Weltraumkampffreundliche Physik: Sprungantriebe?

Ich mache einige Gedankenexperimente zu einem Computerspiel, das Weltraumkämpfe simuliert, und ich möchte, dass meine Engagements für die Spieler interessant sind, aber dennoch relativ wissenschaftlich. Ja, ich weiß, das ist eine Herausforderung.

Das Ziel ist also, so wenige Änderungen an den physikalischen Gesetzen wie möglich vorzunehmen, um Folgendes zu ermöglichen:

  1. Einfaches Reisen zwischen "interessanten" Orten
  2. Rechtzeitig reisen
  3. Der Kampf ist in Sichtweite oder Nahsichtweite sinnvoll

Um dies zu erreichen, ist meine Lösung ein Sprungantrieb. Dies ermöglicht es Raumfahrzeugen, sich sofort an verschiedene Orte zu verziehen, und es kann verwendet werden, um das ganze Problem "Laser in Lichtsekundenreichweite" zu vermeiden und das Raumfahrzeug in eine Art Railgun / Kurzstreckenlaser / Raketenreichweite zu bringen.

Welche Probleme gibt es mit einem Sprungantrieb, der Materie "nur" von einem Punkt im Raum zu einem anderen bewegt?

Für Langstreckenkämpfe sind es die Railguns, die den Kuchen abräumen. Wenn Sie möchten, dass Laser im Lichtminutenbereich wirksam bleiben, benötigen Sie fokussierende Arrays mit einem Durchmesser von mehreren Kilometern. Im Vergleich dazu ist das Schießen mit einer Railgun oder einer Rakete eine weitaus bessere Option. Besonders Raketen können hilfreich sein, da sie sich selbst steuern können und ohne explosive Nutzlast ihre kinetische Energie die Bedrohung darstellt. Wenn Sie sie also mit Lasern oder Sprengstoff abschießen, würde nur eine Wolke aus sich ausdehnenden Splittern mit immer noch derselben kinetischen Energie entstehen, die Sie treffen wird.
Huh, ich hätte gedacht, dass die geringere Geschwindigkeit von Railgus / Lasern in Kombination mit elektronischer Kriegsführung das Gleichgewicht zugunsten von Lasern kippen würde. Ich denke, ich muss mehr projectrho lesen .....
Planen Sie, so etwas wie einen Alcubierre-Antrieb oder ein Wurmloch einzusetzen? Ich vermute, wir haben Antworten, die sich mit den Problemen beider Arten von FTL befassen.
Ist es vielleicht besser, den Tag von „hard science“ auf „science based“ umzustellen? Sie brechen absichtlich die Gesetze der Physik und ich wüsste nicht, wie ich die Entstehung negativer Materie erklären soll, und da wir nicht einmal sicher sind, ob sie überhaupt geschaffen werden kann, tun dies die Experten auch nicht, und ich würde es hassen, das lösen und sagen zu müssen in meiner Antwort unten, da das ein paar Äonen dauern wird ...
Guter Punkt @Demigan, ich hatte das wissenschaftsbasierte Tag vergessen
Wie lange würde es dauern, bis Ihr Sprungantrieb wieder springt? Wenn Sie nur alle paar Minuten springen können, muss das Springen im Kampf taktisch zeitlich festgelegt werden. Wenn Sie alle paar Sekunden springen könnten, würde das Kämpfen zu einem komplizierten Durcheinander oder sogar unmöglich werden.
Die Re-Jump-Zeit ist eine interessante Überlegung. Vermutlich ist es durch die Verfügbarkeit von Energie begrenzt. Wenn es sich nicht um einen "normalen" energiebasierten Antrieb handelt, kann es natürlich auch eine andere Zeit dauern ... In erster Näherung hat ein "Sprung" wahrscheinlich feste Energiekosten + Energiekosten basierend auf Entfernung / Schwerkraft /etwas. Infolgedessen ist ein kurzer Sprung im Vergleich zu einem interplanetaren wahrscheinlich ziemlich "billig". Ich schätze, ich muss die Zahl für die Fixkosten fummeln, damit das Spiel "Spaß" macht

Antworten (4)

Um physikalisch „genau“ zu bleiben, kann ein Sprungantrieb weder Energie noch Schwung erzeugen oder vernichten. Das bedeutet, dass das Laufwerk die folgenden Einschränkungen hat:

Impulserhaltung

Um die Impulserhaltung einzuhalten, sind Ihre Geschwindigkeit und Richtung vor einem Sprung die gleichen wie danach. Wenn Sie sich auf einem Planeten im Orbit befinden, gehen Sie besser an die richtige Stelle im Orbit eines anderen Planeten, sonst bleiben Sie nicht lange im Orbit. Das bedeutet, dass Sie entweder normale Raketen zum Manövrieren verwenden können, oder wenn Sie die Zeit (und das Energiebudget für Sprungantriebe) haben, können Sie in einen Gravitationsschacht springen, sich beschleunigen lassen und wieder herausspringen.

