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/ ftp.pasteur.org/FAQ/ / ftp-pasteur-org-FAQ.zip / FAQ / Star-Trek / relativity_FTL / part4 < prev   
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Internet Message Format  |  2004-05-15  |  78.4 KB

  1. Path: senator-bedfellow.mit.edu!bloom-beacon.mit.edu!ra.nrl.navy.mil!chiapp19.algx.com!allegiance!news-out.visi.com!petbe.visi.com!news.octanews.net!newsfeed-east.nntpserver.com!nntpserver.com!border1.nntp.dca.giganews.com!nntp.giganews.com!atl-c02.usenetserver.com!news.usenetserver.com!peer01.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 IV  (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: Faster Than Light Travel--Concepts and Their \"Problems\"
  9. Approved: news-answers-request@MIT.EDU
  10. Lines: 1339
  11. Message-ID: <Uw1pc.148091$f_5.49677@lakeread01>
  12. Date: Fri, 14 May 2004 10:51:32 GMT
  13. NNTP-Posting-Host: 68.227.220.12
  14. X-Complaints-To: abuse@cox.net
  15. X-Trace: lakeread01 1084531892 68.227.220.12 (Fri, 14 May 2004 06:51:32 EDT)
  16. NNTP-Posting-Date: Fri, 14 May 2004 06:51:32 EDT
  17. Xref: senator-bedfellow.mit.edu rec.arts.startrek.tech:171412 rec.answers:87009 news.answers:271275
  18.  
  19. Archive-name: star-trek/relativity_FTL/part4
  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 IV: Faster Than Light Travel--Concepts and Their "Problems"
  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 IV of the "Relativity and FTL Travel" FAQ. It discusses
  39. the various problems involved with FTL travel and how they apply to
  40. particular FTL concepts. This part of the FAQ is written under the
  41. assumption that the reader understands the concepts discussed in Part I of
  42. this FAQ which should be distributed with this document.
  43.      For more information about this FAQ (including copyright information
  44. and a table of contents for all parts of the FAQ), see the Introduction to
  45. the FAQ portion which should be distributed with this document.
  46.  
  47.  
  48. Contents of Part IV:
  49. Chapter 6: Introduction to the FTL Discussion
  50.      6.1 A Few Notes On The Meaning of FTL Travel
  51. Chapter 7: The First Problem: The Light Speed Barrier
  52.      7.1 Effects as One Approaches the Speed of Light
  53. Chapter 8: The Second Problem: FTL, Causality, and Unsolvable Paradoxes
  54.      8.1 What is Meant Here by Causality and Unsolvable Paradoxes
  55.      8.2 How FTL Travel Implies Violation of Causality
  56.      8.3 How We Get Unsolvable Paradoxes
  57. Chapter 9: FTL Concepts with these Problems in Mind
  58.      9.1 Tachyons (Without Special Provisions)
  59.      9.2 Using a Special Field/Space/etc. (W/o Special Provisions)
  60.      9.3 "Folding" Space (Without Special Provisions)
  61.      9.4 Space-Time Manipulation (Without Special Provisions)
  62.      9.5 Special Provisions
  63.           9.5.1 Parallel Universes
  64.           9.5.2 Consistency Protection
  65.           9.5.3 "Producing" Restricted Space-Time Areas
  66.           9.5.4 A Special Frame of Reference for the purpose of FTL Travel
  67. Chapter 10: Some Comments on FTL Travel in Star Trek
  68.      10.1 Which Provision is Best for Explaining Warp Travel
  69.      10.2 Subspace as a Special Frame of Reference
  70.      10.3 The "Picture" this Gives Us of Warp Travel
  71.      10.4 Some Notes on Non-Warp FTL Travel and Time Travel in Trek
  72.      10.5 To sum up...
  73. Chapter 11: Conclusion
  74.  
  75.  
  76.  
  77.  
  78.  
  79. Chapter 6: Introduction to the FTL Discussion
  80.  
  81.      The following discussion completes the purpose of this FAQ by
  82. considering faster than light travel with relativity in mind. After this
  83. brief introduction, I will discuss the general problems associated with FTL
  84. travel. These problems will apply differently to different FTL concepts, but
  85. I need to go over the general idea behind the problems first. After this
  86. general discussion of the problems, we will consider their applications to
  87. specific FTL concepts. We will also consider possible, conceptual
  88. "solutions" to the particular problem that seems to plague all FTL concepts.
  89. Finally, because this FAQ is written for the rec.arts.startrek.tech
  90. newsgroup, I will go over some notes and arguments for why "warp" drive
  91. should be explained in a particular way in order to get around the FTL
  92. problems and give us what is seen on the show.
  93.  
  94.  
  95.  
  96. 6.1 A Few Notes On The Meaning of FTL Travel
  97.  
  98.      Before we begin the discussion, I wanted to go over the basic idea of
  99. what we mean by FTL travel. To do so, we should start by noting that most of
  100. space-time through which we would want to travel is fairly flat. For those
  101. who have not read Part III of this FAQ, that means that special relativity
  102. describes the space-time fairly well without having resorting to general
  103. relativity (which applies when a gravitational field is present). Sources of
  104. gravity are few and far between, and even if you travel "close" to one, it
  105. would have to be a significant source of gravity in order to destroy our
  106. flat space-time approximation. Now, some FTL travel concepts we consider
  107. will involve using certain areas of space-time which are not flat (and I
  108. will go over them when we get there); however, the important thing for us is
  109. that all around these non-flat areas, the space-time can be approximated
  110. fairly well as being flat.
  111.      Thus, for our purposes, we can use the following to describe FTL
  112. travel. Consider some observer traveling from point A to point B. At the
  113. same time this observer leaves A, a light beam is sent out towards the
  114. destination, B. This light travels in the area of fairly flat space-time
  115. outside of any effects that might be caused by the method our observer uses
  116. to travel from A to B. If the observer ends up at B in time to see the light
  117. beam arrive, then the observer is said to have traveled "faster than light".
  118.      Notice that with this definition we don't care where the observer is
  119. when he or she does the traveling. Also, if some space-time distortion is
  120. used to drive the ship, then even if the ship itself doesn't move faster
  121. than light within that distortion, the ship still travels faster than the
  122. light which is going through the normal, flat space-time that is not
  123. effected by the ship's FTL drive. Thus, this ship still fits our definition
  124. of FTL travel.
  125.      So, with this basic definition in mind, let's take a look at the
  126. problems involved with FTL Travel.
  127.  
  128.  
  129.  
  130.  
  131.  
  132. Chapter 7: The First Problem: The Light Speed Barrier
  133.  
  134.      In this section we discuss the first thing (and in some cases the only
  135. thing) that comes to mind for most people who consider the problem of faster
  136. than light travel. I call it the light speed barrier. As we will see by
  137. considering ideas discussed in Part I, Chapter 1 of this FAQ, light speed
  138. seems to be a giant, unreachable wall standing in our way. I note that
  139. various concepts for FTL travel may deal with this problem, but here we
  140. simply want to talk about the problem in general.
  141.  
  142.  
  143.  
  144. 7.1 Effects as One Approaches the Speed of Light
  145.  
  146.      To begin, consider two observers, A and B. Let A be here on Earth and
  147. be considered at rest for now. B will be speeding past A at a highly
  148. relativistic speed as he (B) heads towards some distant star. If B's speed
  149. is 80% that of light with respect to A, then gamma for him (as defined in
  150. Section 1.4) is 1.6666666... = 1/0.6. So from A's frame of reference, B's
  151. clock is running slow and B's lengths in the direction of motion are shorter
  152. by a factor of 0.6. If B were traveling at 0.9 c, then this factor becomes
  153. about 0.436; and at 0.99 c, it is about 0.14. As the speed gets closer and
  154. closer to the speed of light, A will see B's clock slow down infinitesimally
  155. slow, and A will see B's lengths in the direction of motion becoming
  156. infinitesimally small.
  157.      In addition, If B's speed is 0.8 c with respect to A, then A will see
  158. B's energy as a factor of gamma larger than his rest-mass energy (Note, I
  159. use an equation for energy here defined in Section 1.5, Equation 1:8):
  160.  
  161.   (Eq 7:1)
  162.    E(of B in A's frame)  =  gamma*m(B)*c^2  =  1.666*[m(B)*c^2]
  163.  
  164. where m(B) is the mass of observer B. At 0.9 c and 0.99 c this factor is
  165. about 2.3 and 7.1 respectively. As the speed gets closer and closer to the
  166. speed of light, A will see B's Energy become infinitely large.
  167.      Obviously, from A's point of view, B will not be able to reach the
  168. speed of light without stopping his own time, shrinking to nothingness in
  169. the direction of motion, and taking on an infinite amount of energy.
  170.      Now let's look at the situation from B's point of view, so we will now
  171. consider him to be at rest. First, notice that the sun, the other planets,
  172. the nearby stars, etc. are not moving very relativistically with respect to
  173. the Earth; so we will consider all of these to be in the same frame of
  174. reference. Remember that to A, B is traveling past the earth and toward some
  175. nearby star. However, in B's frame of reference, the earth, the sun, the
  176. other star, etc. are the ones traveling at highly relativistic velocities
  177. with respect to him. So to him the clocks on Earth are running slow, the
  178. energy of all those objects becomes greater, and the distances between the
  179. objects in the direction of motion become smaller.
