time diagram, the O observer is considered to be "at
  797. rest".
  798.      So if the O observer starts at the origin, then one second later he is
  799. still at x = 0 (because he isn't moving in this coordinate system). Two
  800. seconds later he is still at x = 0, etc. If we look at the diagram, we see
  801. that this means he is always on the time axis in our representation.
  802. Similarly, any lines drawn parallel to the t axis (in this case, vertical
  803. lines) will represent lines of constant position. If a second observer is
  804. not moving with respect to the first, and this second observer starts at a
  805. position two light seconds away to the right of the first, then as time
  806. progresses he will stay on the vertical line that runs through x = 2.
  807.      Next we want to figure out how to represent lines of constant time. We
  808. might first find a point on our diagram that represents an event which
  809. occurs at the same time as, say, the origin (t = 0). To do this we will use
  810. a method that Einstein used. First we choose a point on the t axis which
  811. occurred prior to t = 0. Let's use an example where this point occurs at t =
  812. -3 seconds. At that time we send out a beam of light in the positive x
  813. direction. If the beam bounces off of a distant mirror at t = 0 and heads
  814. back toward the t axis, then it will come back to the us at t = 3 seconds.
  815. We know this because (1) it will have traveled for three seconds away from
  816. us, (2) it will have the same distance to travel back to us in our frame of
  817. reference, and (3) according to relativity it must travel at the same speed,
  818. c, going AND coming back. Thus, it must take three seconds to get back to us
  819. as well which means it reaches as at the time t = 3 seconds. So, if we send
  820. out a beam at t = -3 seconds and it returns at t = 3 seconds, then the event
  821. "it bounced off the mirror" occurred simultaneously with the time t = 0 at
  822. the origin.
  823.      To use this on our diagram, we first pick the two points on the t axis
  824. that mark t = -3 and t = 3 (let's call these points A and B respectively).
  825. We then draw one light beam leaving from A in the positive x direction. Next
  826. we draw a light beam coming to B in the negative x direction. Where these
  827. two beams meet (let's call this point C) marks the point where the original
  828. beam bounces off the mirror. Thus the event marked by C is simultaneous with
  829. t = 0 (the origin). A line drawn through C and o will thus be a line of
  830. constant time. All lines parallel to this line will also be lines of
  831. constant time. So any two events that lie along one of these lines truly
  832. occur at the same time in this frame of reference. I have drawn this
  833. procedure in Diagram 2-4, and you can see that the x axis is the line
  834. through both o and C which is a line of simultaneity (as one might have
  835. expected).
  836.      Note that the event marked by C is not seen by the O observer (who,
  837. remember, is represented by the t axes because he sits at x = 0) at the
  838. moment it happens (t = 0) but it is seen once light from C reaches the O
  839. observer (which is the point marked B). However, because of the way we did
  840. the experiment, we know that in this frame of reference, C truly did happen
  841. simultaneously with the origin, o. This just goes to illustrate, as
  842. discussed in Section 1.1, that when I say that two events happened
  843. simultaneously in some frame of reference, I am not talking about when they
  844. are seen by some observer in that frame. Rather, I am talking about when
  845. they actually occur in that frame of reference. On our diagrams, events are
  846. represented at their actual space-time locations relative to one another,
  847. and in a particular frame of reference that means that we show exactly when
  848. and where the event occurred (not "observed" but truly occurred) in that
  849. frame.
  850.      Now, by constructing a set of simultaneous time lines and constant
  851. position lines we will have a grid on our space-time diagram. Any event has
  852. a specific location on the grid which tells where and when it occurs in this
  853. frame of reference. In Diagram 2-5 I have drawn one of these grids and
  854. marked an event (@) that occurred 3 light seconds away to the left of the
  855. origin (x = -3) and 1 second before the origin (t = -1).
  856.  
  857.              Diagram 2-4                           Diagram 2-5
  858.  
  859.                 t
  860.                 |
  861.                 B                                        t
  862.                 | \                          |   |   |   |   |   |
  863.                 +   \                     ---+---+---+---+---+---+---
  864.                 |     \                      |   |   |   |   |   |
  865.                 +       \                 ---+---+---+---+---+---+---
  866.                 |         \                  |   |   |   |   |   |
  867.        -+---+---o---+---+---C- x          ---+---+---+---o---+---+--- x
  868.                 |         /                  |   |   |   |   |   |
  869.                 +       /                 ---@---+---+---+---+---+---
  870.                 |     /                      |   |   |   |   |   |
  871.                 +   /                     ---+---+---+---+---+---+---
  872.                 | /                          |   |   |   |   |   |
  873.                 A
  874.                 |
  875.  