Energieeinsparung

Sie müssen die potenzielle Energie der Gravitation berücksichtigen, bevor Sie springen. Das bedeutet, dass Manöver im Orbit billig durchgeführt werden können (auch bekannt als Springen in/aus dem Kampf), aber Sprünge zu anderen Planeten sind extrem teuer

Ich habe einen Rechner geschrieben, um Sprungenergien abzuschätzen. Für die Energieschätzungen gehe ich von einem 10-Tonnen-Raumschiff aus und dass die potenzielle Energiedifferenz der Gravitation vom Sprungantrieb stammt (und daher von einem Reaktor an Bord des Fahrzeugs erzeugt werden muss):

  • Um von LEO in die Mondumlaufbahn zu springen, werden 460 GJ (150 Tonnen TNT, 292 Tonnen Wasser verdampfen) benötigt. Wenn es einen 1-MW-Reaktor hat, dauert es 127 Stunden, um die 460 GJ Energie zu erzeugen.
  • Ein Sprung von Geostationary erfordert immer noch 78 GJ (18 Tonnen TNT, verdampfen 35 Tonnen Wasser). Ein 1-MW-Reaktor würde 22 Stunden brauchen, um diesen Sprung aufzuladen

Warum nur ein 1 MW Reaktor? Für einen 1-MW-Reaktor benötigen Sie immer noch Hunderte von Metern Radiatoren! Batterien? Ein Lithium-Ionen-Chemie-Akku hat etwa ein Megajoule pro Kilogramm. Sie haben es also mit Tausenden von Kilogramm Batterien zu tun.

Es gibt eine schöne Karte von Gravitationsbrunnen auf XKCD:

Da unser Reaktor Stunden braucht, um ein superleichtes Raumschiff vertikal um ein paar Pixel zu überspringen, können wir davon ausgehen, dass sich ein Sprungantrieb auf diesem Bild ungefähr horizontal bewegen kann. Das bedeutet, dass Sie ein Sprungantrieb von der Erde oder dem Mond nur in eine Umlaufbahn um den Jupiter, in die Mitte des Saturn oder auf halbem Weg zur Venus bringen kann.

Während also Sprungantriebe die Art von Weltraumkampf ermöglichen, nach der Sie suchen, müssen Sie auch eine Stromquelle und einen Kühlkörper von Hand bewegen, wenn Sie tatsächlich irgendwo hingehen wollen.

In der Allgemeinen Relativitätstheorie gibt es keine koordinatenunabhängige Art zu sagen, was es bedeutet, dass zwei Objekte an verschiedenen Orten in der gekrümmten Raumzeit den "gleichen" Energie- / Impulsvektor haben, da der parallele Transport von Vektoren zwischen zwei Punkten weg- abhängig in der gekrümmten Raumzeit. Im Allgemeinen wird also Energie in GR nicht im globalen Sinne konserviert , jedenfalls nicht koordinatenunabhängig, obwohl sie lokal konserviert wird.
Übrigens, wenn das OP eine Version eines "Sprungantriebs" haben möchte, die theoretisch mit GR kompatibel ist, kann es einfach ein durchquerbares Wurmloch verwenden . In diesem Fall würde der lokale Impuls beim Verlassen des Wurmlochs von der Bewegung des Wurmlochmunds selbst abhängen. Laut Kommentar Nr. 7 von pervect in diesem Thread gibt es bei Wurmlöchern eine Art Impulserhaltung, wenn Sie davon ausgehen, dass sie sich in einer asymptotisch flachen Raumzeit befinden.

Ich würde für den Alcubierre Drive gehen.

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Alcubierre_drive

Der Alcubierre-Antrieb umgeht viele Probleme von FTL-Reisen. Das Schiff kann praktisch stillstehen und keine Zeitdilatation oder andere relative Effekte erfahren, während das Schiff auf einer Art Gravitations-/Raumwelle zu seinem Ziel reitet, und diese Welle bewegt sich schneller als Licht, wenn sie das Schiff vorantreibt.