  180.      Let's consider the distance between the Earth and the star to which B
  181. is traveling. From B's point of view, as the speed gets closer and closer to
  182. that of light, this distance becomes infinitesimally small. So from his
  183. point of view, he can get to the star in practically no time. (This explains
  184. how A seems to think that B's clock is practically stopped during the whole
  185. trip when the velocity is almost c. B notices nothing odd about his own
  186. clock, but in his frame the distance he travels is quite small.) If (in B's
  187. frame) that distance shrinks to zero as his speed with respect to A goes to
  188. the speed of light, and he is thus able to get there instantaneously, then
  189. from B's point of view, c is the fastest possible speed.
  190.  
  191.      From either point of view, it seems that the speed of light cannot be
  192. reached, much less exceeded. This, then, is the "light speed barrier", but
  193. most concepts people have in mind for producing FTL travel explicitly deal
  194. with this problem (as we will see). However, the next problem isn't
  195. generally as easy to get away with, and it probably isn't as well known
  196. among the average science fiction fan.
  197.  
  198.  
  199.  
  200.  
  201.  
  202. Chapter 8: The Second Problem: FTL, Causality, and Unsolvable Paradoxes
  203.  
  204.      In this section we will explore a problem with FTL travel that doesn't
  205. always seem to get consideration. The problem involves ones ability to
  206. violate causality in certain frames of reference with the use of FTL travel.
  207. While this in itself doesn't necessarily make FTL travel impossible, the
  208. ability to go further and produce an unsolvable paradox would make the FTL
  209. travel prospect logically self contradictory. So, I will start by discussing
  210. the meaning of causality and the problems of an unsolvable paradox. I will
  211. then try to show how any form of FTL travel will produce violation of the
  212. causality principle. Finally, I will explain how, without special provisions
  213. being in place, FTL travel can go further to produce an unsolvable paradox.
  214.  
  215.  
  216.  
  217. 8.1 What is Meant Here by Causality and Unsolvable Paradoxes
  218.  
  219.      The principle of causality is fairly straight forward. According to
  220. causality, if there is some effect which is produced by some cause, then the
  221. cause must precede the effect. So, if for some observer (in some frame of
  222. reference) an effect truly happens before its cause occurs, then causality
  223. is violated for that observer. Now, recall our discussion in Section 1.1
  224. concerning when occurrences happen in a frame of reference. There I took a
  225. moment to explain that when I talk about the order of events in some frame
  226. of reference, I mean their actual order, and not necessarily the order in
  227. which they are seen. One can imagine a situation whereby I could first
  228. receive light from the effect and later receive light from the cause.
  229. However, This might be because the effect is simply much closer to me than
  230. the cause (so that light takes less time to travel from the effect I
  231. observer, and I see it first). After I take into account the time it took
  232. the light to travel from each event, then I will find the order in which the
  233. events truly occurred, and this will determine whether or not there is a
  234. true violation of causality in my frame. This true violation of causality is
  235. what I will be talking about, NOT some trick concerning when observers see
  236. events, but a concept concerning the actual order of the events in some
  237. frame of reference.
  238.      Now, one can argue that the idea of causality violation doesn't
  239. necessarily destroy logic. The idea seems odd--to have an effect come first,
  240. and then have the cause occur--but it doesn't have to produce a
  241. self-contradictory situation. An unsolvable paradox, however, is a
  242. self-contradictory situation. It is a situation which logically forbids
  243. itself from being. Thus, when one shows that a particular set of
  244. circumstances allows for an unsolvable paradox, then one can argue that
  245. those circumstances must logically be impossible.
  246.  
  247.  
  248.  
  249. 8.2 How FTL Travel Implies Violation of Causality
  250.  
  251.      I refer you back to Diagram 2-9 (reproduced below as Diagram 8-1) so
  252. that I can demonstrate the causality problem involved with FTL travel. There
  253. you see two observers passing by one another.
  254.  
  255.                                  Diagram 8-1
  256.                             (Copy of Diagram 2-9)
  257.  
  258.                                     t     t'
  259.                                     |    /
  260.                                     +   /
  261.                                     |  /       __--x'
  262.                                     + /   __C'-
  263.                                     |/__--
  264.                        -+---+---+-__o---+---+---+- x
  265.                            *  __-- /|
  266.                           __--    / +
  267.                         --       /  |
  268.                                 /   +
  269.                                /    |
  270.  
  271.  
  272. The origin marks the place and time where the two observers are right next
  273. to one another. The x' and t' axes are said to represent the frame of
  274. reference of O' (I'll use Op--for O-prime--so that I can easily indicate the
  275. possessive form of O as O's and the possessive form of O' as Op's). The x
  276. and t axes are then the reference frame of the O observer. We consider the O
  277. system to be our rest system, while the Op observer passes by O at a
  278. relativistic speed. As you can see from the two coordinate systems, the two
  279. observers measure space and time in different ways. Now, consider again the
  280. event marked "*". Cover up the x and t axis and look only at the Op system.
  281. In this system, the event is above the x' axis. If the Op observer at the
  282. origin could look left and right and see all the way down his space axis
  283. instantaneously, then he would have to wait a while for the event "*" to
  284. occur. Now cover up the Op system and look only at the O system. In this
  285. system, the event is below the x axis. So to O, the event has already
  286. occurred by the time the two observers are passing one another.
  287.      Normally, this fact gives us no trouble. If you draw a light cone (as
  288. discussed in Section 2.8) through the origin, then the event will be outside
  289. of the light cone. As long as no signal can travel faster than the speed of
  290. light, then it will be impossible for either observer to know about or
  291. influence the event. So even though it is in one observer's past, he cannot
  292. know about it, and even though it is in the other observer's future, he
  293. cannot have an effect on it. This is how relativity saves its own self from
  294. violating causality.
  295.      However, consider the prospect of FTL travel with this diagram in mind.
  296. As O and Op pass by one another, the event "*" has not happened yet in Op's
  297. frame of reference. Thus, if he can send an FTL signal fast enough, then he
  298. should be able to send a signal (from the origin) which could effect "*".
  299. However, in O's frame, "*" has already occurred by the time O and Op pass by
  300. one another. This means that the event "Op sends out the signal which
  301. effects *" occurs after the event which it effects, "*", in O's frame. For
  302. O, The effect precedes the cause. Thus, the signal which travels FTL in Op's
  303. frame violates causality for O's frame. Similarly, since "*" has already
  304. occurred in O's frame when O and Op pass one another, then in his frame an
  305. FTL signal could be sent out from "*" which could reach O and tell him about
  306. the event as the two observer's past. However, for Op, the event "O learns
  307. about * as O and Op pass one another" comes before * itself. Thus, the
  308. signal which is FTL in O's frame violates causality in Op's frame.
  309.      In short, for any signal sent FTL in one frame of reference, another
  310. frame of reference can be found in which that signal actually traveled
  311. backwards in time, thus violating causality in that frame.
  312.      Notice that in this example I never mentioned anything about how the
  313. signal gets between the origin and *. I didn't even require that the signal
  314. be "in our universe" when it was "traveling" (remember our definition of FTL
  315. travel in Section 6.1). The only things I required were that (1) the
  316. signal's "sending" and "receiving" were events in our universe and (2) the
  317. space-time between the origin and "*" is flat (i.e. it is correctly
  318. described by special relativity diagrams). Some FTL ideas may invalidate the
  319. second assumption, but we will consider them a bit later. We will find,
  320. however, that violation of causality still follows from all the FTL travel
  321. concepts.
  322.  
  323.  
  324.  
  325. 8.3 How We Get Unsolvable Paradoxes
  326.  
  327.      As I mentioned before, violations of causality (as strange as they may
  328. be) do not have to truly, logically contradict themselves. However, it isn't
  329. too difficult to show (starting with the above arguments) that FTL travel
  330. can be used to produce an unsolvable paradox (a situation which contradicts
  331. its own existence). As a note, in the past I have called such situations
  332. "gross" violations of causality.
  333.      I'll illustrate the point with an example (again referring to Diagram
  334. 8-1) Remember we said that as O and Op pass, Op can send an FTL message out
  335. (from his frame of reference) which effects "*". However, rather than having
  336. him send a message out, let's say that Op sends out a bullet that travels
  337. faster than the speed of light. This bullet can go out and kill someone
  338. light-years away in only a few hours (for example) in Op's frame of
  339. reference. So, say he fires this bullet just as he passes by O. Then the
  340. death of the victim can be the event (*). Now, in O's frame of reference,
  341. the victim is already dead ("*" has occurred) when Op passes by. This means
  342. that another observer (stationary in O's frame) who was at the position of
  343. the victim when the victim was shot could have sent an FTL signal just after
  344. the victim's death, and that signal could reach O before Op passed by him.
  345. So O can know that Op will shoot his gun as they pass each other.
  346.      To intensify the point I will make, we can let the signal which was
  347. sent to O be a picture of the victim, or even an ongoing video signal of the
  348. victim's body. Thus, O has evidence of the victim's death before Op has
  349. fired the weapon (a plain ol' violation of causality). However, at this
  350. point O can decide to stop Op from firing the gun. But if the bullet doesn't
  351. go out, and the victim never dies, then why (and how) would a video
  352. signal/picture of the victim's dead body ever be sent to O? And yet, O has
  353. that video/picture.