  876.  
  877.  
  878.  
  879.  
  880. 2.5 Constructing One for a "Moving" Observer
  881.  
  882.      Now comes an important addition to our discussion of space-time
  883. diagrams. The coordinate system we have drawn will work fine for any
  884. observer who is not moving with respect to the O observer. Now we want to
  885. construct a coordinate system for an observer who IS traveling with respect
  886. to the O observer. The trajectories of two such observers have been drawn in
  887. Diagram 2-6 and Diagram 2-7. Notice that in our discussion we will usually
  888. consider moving observers who pass by the O observer at the time t = 0 and
  889. at the position x = 0. Thus, the origin will mark the event "the two
  890. observers pass by one another".
  891.      Now, the traveler in Diagram 2-6 is moving slower than the one in
  892. Diagram 2-7. You can see this because in a given amount of time (distance
  893. along the t axis), the Diagram 2-7 traveler has moved further away from the
  894. time axis than the Diagram 2-6 traveler. So the faster a traveler moves, the
  895. more slanted this line becomes.
  896.  
  897.               Diagram 2-6                           Diagram 2-7
  898.  
  899.                  t                                      t
  900.                  |  /                                   |    /
  901.                  +                                      +   /
  902.                  | /                                    |  /
  903.                  +                                      + /
  904.                  |`                                     |/
  905.         -+---+---o---+---+--- x                -+---+---o---+---+- x
  906.                 ,|                                     /|
  907.                  +                                    / +
  908.                / |                                   /  |
  909.                  +                                  /   +
  910.               /  |                                 /    |
  911.  
  912.  
  913.      What does this line actually represent? Well, remember that the line
  914. marks the position of our observer at different times on our diagram. But,
  915. also, consider an object sitting right next to our moving observer. If a few
  916. seconds later the object is still sitting right next to him (practically on
  917. that line), then, in his point of view, the object has not moved. So, the
  918. line is a line of constant position for the moving observer. Nothing on that
  919. line is moving with respect to him. But that means that this line represents
  920. the same thing for the moving observer as the t axis represented for the O
  921. observer; and in fact, this line becomes the moving observer's new time
  922. axis. We will mark this new time axis as t' (t-prime). All lines parallel to
  923. this slanted line will also be lines of constant position for our moving
  924. observer.
  925.      Now, just as we did for the O observer, we want to construct lines of
  926. constant time for our traveling observer. To do this, we will use the same
  927. method that we did for the O observer. The moving observer will send out a
  928. light beam at some time t'= -T, and the beam will bounce off some mirror so
  929. that it returns to him at time t'= +T. Now remember, light travels at the
  930. same speed in any direction for ALL observers, so our traveling observer
  931. must conclude that the light beam took the same amount of time traveling out
  932. as it did coming back in his frame of reference. If in his frame the light
  933. left at t'= -T and returned at t'= +T, then the point at which the beam
  934. bounces off the mirror must have occurred simultaneously with the origin,
  935. where t'= t = 0, in the frame of reference of our moving observer.
  936.      There is a very important point to note here. What if instead of light,
  937. we wanted to throw a ball at 0.5 c, have it bounce off some wall, and then
  938. return at the same speed (0.5 c). The problem with this is that to find a
  939. line of constant time for the moving observer, the ball must travel at 0.5 c
  940. BOTH WAYS in the reference frame of the MOVING observer. But we have not yet
  941. defined the coordinate system for the moving observer, so we do not know
  942. what a ball moving at 0.5 c with respect to him will look like on our
  943. diagram. However, because of relativity, we know that the speed of light
  944. itself CANNOT change from one observer to the next. In that case, a beam of
  945. light traveling at c in the frame of the moving observer will also be
  946. traveling at c for the O observer. So, a line which makes a 45 degree angle
  947. with respect to the x and t axes will ALWAYS represent a beam of light
  948. traveling at speed c for ANY observer in ANY frame of reference.