Die Probleme:

  • Sie brauchen negative Materie, um zu reisen. Es ist nicht sicher, ob es erstellt werden kann und eine Tonne Energie kosten würde. Dies könnte auch eine gute Sache sein, da es erklärt, warum es nur wenige Waffen auf Alcubierre-Basis gibt. Für die Energie könnten Sie Dyson-Schwärme, Kugelblitze und Schwarze-Loch-Generatoren haben, die die notwendige Energie für die Produktion negativer Materie erzeugen.

  • Sie können nur so schnell reisen, wie Sie die negative Materie vor die Torusse um Ihr Schiff werfen können. Dies begrenzt Ihre Geschwindigkeit auf unter die Lichtgeschwindigkeit ... es sei denn, Sie schummeln hier ein wenig. Quantentunneling ( https://en.m.wikipedia.org/wiki/Quantum_tunnelling ) ermöglicht es Dingen auf der winzigen Quantenskala, das Reisen durch einen Teil des Weltraums zu vermeiden. Dies ist in der Tat der einzige Grund, warum unsere Sonne sogar eine Fusion starten kann, wenn Teilchen ineinander tunneln, um die Reaktion zu starten. Wenn Sie sagen, dass Ihre Schiffe eine Möglichkeit haben, das Tunneln aktiv zu kontrollieren und genügend negative Materiepartikel an ihren Standort zu senden, könnten Sie theoretisch über Lichtgeschwindigkeit hinausgehen.

  • Die Schiffe benötigen zwei oder mehr torusförmige Objekte um sich herum, um zu reisen. Eine Beschädigung dieser Torus würde das Schiff im Grunde tot machen, da es nicht entkommen und keine effektiven Angriffe fortsetzen kann. Man könnte vielleicht sagen, dass das Schiff Ersatz-Torusse trägt oder die Möglichkeit hat, sie nach Gebrauch kurzfristig in das Schiff einzuziehen, um sie zu schützen.

  • Der Alcubierre-Antrieb ist ein separater Motor. Für Dinge wie das Manövrieren in eine Planetenumlaufbahn benötigen Sie separate Triebwerke und Treibstoff.

Es gibt wahrscheinlich mehr Probleme, aber ich weiß nicht viel über die genauen Formeln und dergleichen des Alcubierre-Antriebs.