  354.      In the end, it is the death of the victim which causes O to prevent the
  355. victim's death, and that is a self contradicting situation. Thus, if there
  356. are no special provisions (which we will discuss later ) FTL travel will not
  357. only allow violation of causality, but it can also produce unsolvable
  358. paradoxes.
  359.      At this point, I want to clearly list the various events which must
  360. happen to produce an unsolvable paradox in our "FTL bullet" example. Through
  361. the rest of our FTL discussion, this will be helpful as a reference listing.
  362.  
  363. Event Listing and Comments:
  364.  
  365.   1. As observers O and Op pass by one another (as they are shown in Diagram
  366.      8-1) Op uses some method to send out an FTL bullet from his reference
  367.      frame. The event "O and Op pass one another" will be called the
  368.      "passing event" from here on.
  369.   2. The bullet strikes and kills a victim who's death is the event marked
  370.      "*" in Diagram 8-1. This event occurs after the passing event in Op's
  371.      frame of reference, but it occurs before the passing event in O's
  372.      frame.
  373.   3. A third observer is at the victim's side as he dies and thus he
  374.      witnesses the death. This third observer is stationary in O's frame of
  375.      reference (i.e. his frame is the same as O's), so the victims death
  376.      ("*") occurs before the passing event (when the bullet was fired) in
  377.      this third observer's frame. Thus, the third observer has witnessed a
  378.      result which comes from an event in his future--he has information
  379.      about a future event in his frame of reference.
  380.   4. The third observer sends this information about the future to O using
  381.      an FTL signal, and in the third observer's frame of reference, O can
  382.      receive this information before the passing event occurs (and thus
  383.      before the bullet is fired).
  384.   5. O receives the message and learns of the victims death before the
  385.      bullet is fired. He thus knows about the bullet being fired--an event
  386.      in his own future which will occur at his very location.
  387.   6. O uses this information to prevent Op from firing the bullet, thus
  388.      causing a self-inconsistent situation--an unsolvable paradox.
  389.  
  390.      It is important to note that the real crux of this problem does not
  391. come from the form of the FTL travel used, but from the relationship between
  392. the two, ordinary frames of reference for observers (O and Op) who never
  393. themselves travel FTL. This ordinary relationship (determined by relativity)
  394. can be demonstrated through experiments today, and as long as the exact same
  395. experiments can be performed in the future to yield the same results, then
  396. this argument must still hold. This is the power of this problem, and we
  397. will see that the special provisions we will discuss later must concern
  398. themselves with the ability of the observers to use the relationship between
  399. themselves in order to produce unsolvable paradoxes. Thus, the provisions
  400. will not be specifically concerned with the form of FTL travel used or the
  401. future theories which might suggest FTL travel, because the problem we have
  402. discussed here will be present regardless of either of these considerations.
  403.  
  404.      And so, we have discussed the two problems which arise with FTL travel.
  405. Our next job is to consider various, specific FTL concepts in light of these
  406. problems. If your not interested in the discussion of the various forms of
  407. FTL travel, and you want to take my word for it that they will all suffer
  408. from the problem discussed above, then you may want to skip to the "Special
  409. Provisions" section.. I'll leave that to the reader.
  410.  
  411.  
  412.  
  413.  
  414.  
  415. Chapter 9: FTL Concepts with these Problems in Mind
  416.  
  417.      Next, we want to ask about how one might try to get around these
  418. problems. Many of you have heard of ideas which get around the light speed
  419. barrier problem. For example, if we can do our traveling in some other,
  420. parallel "space", then we won't be bothered by the light speed barrier in
  421. our own space. However, these ideas have a much harder time getting around
  422. the second problem. In fact, to get around the second problem, we will see
  423. that special provisions will have to be made.
  424.      Therefore, the format of this discussion will involve the following.
  425. First, we will look at the various concepts which exist for possibly
  426. allowing FTL travel. I will show how each of them allows one to get around
  427. the light speed barrier problem, and I will explain how (without special
  428. provisions) none of them can bypass the second problem--producing unsolvable
  429. paradoxes. Finally, I will introduce some special provisions (beyond the
  430. basic assumptions made for the FTL concepts) and show how one can imagine
  431. using these provisions in conjunction with some of the FTL concepts to get
  432. around the second problem.
  433.  
  434.  
  435.  
  436. 9.1 Tachyons (Without Special Provisions)
  437.  
  438.      Tachyons are hypothetical/theoretical particles which would travel FTL.
  439. The concept of the tachyon attempts to get around the infinite energy
  440. requirements which the light speed barrier problem poses on a particle as it
  441. approaches the speed of light. This was accomplished by demanding that the
  442. particle have certain characteristics which we will discuss here.
  443.  
  444.      First, consider the energy and momentum. Recall that we can write the
  445. energy (E) and the momentum (p) of a particle of mass m as expressed in
  446. Equation 1:8 and Equation 1:6 which are duplicated here:
  447.  
  448.   (Eq 9:1--Copy of Eq 1:8)
  449.    E  =  gamma * m * c^2
  450.  
  451.  
  452.   (Eq 9:2--Copy of Eq 1:6)
  453.    p  =  gamma * m * v
  454.  
  455. Where gamma is defined in Equation 1:5 as gamma = 1/(1 - v^2/c^2)^0.5. From
  456. this we find that |p*c|/|E| = |v|/|c|, which is greater than 1 if v is
  457. greater than c. We can thus write
  458.  
  459.   (Eq 9:3)
  460.    E^2 < p^2*c^2  (for an FTL particle).
  461.  
  462.  
  463. But since we can also express the energy squared as defined in Equation 1:7:
  464.  
  465.   (Eq 9:4--Copy of Eq 1:7)
  466.    E^2  =  p^2 * c^2  +  m^2 * c^4
  467.  
  468. we find that the only way to get E^2 < p^2*c^2 is if the mass squared is
  469. negative (because then m^2*c^2 reduces the sum in Equation 9:4). The mass
  470. would then be the square root of a negative number, and such an obviously
  471. unreal number is called an imaginary number (imaginary numbers may seem odd,
  472. but they have important uses in mathematics). In general we express such
  473. imaginary numbers as a product of a real number multiplied by something that
  474. symbolizes the imaginary square-root of negative one: i = sqrt(-1). So, the
  475. mass of a tachyon is imaginary. Further, from the equation for gamma, we
  476. find that it too is imaginary if v is greater than c, but it is also
  477. negative because we have the i in the denominator of gamma, and 1/i = -i.
  478. (We can show this as follows: start with 1/i = 1/sqrt(-1) and multiply and
  479. divide the right-hand side by sqrt(-1) (which doesn't change the value): i =
  480. sqrt(-1)/(sqrt(-1)*sqrt(-1)). The top of that equation is just i, and the
  481. bottom is sqrt(-1)^2 = -1. Thus 1/i = i/(-1) = -i.) That would mean that
  482. from Equation 9:1, the energy would still be a real, positive number
  483. (because to get E we multiply the i in the imaginary m by the -i in gamma to
  484. get -i^2 = -(sqrt(-1)^2) = -(-1) = +1). The same would be true for the
  485. momentum, p = gamma*m*v.
  486.      I would like to note that I have read elsewhere that the energy would
  487. be negative for a tachyon, but this doesn't seem to be the case.
  488.      The final interesting property of tachyons I will mention comes from
  489. noting that as their velocity increases, the value of their gamma will
  490. become a smaller, negative, imaginary number (because when v/c > 1,
  491. 1/sqrt(1-v^2/c^2) is a negative, imaginary number that decreases as v gets
  492. larger). That means that the value of a tachyons energy will decrease as the
  493. speed of the tachyon increases--or in other words, as the tachyon loses
  494. energy, it gains speed. One result of this is that if a charged tachyon were
  495. to exist, then because it would travel faster than light, it would give off
  496. a radiation known as Cherenkov radiation. This would take energy away from
  497. the tachyon and cause it to go faster and faster, continually giving off
  498. more and more energy. Neutral tachyons, however, wouldn't do this.
  499.  
  500.      In any case, we can consider the possibility that tachyons exist and
  501. always travel faster than light. They then never have to cross the light
  502. speed barrier, and they do not have infinite energy (but their mass is
  503. imaginary and their energy decreases as their velocity increases). However,
  504. they still cause trouble because of the second problem--if you can use them
  505. for FTL communication, they can be used to create unsolvable paradoxes using
  506. the same arguments as we used in our "FTL bullet" example.
  507.      To explore the question of using tachyons for FTL communication, one
  508. can apply quantum mechanics to the energy equation of the tachyon. What one
  509. finds is that either (1) the tachyons cannot be localized, or (2) the actual
  510. effects of a tachyon cannot themselves move faster than light. In either of
  511. these cases, the tachyon cannot be used to produce an FTL signal.
  512.      A third idea would also allow the tachyon to exist without the
  513. possibility of using the tachyon to send FTL signals. The basic idea is that
  514. there would be no way to distinguish between the situation through which you
  515. could receive a tachyon and the situation though which you could transmit a
  516. tachyon. To show what I mean, consider Diagram 8-1 yet again. From the O
  517. frame of reference, a tachyon could be sent "from" * and "to" the origin.
  518. However, as long as you cannot distinguish between the transmitter and the
  519. receiver, then the Op observer could reinterpret this as a tachyon being
  520. sent "from" the origin "to" *. Neither, then, will believe that the tachyon
  521. went backwards in time. Obviously, there is no way for a message to be sent
  522. (because then you could identify the sender and decide which way the tachyon
  523. "really" went), and it wouldn't be quite right to call this FTL travel.