  949.      In Diagram 2-8, I have labeled a point A' on the t' axes which occurs
  950. some amount of time before t'= 0 and a point B' which occurs the same amount
  951. of time after t'= 0. I then drew the two light rays (remember, these are "45
  952. degree angle" lines) as before--one leaving from A and going to the right,
  953. and one moving to the left and coming in to B. I then found the point where
  954. they would meet (C') which marks the point where the ray from A' would have
  955. had to bounce in order to get back to the moving observer at B'. Thus, C'
  956. and o occur at the same time in the frame of the moving observer. Notice
  957. that for the O observer, C' is above his line of simultaneity at o (the x
  958. axis). So while the moving O' observer says that C' occurs when the two
  959. observers pass (at the origin), the O observer says that C' occurs after the
  960. two observers have passed by one another. We will further discuss this
  961. difference in the concepts of future and past in Section 2.8.
  962.      In Diagram 2-9, I have drawn a line passing through C' and o. This line
  963. represents the same thing for our moving observer as the x axis did for the
  964. O observer. So we label this line x'.
  965.  
  966.               Diagram 2-8                          Diagram 2-9
  967.  
  968.                   t                                    t     t'
  969.                   |    /                               |    /
  970.                   +   B'                               +   /
  971.                   |  /  \                              |  /       __--x'
  972.                   + /     C'                           + /   __C'-
  973.                   |/    /                              |/__--
  974.      -+---+---+---o---/---+---+- x        -+---+---+-__o---+---+---+- x
  975.                  /| /                         *  __-- /|
  976.                 / /                          __--    / +
  977.                // |                        --       /  |
  978.               A'  +                                /   +
  979.              /    |                               /    |
  980.  
  981.  
  982.      From the geometry involved in finding this x' axis, we can state a
  983. general rule for finding the x' axis for any moving observer. First recall
  984. that the t' axis is the line that represents the moving observer's position
  985. on the space-time diagram. The faster O' is moving with respect to O, the
  986. greater the angle between the t axis and the t' axis. So the t' axis is
  987. rotated away from the t axis at some angle (either clockwise or
  988. counterclockwise, depending on the direction O' is going--right or left).
  989. The x' axis is then a line rotated at the same angle away from the x axis,
  990. but in the opposite direction (counterclockwise or clockwise).
  991.      Now, x' is a line of constant time for O', and any line drawn parallel
  992. to x' is also a line of constant time. Such lines, along with the lines of
  993. constant position, form a grid of the space-time coordinates for the O'
  994. observer. I have tried my best to draw such a grid in Diagram 2-10. If you
  995. squint your eyes while looking at that diagram, you can see the skewed
  996. squares of the coordinate grid. You can see that if you pick a point on the
  997. space-time diagram, the two observers with their two different coordinate
  998. systems will disagree on when and where the event occurs.
  999.  
  1000.                                 Diagram 2-10
  1001.  
  1002.                                           t'
  1003.                        +-----------------/-------+
  1004.                        | /  /_-/""/  /__/-"/  / _|
  1005.                        |/-"/  / _/--/" /  /_-/""/|
  1006.                        |  /_-/""/  /__/-"/  / _/-->x'
  1007.                        |"/  / _/--/" /  /_-/""/  |
  1008.                        |/_-/""/  /__o-"/  / _/--/|
  1009.                        |  / _/--/" /  /_-/""/  /_|
  1010.                        |-/""/  /__/-"/  / _/--/" |
  1011.                        |/ _/--/" /  /_-/""/  /__/|
  1012.                        |""/  /__/-"/  / _/--/" / |
  1013.                        +-------------------------+
  1014.  
  1015.  
  1016.      As a final note about this procedure, think back to what really made
  1017. these two coordinate systems look differently. Well, the only thing we
  1018. assumed in creating these systems is that the speed of light is the same for
  1019. all observers. In fact, this is the only reason that the two coordinate
  1020. systems look the way they do.
  1021.  
  1022.  
  1023.  
  1024. 2.6 A Quick Comparison of the two Observers
  1025.  
  1026.      For a moment, I want to go back and compare the two observers in
  1027. Diagram 2-8. Consider how the O observer would explain the experiment done
  1028. by the O' observer. First note that in the coordinate system used by the O
  1029. observer, the point marked C' is above the x axis. This means that in the O
  1030. observer's frame of reference, C' happens after the origin (when the two
  1031. observers pass by one another). However, we concluded that for O' the C'
  1032. event happens at the same time as the two observers are passing one another.