  524. However, it would allow tachyons to exist (though uselessly) without causing
  525. any problems.
  526.      And so, we find that with tachyons, one of the following must be true:
  527.  
  528.   1. Tachyons do not exist,
  529.   2. Tachyons exist but cannot be used to send FTL signals, or
  530.   3. Tachyons exist and can be used to send FTL signals, but some special
  531.      provision will keep anyone from using them to produce an unsolvable
  532.      paradox.
  533.  
  534.  
  535.  
  536. 9.2 Using a Special Field/Space/etc. (W/o Special Provisions)
  537.  
  538.      This next concept is often found in FTL travel methods of science
  539. fiction. The basic idea is that a ship (for example) can use a special field
  540. or travel in another space/dimension in order to "leave" the physics of our
  541. universe and thus not be limited by the speed of light.
  542.      Again, we see that this concept is basically designed to get around the
  543. light speed barrier problem; however, it doesn't deal very well with the
  544. problem of producing unsolvable paradoxes.
  545.      Though the FTL observer or signal which travels using this concept
  546. would leave the realm of our physics, the relationship between two observers
  547. (like O and Op) who stayed behind (within the realm of our physics) would
  548. not be effected. This means (if you recall the points made earlier about the
  549. "second problem") that the arguments for producing an unsolvable paradox
  550. must still hold (unless there are special provisions), because those
  551. arguments were based on the relationship between the two observers who
  552. themselves never traveled FTL (and thus never left the realm of our
  553. physics).
  554.      Thus, we very quickly see that with any such methods (as long as no
  555. special provisions apply) one can produce an unsolvable paradox.
  556.  
  557.  
  558.  
  559. 9.3 "Folding" Space (Without Special Provisions)
  560.  
  561.      Another concept which pops into the minds of science fiction lovers
  562. when considering FTL travel is that of "folding" space. Basically, the idea
  563. is to bring two points in space closer together in some way so that you can
  564. travel between them quickly without having to "actually" travel faster than
  565. light. Of course, by our definition of FTL travel in Section 6.1 (where the
  566. light you are "racing" against goes through normal space between the
  567. starting and ending points) this would still be considered FTL travel.
  568.      A frequently used approach for picturing this idea is to think of two
  569. dimensions of space represented by a flat sheet of paper. Then consider
  570. yourself at some point on the paper (call this point "o"). If you want to
  571. travel to some distant point ("D"), you simply fold/bend/crumple/etc the
  572. paper and place "o" and "D" close to one another. Then its just a matter of
  573. traveling the now short distance between the points.
  574.      Again, we see an FTL concept which is built in order to get around the
  575. problem of the light speed barrier. However, we will see, once again, that
  576. the second problem of FTL travel is not so easily fixed.
  577.      We begin to understand this when we consider again the sheet of paper
  578. discussed above. Every object in that two dimensional space has a place on
  579. the paper. However, because objects may be moving, their position depends on
  580. the time at which you are considering them. Basically, if you are sitting at
  581. "o", you imagine every point on that sheet of paper as representing space as
  582. it is "right now" according to your frame of reference. However, as we have
  583. discussed, what is going on "right now" at a distant location TRULY depends
  584. on your frame of reference. Two observers at "o" in two different frames of
  585. reference will have two different ideas of what events should be represented
  586. on the paper as going on "right now". This difference in simultaneity
  587. between different frames of reference is what allowed for the "unsolvable
  588. paradox" problem to exist in the first place. Thus, even though you "fold"
  589. the paper so that you don't "actually" travel faster than light, you don't
  590. change the fact that you are connecting two events at distant points (your
  591. departure and your arrival) which in another frame of reference occur in the
  592. opposite order. (In the other frame of reference, you aren't just bending
  593. space, you're bending space-time such that you travel backwards in time.) It
  594. is that fact which allowed the unsolvable paradoxes to be produced.
  595.      In the end, unless special provisions are present, one can use this
  596. form of FTL travel in our FTL bullet example (I refer you back to the
  597. listing of events in Section 8.3). Op will fold space in his frame of
  598. reference to connect the passing event with the event "*", while the third
  599. observer will fold space from his frame of reference to connect the event
  600. "he sees the victim die" with an event "O learns of the victims death before
  601. the FTL bullet is sent". Thus, you can used this method to produce an
  602. unsolvable paradox as we discussed earlier.
  603.  
  604.  
  605.  
  606. 9.4 Space-Time Manipulation (Without Special Provisions)
  607.  
  608.      The final concept we will discuss before looking at special provisions
  609. is what I call space-time manipulation. The idea is to change the
  610. relationship between space and time in a particular region so that the
  611. limitation of light speed no longer applies. This is basically confined to
  612. the realm of general relativity (though the more simplified concept of
  613. "changing the speed of light" can also be handled by the arguments in this
  614. section). We won't worry too much about the particulars of how GR can be
  615. used to produce the necessary space-time, because the arguments that will be
  616. made will apply regardless of how you manipulate space-time in the region of
  617. interest.
  618.      There are two general types of space-time manipulation to consider. The
  619. first I will call "localized", because the space-time that is effected is
  620. that surrounding your ship (or whatever it is that is traveling FTL). A
  621. basic example of this is the idea for FTL travel is presented in a paper by
  622. Miguel Alcubierre of the University of Wales (the paper is available via the
  623. world wide web (URL=http://arXiv.org/abs/gr-qc/0009013)). In the paper,
  624. Alcubierre describes a way of using "exotic matter" (matter with certain
  625. properties which may or may not exist) to change the space time around a
  626. ship via general relativity. This altered space-time around the ship not
  627. only keeps the ship's clock ticking just as it would have if the ship
  628. remained "stationary" (in its original frame of reference), but it also
  629. "drives" the ship to an arbitrarily fast speed (with respect to the original
  630. frame of reference of the ship before it activated the FTL drive).
  631.      The second type is thus "non-localized", and it involves the
  632. manipulation of space-time which at least effects the departure and arrival
  633. points in space-time (and perhaps effects all the space-time between). A
  634. basic example of this is the idea of a wormhole. A wormhole is another
  635. general relativity concept. Again, exotic matter is used, but here
  636. space-time is effected so that two distant locations in space are causally
  637. connected. You can enter one "mouth" of the wormhole and exit from the other
  638. very distant "mouth" so as to travel FTL (by our definition in Section 6.1).
  639.      Both of these concepts get around the light speed barrier problem, but
  640. again we will argue the case for the problems with unsolvable paradoxes. To
  641. do this, we will first carefully describe the situation in which a couple of
  642. FTL trips will occur. Let's call the starting point of the first trip "A". B
  643. will then be the destination point of that trip. Also, consider a point (C)
  644. which is some distance to the "right" of B ("right" being defined by an
  645. observer traveling from A to B), and finally consider a corresponding point
  646. (D) which is to the right of A. Diagram 9-1 uses two dimensions of space (no
  647. time is shown in this diagram) to depict the situation (at least from some
  648. particular frame of reference).
  649.  
  650.                                  Diagram 9-1
  651.  
  652.                                 y
  653.                                 |
  654.                                 | A          B
  655.                                 |
  656.                                 | D          C
  657.                                 |
  658.                                 +--------------x
  659.                       (x and y are spatial dimensions)
  660.  
  661.  
  662.      Now, let's go back to the FTL bullet example through which we first
  663. explained the unsolvable paradox problem. In this case, the FTL bullet
  664. travels from A to B through space-time manipulation. (The event "the bullet
  665. leaves A" is event (1) in our list from Section 8.3). This means that all
  666. the space-time along the bullet's path between A and B might be affected by
  667. the space-time manipulation. Thus, we can no longer assume (after the
  668. bullet's trip) that a space-time diagram such as those we have drawn (which
  669. only apply to special relativity, not GR) will still apply. However, the
  670. space between D and C does not have to be effected by the FTL drive. Because
  671. of that we can make our argument by considering the following events:
  672.  
  673.    * (a) Op sends an FTL bullet from A to B (using space-time manipulation)
  674.      as the "passing event" occurs
  675.    * (b) The bullet strikes and kills a victim at B (event "*" in Diagram
  676.      8-1).
  677.    * (c) The third observer witnesses the death. However, now (because the
  678.      FTL travel of the bullet may have changed the space-time between A and
  679.      B, we can no longer assume that our space-time diagram of the situation
  680.      is correct. It may be that with the changed space-time, this third
  681.      observer's frame of reference no longer has the victim's death
  682.      occurring before the passing event. However, we can continue as
  683.      follows:
  684.    * (d) The third observer sends a signal over to C using ordinary
  685.      (slower-than-light) means.
  686.    * (e) An observer at C sends an FTL signal to D. Since the space-time
  687.      between C and D need not be effected by the bullet's FTL travel, our
  688.      space-time diagrams can be applied.
  689.    * (f) An observer at D receives the signal before event (a) (and thus
  690.      before the bullet effected any space-time).
  691.    * (g) The observer at D can now send a signal over to O, and O can
  692.      receive it before (a) occurs.
  693.  
  694.      The above events show that even though the space-time may be changed
  695. between A and B during the bullet's trip, the O observer can still know
  696. about and use the fact that the victim was killed in order to prevent the
  697. victims death. We use the same arguments we did in the section concerning
  698. the "second problem" (Section 9.1 ), except that the two FTL portions (the
  699. bullet and the signal from the third observer) are sent from two different
  700. locations so that neither is affected by the other's effects on space-time.
  701. Thus, as long as there are no special provisions, this form of FTL travel
  702. will still allow for unsolvable paradoxes.
  703.  
  704.  
  705.  
  706. 9.5 Special Provisions
  707.  
  708.      Thus far, we have seen that the second problem is not easily gotten
  709. around using any FTL concept. However, we have also insisted during our
  710. arguments that none of these FTL concepts include "special provisions". The
  711. specific provisions we were referring to will be discussed here. Basically,
  712. these are ideas which allow one to bypass the second problem in some way,
  713. and the ideas are generally not specific to any one form of FTL travel. They
  714. don't require that you bend space-time in some way or that you travel in
  715. some other universe or that you be made of some specific form of matter when
  716. you do your FTL traveling. What they do require is for the universe itself
  717. to have some particular property(ies) which, in conjunction with whatever
  718. form of FTL travel you use, will prevent unsolvable paradoxes.
  719.      There are four basic types of provisions, but we can express the
  720. general idea behind them all before we look at each one specifically. Recall
  721. that in producing the unsolvable paradox in our "FTL bullet" example, there
  722. was a series of events listed, each of which had to occur to produced the
  723. paradox. The provisions simply require that at least one of these events be
  724. prevented from occurring. With the first and second provisions we will
  725. discuss, no restrictions necessarily have to be placed on the actual FTL
  726. travel, and any of the events (even those not directly dealing with the FTL
  727. travel) can be the "disallowed" event. The other two provisions place
  728. restrictions on the actual FTL travel in certain cases in order to prevent
  729. the unsolvable paradox.
  730.  
  731.  
  732.  
  733. 9.5.1 Parallel Universes
  734.  
  735.      In the first provision, one of the events in our list is not so much
  736. prevented as it is "transferred" to or from another (parallel) universe or
  737. reality. For example, say O has just received the information about the
  738. victim who dies at the "*" event, and O is waiting to stop Op from firing
  739. the FTL bullet. However, before he stops Op, he could find himself
  740. transferred to a parallel universe. In this universe he is able to stop Op
  741. from firing the bullet. The unsolvable paradox is resolved because the
  742. information about the death at "*" was not from the universe in which O
  743. stopped Op. Instead, O brought the information from a very similar parallel
  744. universe when he came over.
  745.      As another example, the bullet which killed the victim could have
  746. appeared from a parallel universe rather than being sent from Op in "our"
  747. universe. In this case, it is the "other universe bullet" which kills the
  748. victim. This bullet could seem to come from Op in our universe, though it
  749. actually came from an Op in the parallel universe. So, O is lead to believe
  750. that the bullet came from his own Op, and O stops Op from firing the FTL
  751. bullet. However, he doesn't prevent the death of the victim because the
  752. bullet which did the killing came from the "other universe Op". Again, the
  753. paradox is resolved.
  754.      Now, in that second case, the FTL bullet wasn't just performing FTL
  755. travel, but was involved with inter-dimensional travel. However, the second
  756. FTL signal in which the information is sent from the third observer to O
  757. (event number 4 in our list) was allowed. Thus, though this provision can
  758. effect the FTL trips, it doesn't have to forbid either of them.
  759.      In the end, as long as one of the events is forced to transfer to or
  760. from a parallel universe, there will be no unsolvable paradox (although why
  761. or how the inter-universe transfer would occur is left unanswered). Also, we
  762. should note that this provision could be applied with any of the FTL
  763. concepts we have discussed in order to allow them to exist without being
  764. self-inconsistent.
  765.  
  766.  
  767.  
  768. 9.5.2 Consistency Protection
  769.  
  770.      The second provision is what I am calling "consistency protection". The
  771. idea is that the universe contains some sort of built-in mechanism whereby
  772. some event in our list of events would not be allowed to occur.
  773.      An example of such a mechanism can be found when we look at the
  774. situation through quantum mechanics. (A theory of Steven Hawking called the
  775. "chronology protection conjecture" (CPC) attempts to do just that--the jury
  776. is still out on this theory, by the way, and will probably be out for a long
  777. time.) In quantum mechanics (QM), we do not think in certain terms of
  778. whether or not an event will occur in the future given everything we can
  779. possibly know about the present. Instead we consider the probability of an
  780. event (or string of events) occurring. One form of consistency protection
  781. would insist that QM prevents the unsolvable paradoxes because the
  782. probability of all the events occurring so as to produce an unsolvable
  783. paradox is identically zero.
  784.      Under this explanation using QM, our bullet example would be resolved
  785. through arguments similar to this: It may be that the Op observer is unable
  786. to produce the FTL bullet (perhaps his FTL gun fails), thus averting the
  787. paradox. If he is able to get the FTL bullet on its way, then perhaps the
  788. bullet will end up missing its mark. If it does hit the victim, then perhaps
  789. the victim's friend will be unable to send an FTL signal back to the O
  790. observer (perhaps his FTL message sender fails). If the signal to O gets
  791. sent, it still might not be received by O. If O receives it, he may be
  792. unable to stop Op from firing the bullet. In any case, this particular QM
  793. explanation would insist that one of these events must not occur, because
  794. the quantum mechanics involved forces the probability of all of the events
  795. occurring to be zero.
  796.      To sum up, this provision requires that some mechanism exists in the
  797. universe that would prevent at least one of the events from occurring so
  798. that the unsolvable paradox does not come about. This mechanism does not
  799. have to specifically target any of the FTL trips/messages which one might
  800. want to make/send, but it could disallow any of the events which must be
  801. present for the unsolvable paradox to occur. We should also note that this
  802. provision (just like the last) can be apply regardless of the FTL concept
  803. used.
  804.  
  805.  
  806.  
  807. 9.5.3 "Producing" Restricted Space-Time Areas
  808.  
  809.      This provision is sort of an extension on the previous one, but its
  810. mechanism specifically targets the FTL travel so as to restrict one of the
  811. FTL trips or messages one must use to produce an unsolvable paradox.
  812. Remember that in the list of events for our FTL bullet example, there were
  813. two different FTL portions (the FTL bullet and the FTL message from the
  814. third observer to O). This provision would cause the sending or receiving of
  815. one of these "messages" to strictly prohibit the sending or receiving of the
  816. other. I will try to illustrate the basic way in which such restrictions
  817. could work to always prevent unsolvable paradoxes. I will then give an
  818. example where this provision is implemented with a particular FTL concept.
  819.      For the illustration, we need to consider each of two possibilities
  820. within our FTL bullet example. In the first possibility, the Op observer is
  821. allowed to send his FTL bullet which strikes the victim, but that FTL trip
  822. must then restrict the third observer's ability to send the FTL message to
  823. O. In the second example, the third observer happens to decide to send some
  824. FTL signals to O at some point before the event "*" (which is the event in
  825. our example that usually marked the victim's death). Now, we let the third
  826. observer continue to send those FTL signals until some point after "*".
  827. Then, if the victim dies at "*" because of the FTL bullet, then since the
  828. third observer is sending FTL signals to O at that point, he would be able
  829. to tell O about the victim's death, and the paradox would still be possible.
  830. Thus, in this second case, the FTL bullet must not be allowed to strike the
  831. victim (the FTL travel of the bullet is restricted because the third
  832. observer sends FTL signals to O).
  833.      So, how would these restrictions work in these two possible cases?
  834. Well, as it turns out, if all unsolvable paradoxes are going to be averted
  835. while only placing restrictions on particular FTL trips, then there must be
  836. a very specific provision in place. To explain this, we will look at both
  837. possible situations, and consider diagrams which explain each one. (Note
  838. that these diagrams are drawn a little differently from Diagram 8-1 so as to
  839. better show the point I am trying to make here.)
  840.  
  841.                                  Diagram 9-2
  842.  
  843.                                       t     t'
  844.                                  .    |    /
  845.                                .      +   /
  846.                              .        |  /       __--x'
  847.        .                   .          + /   __C'-
  848.          .               .            |/__--
  849.       +---+.--+---+---+.--+---+---+-__o---+---+---+- x
  850.              .       .          __--./| .
  851.                .   .        __--  . / +   .
  852.                  *      __--    .  /  |     .
  853.                     __--      .   /   +       .
  854.                 __--        .    /    |         .
  855.        (Case 1--The FTL bullet is allowed to strike at the event "*")
  856.  
  857.  
  858.      In this diagram we mean to illustrate case one in which the FTL bullet
  859. leaves the "passing event" (i.e. the origin, "o") and is "received" by the
  860. victim who immediately dies at event "*". Now, I have also drawn parts of
  861. two light cones (marked with dots). One part is the "upper half light cone
  862. of the event '*'," and the other is the "lower half light cone of the
  863. passing event, 'o'". The upper half light cone of "*" contains all events
  864. which an observer at "*" (like the third observer in our bullet example) can
  865. influence without having to travel FTL. All observers agree that all events
  866. in this area occur some time after "*" (as discussed in Section 2.8). Also,
  867. the lower half light cone of "o" contains all the events which could effect
  868. "o" (which, remember, is the event at which the FTL bullet is sent) through
  869. non-FTL means. Thus, as long as no FTL signal/traveler can leave as an event
  870. in the upper half light cone of "*" and be received as an event in the lower
  871. half light cone of "o", then all unsolvable paradoxes will be averted. There
  872. would be no way for the third observer to witness the death of the victim
  873. and afterwards get a signal to O before the bullet is fired.