  1033. What does that mean?
  1034.      Look at the parts of the experiment O' did (including the actions of O'
  1035. and the events A', B', and C') as they appear in the O observer's frame. In
  1036. that frame, O' sends out a light signal when his own clock reads t' = -T,
  1037. but note also that he is moving along with that signal (according to O). The
  1038. distance between them changes slowly at the beginning according to O because
  1039. O' is moving along with the signal in the same direction. Then, according to
  1040. O, the two observers pass by one another. Next, the C' event happens and the
  1041. light bounces back toward the two observers. In the frame of the O observer,
  1042. the O' observer is now racing towards the light beam, and so the distance
  1043. between them is changing very quickly. Finally, the light beam reaches O' as
  1044. his clock is ticking t' = +T.
  1045.      So, we see that in the O frame of reference, because O' is moving along
  1046. with the light before C' and is moving towards the light after C' that means
  1047. C' has to happen after the "half way point" (when the two observers pass one
  1048. another).
  1049.      HOWEVER, relativity says that O' cannot agree with that analysis. In
  1050. the frame of O', it is the O observer who is moving. Further, O' cannot
  1051. agree that the distance between him and the light is changing slowly before
  1052. C' and quickly after C'. Why can't he agree? Well, because then he would
  1053. measure the speed of the light in his frame of reference and find it to be
  1054. different going away from him than it is coming back to him. As discussed in
  1055. Section 1.2, relativity dictates that for ANY inertial observer, when he
  1056. measures the speed of light he MUST find the speed to be c--ALWAYS, and in
  1057. ALL directions. If O' has to find that the light is traveling at the same
  1058. speed going and coming back, then O' also has to conclude that in his frame
  1059. C' really, truly happens at the same time as the origin (when and where the
  1060. two observers pass one another). O' thus has a different coordinate system
  1061. than O, and he measure space and time differently.
  1062.      And so, in one frame of reference C' really, truly happens after the
  1063. two observers pass one another, but in another frame of reference C' really,
  1064. truly happens and the same time the two observer's pass. We find that the
  1065. notion of simultaneity is relative, and we will discuss this further in just
  1066. a bit.
  1067.      Next, though, I want to address a possibility you might be thinking
  1068. right now. That is, why can't it simply be that O' is just wrong in
  1069. interpreting things as he does and that O is correct. One might want to
  1070. claim that the reason O' is confused is that he is moving while O is not.
  1071. But next we will see that we can interchange the two observers, and it
  1072. becomes obvious that there is no absolute way to claim that one of them is
  1073. the "correct" observer.
  1074.  
  1075.  
  1076.  
  1077. 2.7 Interchanging "Stationary" and "Moving"
  1078.  
  1079.      In our understanding of space-time diagrams, we need to incorporate the
  1080. idea that all reference frames that are not accelerating are considered
  1081. equivalent and that all motion is relative. By this I mean that O was
  1082. considered as the stationary observer only because we defined him as such.
  1083. Remember? We said that this it is natural to think of the diagram being
  1084. drawn specifically for the observer whose coordinate system is drawn with
  1085. vertical and horizontal axes. We then said that we can think of that
  1086. observer (O) to be considered "at rest" in this diagram. Then, when I called
  1087. O' the moving observer, I meant that he was moving with respect to O.
  1088.      However, we should just as easily be able to define O' as the
  1089. stationary observer. Then, to him, O is moving away from him to the left.
  1090. Then, we should be able to draw the t' and x' axes as the vertical and
  1091. horizontal lines, while the t and x axes become the rotated lines. I have
  1092. done this in Diagram 2-11. By examining this diagram, you can confirm that
  1093. it makes sense to you in light of our discussion thus far. (For example,
  1094. picture grabbing the x' and t' axes in Diagram 2-9 and rotating them around
  1095. the origin until they are horizontal and vertical lines. If x and t follow
  1096. your rotation, then you can see how they would end up as they are drawn in
  1097. Diagram 2-11.)
  1098.  
  1099.                                 Diagram 2-11
  1100.  
  1101.                                   t'
  1102.                                   |
  1103.                             t     B'
  1104.                              \    | \
  1105.                               \   +   \
  1106.                                \  |     \
  1107.                                 \ +       \
  1108.                                  \|         \
  1109.                        ---+---+---o---+---+---C'- x'
  1110.                                   | ""__    /
  1111.                                   +     ""--
  1112.                                   |     /   ""_C
  1113.                                   +   /         ""--x
  1114.                                   | /
  1115.                                   A'
  1116.                                   |
  1117.  