  874.      Now, that seems to be straight forward. We just need to make this
  875. provision: When an FTL signal is transmitted as event T, and it is received
  876. as event R, then it must be impossible for any information to be sent as an
  877. event in R's upper ("future") light cone and end up being received as an
  878. event in T's lower ("past") light cone. If the universe restricted FTL
  879. travel in this way, it would be impossible to produce unsolvable paradoxes.
  880.      However, we can see that the matter can get a little complicated when
  881. we consider things from O's frame of reference (which is also the frame of
  882. the third observer). In this frame, after the third observer witnesses the
  883. victim's death at "*", the event "the bullet leaves" hasn't occurred yet. He
  884. might then argue that no FTL signal has yet been sent which would keep him
  885. from sending a FTL message to O. The problem with his argument is that he
  886. has already witnessed the result of the FTL bullet being sent (even if it
  887. hasn't occurred in his frame yet). Thus, any FTL signal he tries to send to
  888. O (in the lower half light cone of the origin/passing
  889. event/bullet-being-fired event) must be prevented from being received by O.
  890.      Ah, but what if he (the third observer) just happened to decide to
  891. start sending FTL signals to O (just to chat) before the bullet strikes the
  892. victim? That leads to our second case. Here, then, is a diagram we will use
  893. to describe this second case.
  894.  
  895.                                  Diagram 9-3
  896.  
  897.                                       t     t'
  898.                           .           |    /
  899.                             .         +   /     .
  900.                               .       |  /    .  __--x'
  901.                                 .     + /   ._C'-
  902.                                   .   |/__.-
  903.       +---+---+---+---+---+---+---+-._o-.-+---+---+- x
  904.                                 __-- /R
  905.                  T          __--    / |
  906.                . * .    __--       /  |
  907.              .   s  _.--          /   +
  908.            .    __--   .         /    |
  909.    (Case 2--The FTL bullet may not be allowed to strike at the event "*")
  910.  
  911.  
  912.      Now, there are a few extra events here. The point "s" marks the point
  913. where the third observer starts sending FTL signals to O while "T" marks the
  914. point where he finishes sending those FTL signals. The point "R" marks the
  915. point where O receives the last message which was sent at "T". Now, here we
  916. have drawn the upper and lower half light cones of interest, and according
  917. to our discussion above, it would be impossible for Op to send his bullet at
  918. the origin, "o" (which is in the upper half light cone of R) and have it
  919. "received" by the victim at "*" (which is in the lower half light cone of
  920. T). So, according to that argument, the bullet doesn't strike while the
  921. third observer is sending FTL signals to O, and so the third observer never
  922. tells O about the victim's death.
  923.      However, this doesn't HAVE to be what happens, and we might just end up
  924. back at the first case. You see, either (1) the signals sent by the third
  925. observer are all successful, and the FTL bullet is restricted from striking
  926. the victim at "*" (that's the second case); or (2) the FTL bullet does
  927. strike the victim at "*" and any FTL signals that the third observer sends
  928. after "*" are restricted from reaching the O observer before the bullet is
  929. fired (this is the first case, even though the third observer was sending
  930. signals to O just before the bullet hit). The obvious question, then, is
  931. "which one of these two cases actually occurs?" The answer happens to be,
  932. "it really doesn't matter." You see, as long as one or the other does occur,
  933. the situation remains self consistent and no self inconsistent paradoxes are
  934. produced. Roll some dice and pick one, if you like, or let some unknown
  935. force decide which happens. It really doesn't matter for our argument. Is
  936. that a bit odd? Yes. Is it self-inconsistent so as to produce unsolvable
  937. paradoxes? No.
  938.      Finally, as example to show this provision in action with a particular
  939. FTL concept, let's consider a case where space-time manipulation is used via
  940. a wormhole. Recall that in our discussion of this FTL concept in Section
  941. 9.4, we showed that one can still produce unsolvable paradoxes. Notice, that
  942. there still must be two FTL parts (we discussed one FTL "trip"--the
  943. bullet--from A to B and another--an FTL message--from C to D). Now, to
  944. prevent the paradox, the existence of the wormhole that allows the bullet to
  945. travel from A to B could forbid the existence of the wormhole that allows
  946. the FTL message to go from C to D. This is a situation where case 1 applies,
  947. and here the way the provision is satisfied comes from the conceptual
  948. ability of one wormhole's existence to forbid the existence of another
  949. wormhole.
  950.  
  951.      And so, we have a provision which simply restricts (in a very
  952. particular way) certain FTL trips because of other FTL trips. We have found
  953. that there doesn't have to be a discernible answer to the question of
  954. whether trip A disallows trip B or trip B disallows trip A, but as long as
  955. it is one case or the other, this provision will keep all situations self
  956. consistent and thus avoid unsolvable paradoxes.
  957.  
  958.  
  959.  
  960. 9.5.4 A Special Frame of Reference for the purpose of FTL Travel
  961.  
  962.      The fourth and final provision is (again) something of an extension to
  963. the previous one. This provision also forbids certain FTL signals, but it
  964. does so in a very specific and interesting way (there will be no question as
  965. to which trips are allowed and which are not). To explain this provision, I
  966. will start by describing a situation through which the provision could be
  967. applied. I will then explain how the provision works, given that particular
  968. situation.
  969.      Now, as I describe the situation, I will use the idea of a "special
  970. field" to implement the "special frame of reference". However, it isn't
  971. necessary to have such a special field to imagine having a special frame of
  972. reference. I am simply using this to produce a clear illustration.
  973.  
  974.      So, join me now on a journey of the imagination. Picture, if you will,
  975. a particular area of space (a rather large area--say, a few cubic
  976. light-years if you like) which is permeated with some sort of field. Let
  977. this field have some very particular frame of reference. Now, in our
  978. imaginary future, say we discover this field, and a way is found to
  979. manipulate the very makeup (fabric, if you will) of this field. When this
  980. "warping" is done, it is found that the field has a very special property.
  981. An observer inside the warped area can travel at any speed he wishes with
  982. respect to the field, and his frame of reference will always be the same as
  983. that of the field. This means that the x and t axes in a space-time diagram
  984. for the observer will be the same as the ones for the special field,
  985. regardless of the observer's motion. In our discussion of relativity, we saw
  986. that in normal space, a traveler's frame of reference depends on his speed
  987. with respect to the things he is observing. However, for a traveler in this
  988. warped space, this is no longer the case.
  989.      For example, consider two observers, A and B, who both start out
  990. stationary in the frame of reference of the field. Under normal
  991. circumstances, if A (who starts out next to B) began to travel with respect
  992. to B, then later turned around and returned to B, A would have aged less
  993. because of time dilation (this is fully explained in Section 4.1 of Part II
  994. if you are interested). However, if A uses the special property of this
  995. field we have introduced, his frame of reference will be the same as B's
  996. even while he is moving. Thus, there will be no time dilation effects, and
  997. A's clock will read the same as B's.
  998.      Now, for the provision we are discussing to work using this special
  999. field, we must require that all FTL travel be done while using this field's
  1000. special property. How will that prevent unsolvable paradoxes? Well, to
  1001. demonstrate how, let's go back to our FTL bullet example and consider one of
  1002. two cases. In case 1, we will let Op's frame of reference be the same as the
  1003. frame of reference of our special field. With this in mind, let's go through
  1004. the events listed in Section 8.3 once again; only this time, we will require
  1005. any FTL travel to use the special property of the field we have discussed.
  1006.      So, here is the new list of events given that the special frame of
  1007. reference of the field is the same as Op's frame. Remember, our new
  1008. provision requires that any FTL trip will have to use the property of our
  1009. special field, thus the object/person/message traveling FTL will be forced
  1010. to take on the frame of reference of our special field (Op's frame in this
  1011. example). (It may be good for you to review the original list before reading
  1012. this one):
  1013.  
  1014.   1. Again (just as in our original argument), as observers O and Op pass by
  1015.      one another, Op uses some method to send out an FTL bullet. This time,
  1016.      as the FTL method is activated, our new provision requires the bullet's
  1017.      frame of reference to become the frame of reference of the special
  1018.      field. However, since Op's frame is the same as that of the special
  1019.      field in the case we are considering, the bullet will still be sent out
  1020.      from Op's frame of reference, just as it was in our original argument.
  1021.   2. Again, the event marked "*" occurs after the "passing event" in Op's
  1022.      frame, so again the bullet can travel FTL to strike and kill a victim
  1023.      at "*", and again that event occurs before the "passing event" in Os
  1024.      frame.
  1025.   3. Again, a third observer (who is in O's frame of reference) witnesses
  1026.      the victim's death, and again the death will have occured before the
  1027.      bullet was sent in his frame of reference. Thus again this third
  1028.      observer will have information about an event which will happen in his
  1029.      future.
  1030.  
  1031. But that is where the "agains" stop. You see, in the original argument event
  1032. (4) was possible in which the third observer sends this information about
  1033. the future to O via an FTL signal. In the frame of reference of O (and the
  1034. third observer), that FTL signal could be sent after the victim's death and
  1035. arrive at O before the passing event (when the bullet was fired). But now,
  1036. as the FTL signal is sent, it must take on the frame of reference of the
  1037. special field. That frame of reference is the frame of Op, and in that frame
  1038. the victim dies after the bullet is fired. So, in the new reference frame of
  1039. the message (forced on it by the provision we are making) the bullet has
  1040. already been sent, and thus the FTL message cannot be received by O before
  1041. the bullet is sent.