  1118.  
  1119.      I have also included in Diagram 2-11 the experiment that O' did in
  1120. which he decided how to draw the x' axis, and you can see that it now looks
  1121. just like the experiment O did when his x and t axes were the horizontal and
  1122. vertical lines. Further in Diagram 2-11 you can see that the experiment done
  1123. by the O observer now looks like the one which has incorrectly concluded
  1124. that C occurs at the same time the two observers are passing one another.
  1125.      Thus, you can see that we can completely interchange the concept of
  1126. which observer is moving and which is sitting still, and as a result we must
  1127. conclude that neither frame of reference is any "better" than the other.
  1128. When O concludes that C occurs simultaneous with o, he is REALLY, TRULY
  1129. correct for his frame of reference. Also, when O' concludes that it is C'
  1130. which occurs simultaneous with o, he is also REALLY, TRULY correct for his
  1131. frame of reference. The notion of simultaneity is not absolute, but REALLY,
  1132. TRULY depends on your frame of reference. To understand why this doesn't
  1133. cause contradictions, we go to the next section in which we discuss the
  1134. notion of future and past with relativity in mind.
  1135.  
  1136.  
  1137.  
  1138. 2.8 "Future", "Past", and the Light Cone
  1139.  
  1140.      For the later FTL discussions, it will be important to understand the
  1141. way different observers have different notions concerning the future and the
  1142. past. This difference comes about because of the way the different
  1143. coordinate systems of the two observers compare to one another.
  1144.      First, let me note that with what we have discussed we cannot make a
  1145. complete comparison of the two observers' coordinate systems. You see, we
  1146. have not seen how the lengths which represents one unit of space and time in
  1147. the reference frame of O compare with the lengths representing the same
  1148. units in O'. This will be covered in the Part II: More on Special Relativity
  1149. (which is "optional" for those of you just interested in the faster than
  1150. light discussions). We can, however, compare the observers' notions of
  1151. future and past.
  1152.      Back on Diagram 2-9, in addition to the O and O' space and time axes, I
  1153. also marked a particular event with a star, "*". Recall that for O, any
  1154. event on the x axis occurs at the same time as the origin (the place and
  1155. time that the two observers pass each other). Since the marked event appears
  1156. under the x axis, then O must find that the event occurs before the
  1157. observers pass each other in his frame. Also recall that for O', those
  1158. events on the x' axis are the ones that occur at the same time the observers
  1159. are passing. Since the marked event appears above the x' axis, O' must find
  1160. that the event occurs after the observers pass each other in his frame. So,
  1161. when and where events occur with respect to other events is completely
  1162. dependent on ones frame of reference. Note that this is not a question of
  1163. when the events are seen to happen in different frames of reference, but it
  1164. is a question of when they really do happen in the different frames (recall
  1165. our discussion of reference frames in Section 1.1). So, how can this make
  1166. sense? How can one event be both in the future for one observer and in the
  1167. past for another observer. To better understand why this situation doesn't
  1168. contradict itself, we need to look at one other construction typically shown
  1169. on a space-time diagram.
  1170.      In Diagram 2-12 I have drawn two light rays, one which travels in the
  1171. +x direction and another which travels in the -x direction. At some negative
  1172. time, the two rays were headed towards x = 0. At t = 0, the two rays finally
  1173. get to x = 0 and cross paths (at the origin). As time progresses, the two
  1174. then speed away from x = 0. This construction is known as a light cone.
  1175.  
  1176.                                 Diagram 2-12
  1177.  
  1178.                                  t
  1179.                                  ^
  1180.                                  |         light
  1181.                          \       +       /
  1182.                            \   inside  /
  1183.                              \   +   /
  1184.                       outside  \ | /  outside
  1185.                       ---+---+---o---+---+---> x
  1186.                                / | \
  1187.                              /   +   \
  1188.                            /   inside  \
  1189.                          /       +       \
  1190.                                  |
  1191.  
  1192.  
  1193.      A light cone divides a space-time diagram into two major sections: the
  1194. area inside the cone and the area outside the cone (as shown in Diagram 2-12
  1195. ). (Let me mention here that I will specifically call the cone I have drawn
  1196. "a light cone centered at the origin", because that is where the two beams
  1197. meet.) Now, consider an observer who has been sitting at x = 0 (like our O
  1198. observer) and is receiving and sending signals at the moment marked by x =
  1199. 0, t = 0 (at the origin). Obviously, if he sends out a signal, it proceeds
  1200. away from x = 0 into the future, and the event marked by someone receiving
  1201. the signal would be above the x axis (in his future). Also, if he is
  1202. receiving signals at t = 0 , then the event marked by someone sending the
  1203. signal would have to be under the x axis (in his past). Now, if it is
  1204. impossible for anything to travel faster than light, then the only events
  1205. occurring before t = 0 that the observer can know about at the moment are
  1206. those that are inside the light cone. Also, the only future events (those
  1207. occurring after t = 0) that he can influence are, again, those inside the
  1208. light cone.
  1209.      Now, one of the most important things to note about a light cone is
  1210. that its position is the same for all observers (because the speed of light
  1211. is the same for all observers). For example, picture taking the skewed
  1212. coordinate system of the moving observer and superimposing it on the light
  1213. cone I have drawn (note: a diagram which shows this view will be given in
  1214. Part II: More on Special Relativity). If you were to move one unit "down"
  1215. the x' axis (a distance that represents one light second for our moving
  1216. observer), and you move one unit "up" the t' axes (one second for our moving
  1217. observer), then the point you end up at should lie somewhere on the light
  1218. cone. In effect, a light cone will always look the same on our diagram
  1219. regardless of which observer is drawing the cone.
  1220.      This fact has great importance. Consider different observers who are
  1221. all passing by one another at some point in space and time. In general, they
  1222. will disagree with each other on when and where different events had and
  1223. will occur. However, if you draw a light cone centered at the point where
  1224. they are passing each other, then they will ALL agree as to which events are
  1225. inside the light cone and which events are outside the light cone. So,
  1226. regardless of the coordinate system for any of these observers, the
  1227. following facts remain: The only events that any of these observers can ever
  1228. hope to influence are those which lie inside the upper half of the light
  1229. cone. Similarly, the only events that any of these observers can know about
  1230. as they pass by one another are those which lie inside the lower half of the
  1231. cone. Since the light cone is the same for all the observers, then they all
  1232. agree as to which events can be known about as they are passing and which
  1233. can be influenced at some point after they pass.
  1234.      Now let's apply this to the observers and event in Diagram 2-9. As you
  1235. can see, the marked event is indeed outside the light cone. Because of this,
  1236. even though the event is in one observer's past at the time in question (t =
  1237. t'= 0), he cannot know about the event at the time. Also, even though the
  1238. event is in the other observer's future at the time, he can never have an
  1239. effect on the event after. In essence, the event (when it happens, where it
  1240. happens, how it happens, etc.) is of absolutely no consequence for these two
  1241. observers at the time in question. As it turns out, anytime you find two
  1242. observers who are passing by one another and an event which one observer's
  1243. coordinate system places in the past and the other observer's coordinate
  1244. system places in the future, then the event will always be outside of the
  1245. light cone centered at the point where the observers pass.
  1246.      But doesn't this relativistic picture of the universe still present an
  1247. ambiguity in the concepts of past and future? Perhaps philosophically it
  1248. does, but not physically. You see, the only time you can see these
  1249. ambiguities is when you are looking at the whole space-time picture at once.
  1250. If you were one of the observers who is actually viewing space and time,
  1251. then as the other observer passes by you, your whole picture of space and
  1252. time can only be constructed from events that are inside the lower half of
  1253. the light cone. If you wait for a while, then eventually you can get all of
  1254. the information from all of the events that were happening around the time
  1255. you were passing the other observer. From this information, you can draw the
  1256. whole space-time diagram, and then you can see the ambiguity. But by that
  1257. time, the ambiguity that you are considering no longer exists. So the
  1258. ambiguity can never actually play a part in any physical situation. Finally,
  1259. remember that this is only true if nothing can travel faster than the speed
  1260. of light.
  1261.  
  1262.      Well, that concludes our introduction to special relativity and
  1263. space-time diagrams. The next section deals with these concepts with more
  1264. detail; however, if the reader wishes to skip to the FTL discussion, the
  1265. information provided in the above sections should be enough to follow that
  1266. discussion.
  1267.  
  1268.  
  1269.