  1042.      From the frame of reference of the third observer, he simply cannot get
  1043. the FTL signal to go fast enough (in his frame) to get to O before the
  1044. bullet is sent. From Op's frame of reference (that of the special field) any
  1045. FTL signal (even an instantaneous one) can theoretically be sent using our
  1046. provision. However, from O's frame (and that of the third observer) some FTL
  1047. signals simply can't be sent (specifically, signals that would send
  1048. information back in time in Op's frame of reference--look again at Diagram
  1049. 8-1 to make this clear). This prevents the unsolvable paradox.
  1050.      We can also consider case 2 in which the special frame of reference of
  1051. the field is the same as O's frame of reference. In this case, any FTL
  1052. traveler/signal/etc must take on O's frame of reference as it begins its FTL
  1053. trip. Thus, as Op passes O and tries to send the FTL bullet from his frame
  1054. of reference, the bullet will have to take on O's frame as it begins is FTL
  1055. trip. But in O's frame of reference, the event "*" has already occurred by
  1056. the time O and Op pass one another. Therefore, from the FTL bullet's new
  1057. frame of reference (forced on it by the provision we are making), it cannot
  1058. kill the victim at the event "*" since that event has already occurred in
  1059. this frame. Thus, the paradox is obviously averted in this second case as
  1060. well because of our provision.
  1061.      So, in the end, if all FTL travelers/etc are required to take on a
  1062. specific frame of reference when they begin their FTL trip, then there will
  1063. be no way an unsolvable paradox can be produced. This is because it takes
  1064. two different FTL trips from two _different_ frames of reference to produce
  1065. the paradox. Under this provision, if you are sending tachyons, the tachyons
  1066. must only travel FTL in the special frame of reference. If you are folding
  1067. space, the folding must be done in the special frame of reference. If you
  1068. are using the special field itself to allow FTL travel, then you must take
  1069. on the field's frame of reference. Etc. If these are the cases, then there
  1070. will be no way to produce an unsolvable paradox using any of the FTL
  1071. concepts.
  1072.      As a final note about this provision, we should realize that it does
  1073. seem to directly contradict the idea of relativity because one particular
  1074. frame of reference is given a special place in the universe. However, we are
  1075. talking about FTL travel, and many FTL concepts "get around" relativity just
  1076. to allow the FTL travel in the first place. Further, the special frame
  1077. doesn't necessarily have to apply to any physics we know about today. All
  1078. the physics we have today could still be completely relativistic. In our
  1079. example, it is a special field that actually has a special place in the
  1080. physics of FTL travel, and that field just happens to have some particular
  1081. frame of reference. Thus, the special frame does not have to be "embedded"
  1082. in the makeup of the universe, but it can be connected to something else
  1083. which just happens to make that frame "special" for the specific purpose of
  1084. FTL travel.
  1085.  
  1086.      And so, we have seen the four provisions which would allow for the
  1087. possibility of FTL travel without producing unsolvable paradoxes. For the
  1088. case of the real world, there is no knowing which (if any) of the provisions
  1089. are truly the case. For the purposes of science fiction, one may favor one
  1090. of the provisions over the others, depending on the story one wishes to
  1091. tell.
  1092.  
  1093.  
  1094.  
  1095.  
  1096.  
  1097. Chapter 10: Some Comments on FTL Travel in Star Trek
  1098.  
  1099.      Since this document is meant for the rec.arts.startrek.tech newsgroup,
  1100. it seems appropriate to take all we have discussed and apply it to what we
  1101. see in Star Trek. Of course, it would be foolish to assume (unfortunately)
  1102. that the writers for the show take the time to learn as much about these
  1103. concepts as we now know, and I am certainly not implying that a conscious
  1104. effort was made to incorporate what we know to be true in a consistent way
  1105. on the show (after all, this _is_ Star Trek :'). However, interestingly
  1106. enough, if we apply the concepts correctly, we can explain most of what Star
  1107. Trek has shown us. That is what I will try to do here.
  1108.  
  1109.  
  1110.  
  1111. 10.1 Which Provision is Best for Explaining Warp Travel
  1112.  
  1113.      First, we might want to consider the four provisions and try to decide
  1114. which one would best fit Trek so that everyday warp travel couldn't be used
  1115. to produce unsolvable paradoxes.
  1116.      So, let's consider both the first and second provisions. In these
  1117. cases, neither of the two FTL trips in our FTL bullet example will
  1118. necessarily be forbidden. So, if we consider that example yet again, we can
  1119. make the following argument: Let Op be the Enterprise. Then, rather than
  1120. sending a bullet, the Enterprise could itself travel from the origin to "*".
  1121. It could then (through ordinary acceleration) change its frame of reference
  1122. to match O's. Then it could travel from "*" (or just after "*"--we have to
  1123. give them a little time to do their acceleration) back to the O observer,
  1124. and it could get to O BEFORE it ever left for its first FTL trip (i.e. we
  1125. put the Enterprise in place of the FTL signal sent by the third observer).
  1126. Thus, since neither the first or second provision has to forbid any of these
  1127. actions, the Enterprise could use everyday warp travel via this method to
  1128. easily travel back in time without having to do something as dangerous as
  1129. zipping around the sun (as they have had to do on the show).
  1130.      In addition, if the first provision governed normal warp travel, then
  1131. making different trips from different frames of reference would introduce
  1132. the possibility that you would find yourself being transferred to another
  1133. parallel universe to prevent unsolvable paradoxes. Also, if the second
  1134. provision governed normal warp travel, it would require Star Trek ships to
  1135. be careful as to which frames of reference they were in when they decided to
  1136. enter warp. After all, they may not want to accidentally meet themselves
  1137. from a previous trip (in which case the universe may destroy them to protect
  1138. self consistency). So, there seems to be some daunting arguments against
  1139. using either the first or second provision to keep ordinary warp travel from
  1140. producing unsolvable paradoxes in Trek.
  1141.      Okay, what about the third provision? With that provision it would be
  1142. impossible to use ordinary warp travel as a "time machine". However, this
  1143. provision does cause certain noticeable restrictions on some FTL trips
  1144. (remember, it allows certain FTL trips to prevent other FTL trips). There
  1145. could be cases where the Enterprise would be prevented from completing its
  1146. warp trip on time because of an FTL signal sent by someone else. We
  1147. certainly don't see that on the show (not surprisingly). So, considering
  1148. this provision, I can't easily point out any arguments to support using it
  1149. to keep warp travel from being self inconsistent.
  1150.      This leaves us with the fourth provision, and I think you will see that
  1151. it the provision of choice for the purposes of Trek. Of course, this fourth
  1152. provision must involve some special frame of reference; therefore, we might
  1153. first ask about where this special frame might come from. Thus, I will make
  1154. a proposal for answering such a question in the next section, and then I
  1155. will present what I believe are strong arguments for using the fourth
  1156. provision to keep normal warp travel from being self inconsistent in Trek.
  1157.  
  1158.  
  1159.  
  1160. 10.2 Subspace as a Special Frame of Reference
  1161.  
  1162.      When we discussed the fourth, "special frame of reference" provision, I
  1163. introduced the idea of a field which had a particular frame of reference.
  1164. For Star Trek, we can imagine subspace to be this field, and we can let it
  1165. pervade all of known space. Then, subspace (or at least some property of
  1166. subspace) would define a particular frame of reference at every point in
  1167. space. When you entered warp, you would take on the frame of reference of
  1168. subspace and keep it, regardless of your velocity with respect to subspace.
  1169. This would ensure that normal, everyday warp travel would not produce
  1170. unsolvable paradoxes (as we discussed in Section 9.5.4).
  1171.      So, what does this provision give us that the third provision didn't?
  1172. Well, by assuming that subspace defines a special frame of reference, we can
  1173. explain some interesting points on the technical side of Trek. For example,
  1174. in the "Star Trek the Next Generation Technical Manual" (and in other
  1175. sources) we see that the different warp numbers correspond (in some way) to
  1176. different FTL speeds. But when they say that Warp 3 is 39 times the speed of
  1177. light, we must ask what frame of reference this speed is measured in. With
  1178. subspace as a special frame of reference, it would be understood to mean "39
  1179. times the speed of light in the frame of reference of subspace."
  1180.      The same idea can be applied to references made to impulse-drive-only
  1181. speeds. In the Technical Manual, they mention efficiency ratings for
  1182. "velocities limited to 0.5c." They also mention the need for added power for
  1183. "velocities above 0.75c." But these velocities are all relative, and so we
  1184. must ask why these normal, slower than light velocity of the Enterprise
  1185. should matter when considering efficiencies, etc. After all, the Enterprise
  1186. is always traveling above 0.5 c in SOME frame of reference and above 0.75c
  1187. in some other frame of reference. However, since impulse is supposed to use
  1188. a subspace field to "lower the mass of the ship" (so that it is easier to
  1189. propel), we could argue that the speed of the ship with respect to subspace
  1190. (assuming subspace defines a special frame of reference) would effect
  1191. efficiencies, etc.
  1192.      Further, there is a much more documented example which refers to warp
  1193. 10. As many of you know, warp 10 is supposed to be infinite speed in the
  1194. Next Generation shows. That means that the event "you leave your departure
  1195. point" would be simultaneous with the event "you arrive at your
  1196. destination". But, as we have discussed, the question of whether two events
  1197. are simultaneous or not truly depends on the frame of reference you are in.
  1198. So, we ask, in what frame of reference is warp 10 actually infinite speed.
  1199. Again, we can use the frame of reference of subspace to resolve this issue.
  1200. Warp 10 would be understood to be infinite speed in the frame of reference
  1201. of subspace.
  1202.      Finally, using this provision, there would be a standard, understood
  1203. definition for measuring times, lengths, etc. Times would be measured just
  1204. as it would tick on a clock in the frame of reference of subspace, and
  1205. distances would be measured just as they would be by a ruler at rest in the
  1206. subspace frame of reference. Basically, the feeling we have for the way
  1207. things work in every day, non-relativistic life would be applicable to Trek
  1208. by using the subspace frame of reference as a standard, understood reference
  1209. frame.
  1210.      And so, I believe that the fourth provision gives us the best
  1211. explanation for how normal, everyday warp travel in Trek could be self
  1212. consistent.
  1213.  
  1214.  
  1215.  
  1216. 10.3 The "Picture" this Gives Us of Warp Travel
  1217.  
  1218.      Given the previous discussion, we see that the fourth provision seems
  1219. to fit Star Trek like a glove. Thus, it may be best for us to view warp
  1220. travel in Star Trek like this: Subspace is a field which defines a
  1221. particular frame of reference at all points in known space. When you enter
  1222. warp, you are using subspace such that you keep its frame of reference
  1223. regardless of your speed. Not only does this mean that normal warp travel
  1224. cannot be used to produce unsolvable paradoxes, but since in warp your frame
  1225. of reference would no longer depend on your speed as it does in relativity,
  1226. relativistic effects in general do not apply to travelers using warp. Since
  1227. relativistic effects don't apply, you also have a general explanation as to
  1228. why you can exceed the speed of light in the first place.
  1229.      (As a note, this is similar to Alcubierre's idea for "warp" travel
  1230. (mentioned earlier), but in his idea the traveler did not take on a
  1231. "special" frame. Instead, he took on the frame he had before entering warp,
  1232. but that allows two trips from two different frames of reference to produce
  1233. an unsolvable paradox. If we add subspace as a special frame of reference to
  1234. Alcubierre's idea, we could get a self consistent situation which would be
  1235. very similar to what we see in Trek.)
  1236.      For more information on how this might conceptually work in the science
  1237. fiction world of Trek (at least one way I imagine it) you may want to read
  1238. my other regular post, "Subspace Physics"
  1239. (URL=http://www.physicsguy.com/subphys/). Here, however, we can at least use
  1240. this "picture" of warp to consider how the outside universe might appear to
  1241. someone traveling at warp speed. Remember, at any point the warp traveler's
  1242. frame of reference it is as if he is sitting still in subspace's reference
  1243. frame. We could illustrate the way such an observer would picture a
  1244. particular event by using the following idea: Picture a string of cameras,
  1245. each a distance (d) away from the one before it. Let these cameras all be
  1246. stationary in the frame of reference of subspace, and let them all be
  1247. pointed at the event of interest. Further, let each camera have a clock on
  1248. it, and let all the clocks be synchronized in the subspace frame. Then, we
  1249. can set each camera to go off with the time between one camera flash and the
  1250. next being d/v (where v is the FTL velocity of the observer we want to
  1251. illustrate). Then, each picture is taken in the subspace frame of reference,
  1252. but the string of pictures (one from each camera) would form a movie in
  1253. which each frame was taken from a different place in space from the previous
  1254. frame. Thus, we can use this to produce a film of how an event would look to
  1255. a warp traveler.
  1256.      Of course, in Trek they have subspace sensors which do all their seeing
  1257. for them (faster than light, of course). However, the above does illustrate
  1258. one's ability to use this view of warp travel to answer various technical
  1259. questions.
  1260.  
  1261.  
  1262.  
  1263. 10.4 Some Notes on Non-Warp FTL Travel and Time Travel in Trek
  1264.  
  1265.      Now, there are cases in Trek where FTL travel exists without
  1266. necessarily using subspace (and thus the subspace frame of reference would
  1267. not apply and would not prevent unsolvable paradoxes). For example, if the
  1268. wormhole in Deep Space Nine is assumed to be the same as a wormhole we
  1269. theorize about today, then it wouldn't need to deal with subspace to allow
  1270. FTL travel. (Now, what they call a wormhole doesn't necessarily have to be
  1271. what we call a wormhole, but for this illustration, let's assume it is). So,
  1272. if the wormholes in Trek aren't bounded by the subspace frame of reference,
  1273. we could imagine a situation whereby they could be used to cause unsolvable
  1274. paradoxes. This is true for any form of FTL travel in Trek which might not
  1275. use subspace. However, I propose that in cases where subspace isn't used (so
  1276. that its special frame of reference could not prevent unsolvable paradoxes)
  1277. then the first or second provision, "parallel universes" or "consistency
  1278. protection", would apply. In that way, we can allow for
  1279. non-warp/non-subspace-using FTL travel in Trek while still preventing
  1280. unsolvable paradoxes.
  1281.      Further, consider time travel in Trek. Actual time travel couldn't be
  1282. accomplished by using subspace alone (the subspace frame along with the
  1283. fourth provision would prevent it). However, I propose again that such
  1284. travels in time should not be able to produce unsolvable paradoxes because
  1285. the "parallel universes" or "consistency protection" provisions would apply
  1286. (since subspace alone couldn't be in use to produce the time travel).
  1287.      For example, consider the Star Trek: The Next Generation episode,
  1288. "Time's Arrow" (in which Data's severed head is found on 24th century Earth,
  1289. and Data eventually travels back in time to (unintentionally) leave his head
  1290. behind to be found). Now, after the head was found, one of the crew (let's
  1291. say Riker, just to use an example) could decide to try to produce an
  1292. unsolvable paradox. Riker may decide to do everything in his power so as to
  1293. keep Data from going back in time. He may even try to destroy Data and his
  1294. head to accomplish this task. Of course, Riker isn't the type of person to
  1295. do this, but what if he was? Well, in that case, he would be trying to
  1296. produce an unsolvable paradox, and the first or second provision would
  1297. prevent it. For the first provision, the head found in the 24th century
  1298. might have actually come from a parallel universe. For the second provision,
  1299. we could imagine various ways in which Riker might fail in his task of
  1300. trying to keep data from going back in time. Further, we could consider the
  1301. case in which he would succeed in producing an unsolvable paradox and we
  1302. could insist that such situations would destroy themselves or prevent
  1303. themselves from ever happening.
  1304.      Such a situation is seen in a particular Voyager episode. In this
  1305. episode, members of the crew are caught in a "subspace fissure", and they
  1306. travel back in time. By the end of the episode, their trip back in time has
  1307. produced a self-inconsistent situation. That series of events then becomes
  1308. impossible and ceases to exist by the closing credits. This could be seen as
  1309. a result of having the "consistency protection provision" apply to a case
  1310. where the subspace frame of reference is bypassed via "subspace fissures".
  1311.      So, even though we can be relatively sure that this was not the
  1312. intention of the writers, the situations shown do seem to comply with the
  1313. concepts we have developed.
  1314.  
  1315.  
  1316.  
  1317. 10.5 To sum up...
  1318.  
  1319.      To sum up, we have found that by introducing a special frame of
  1320. reference which would be "attached" to subspace, and by further insisting
  1321. that any type of FTL/time travel done without using subspace be governed by
  1322. the "parallel universe" or "consistency protection" provisions, we will not
  1323. only have a self consistent universe for our Star Trek stories, but we can
  1324. also (coincidentally) explain many of the "but how come...?" questions which
  1325. some Star Trek episodes produce.
  1326.  
  1327.  
  1328.  
  1329.  
  1330.  
  1331. Chapter 11: Conclusion
  1332.  
  1333.      In Part I of this FAQ, I presented some of major concepts of special
  1334. relativity, and here in Part IV, we have discussed the considerable havoc
  1335. they play with the possibility of faster than light travel. I have argued
  1336. that the possibility of producing unsolvable paradox is a very powerful
  1337. deterrent to all FTL concepts. Further, we have introduced four basic
  1338. provisions, at least one of which must be in place so that FTL trips/signals
  1339. (sent using any of the FTL concepts) cannot be used to produce unsolvable
  1340. paradoxes. Finally, we looked at the science fiction of Star Trek while
  1341. considering all that we had discussed. We concluded that warp travel could
  1342. be governed by the fourth provision (via subspace defining a special frame
  1343. of reference) while all other FTL travel (or time travel) could be governed
  1344. by the first or second provisions. This, I believe, best explains what we
  1345. see on Star Trek.
  1346.      If you have not read Part II or Part III of this FAQ, and you are
  1347. interested in learning more about relativity (special and general), then you
  1348. may want to give them a look.
  1349.      As the end result of producing this FAQ, I hope that I have at least
  1350. informed you to some extent (or perhaps just helped to clarified your own
  1351. knowledge) concerning relativity and the problems it poses for FTL travel.
  1352.  
  1353.  
  1354.  
  1355. Jason Hinson
  1356.  
  1357.  
  1358.