Nach den bekannten Gesetzen der Quantenfeldtheorie ist es unmöglich, Quantentunneln oder andere Quanteneffekte zu verwenden, um das Verhalten entfernter Materie/Energie so zu steuern, dass sich Informationen schneller als Licht bewegen, siehe hier und hier . Aber der Abschnitt „Physik“ des Wikis zum Alcubierre-Antrieb sagt: „Ein ähnliches Ergebnis könnte ohne Tachyonen erzielt werden, indem einige Geräte im Voraus entlang des Fahrwegs platziert und so programmiert werden, dass sie zu vorher festgelegten Zeitpunkten in Betrieb gehen.“
@Hypnosifl, aber das sind keine Informationen, die übertragen werden. Dies ist einfach negative Materie, die ihr Ziel früh erreicht. Jeder, der die Annäherung an den Alcubierre Drive sieht, wird diese Informationen auch nicht früher erhalten. Seine Informationskapazität ist so groß wie die, wenn Sie zwei Lichtstrahlen aufstellen, um gleichzeitig einen Sensor zu erreichen, aber der Impuls von einem muss durch eine Barriere tunneln. Er erreicht den Sensor früher als der andere Impuls. Sind das FTL-Informationen? Nicht genau, aber es ist möglich und die Methode, mit der sie die Existenz von Tunneln bewiesen haben.
Alcubierre-Laufwerke zerstören möglicherweise auch alles davor, wenn Sie "Warp" verlassen. Siehe meine Antwort hier worldbuilding.stackexchange.com/a/84948/6453
@Demigan - Wenn Sie an einem Ort einen Knopf drücken und feststellen lassen können, ob negative Materie einen anderen Ort an einem Punkt in der Raumzeit außerhalb des zukünftigen Lichtkegels der Person erreicht, die den Knopf drückt, dann ist das eine Informationsübertragung, die schneller als Licht ist Eine Person, die den Aufbau kennt und sich an der Stelle befindet, an der die negative Materie ankommt, kann auf etwas schließen, dass der Schalter an einem Punkt außerhalb ihres vergangenen Lichtkegels gedrückt wird. Generell ist es einer Person untersagt, kausal beeinflussen zu können, ob ein Ereignis außerhalb ihres zukünftigen Lichtkegels eintritt oder nicht.
@Hypnosifl wie unterscheidet es sich von dem Experiment, das die Existenz von Tunneln bewies? Sie drücken einen Schalter, erwarten Ergebnis A (beide Lichtimpulse reisen mit Lichtgeschwindigkeit), finden aber Option B (ein Lichtimpuls ist schneller gereist und früher angekommen). Dies ähnelt dem Platzieren von Objekten, die negative Materie aktivieren, um Lichtgeschwindigkeitsbeschränkungen zu überwinden, das Ergebnis wird erwartet und ist im Voraus bekannt. Der einzige Unterschied hier ist, dass es kein spezielles Objekt auf dem Weg gibt, das eine Alcubierre-Autobahn schafft, das Schiff selbst schafft es, seine eigene durch ein erwartetes Ergebnis zu schaffen: das Tunneln negativer Materie.
Gemäß dem Artikel hier wird nie ein einzelnes Teilchen gemessen, um in Tunnelexperimenten schneller als Licht von einem Ort zum anderen zu gelangen. Außerdem haben Physiker bereits das Problem eines Alcubierre-Antriebs ohne externe Maschinerie analysiert und glauben, dass es für die exotische Materie eine echte tachyonische Bewegung erfordern würde; Ist es wirklich plausibel, dass Ihre Idee, Tunneling zu verwenden, eine praktikable Lösung sein könnte, die all diesen Physikern entgangen ist?
@Hypnosifl Wenn Sie den Artikel weiter gelesen hätten, wäre Ihnen der Satz aufgefallen: "Für ein einzelnes Elektron in einem Wasserstoffatom wurde diese Zeitskala jetzt mit nicht mehr als 1,8 Attosekunden gemessen, was mit einer Interpretation eines [u] Augenblicks übereinstimmt Übergang[/u]". Sie können mir die Formulierung vorwerfen, aber nicht die Mechanik: Tunneln lässt etwas augenblicklich eine Strecke zurücklegen, augenblicklich ist schneller als Licht, aber das Teilchen hat sich nicht schneller als Licht bewegt. Wenn Sie die zufällige Chance beeinflussen und die Angelegenheit gezielt dorthin senden können, wo sie benötigt wird, können Sie sie zum Laufen bringen.
Wenn Sie diesen Artikel weiter lesen, sagt er über das Elektronenexperiment: „Es ist nicht so, dass Sie in einem Moment sagen können: „Dieses Teilchen ist dort drüben“ und dann, eine winzige Zeitspanne später, können Sie sagen: „Dieses Teilchen befindet sich jetzt stattdessen hier", wobei diese Entfernungsänderung dividiert durch die Zeitänderung die Lichtgeschwindigkeit übersteigt.' Er spricht nicht über das von Ihnen angesprochene Problem, ob sich das Teilchen zwischen den Messungen "bewegt" hat, er sagt, dass diese Experimente keine zwei lokalen Messungen beinhalten, so dass der Abstand geteilt durch die Zeit zwischen den beiden Messungen größer als c ist.
Sehen Sie sich auch das Video hier an, insbesondere die Diskussion des Experiments mit einer Tunnelbarriere entlang eines möglichen Pfads für Photonen, und dann den Teil von etwa 8 Minuten, in dem Photonen zwar im Durchschnitt früher am Detektor ankommen, wenn die Barriere vorhanden ist, jedoch bereits Unsicherheit besteht Wenn sie ankommen, wenn es keine Barriere und daher kein Tunneln gibt, und diejenigen, die tunneln, nicht früher ankommen als die am frühesten ankommenden ohne Barriere, schirmt die Barriere nur den Teil der Wellenfunktion ab, der den später ankommenden Photonen entspricht .
@Hypnosifl Ja, tolles Video, darauf habe ich einen Teil meines Wissens aufgebaut. Beachten Sie, wie er erwähnt, dass die Barriere einfach nach einem Tunnelereignis filtert und dass das ungehinderte Licht möglicherweise auch tunneln kann. Das Licht selbst bewegt sich nicht FTL, aber wenn es tunnelt, erreicht es den Detektor früher als erwartet. Sie sagen immer wieder "Tunneling ist sofortig", Tunneling FUNKTIONIERT. Es existiert, es ist möglich (an einzelnen Teilchen) und wenn man es gezielt für einzelne Teilchen einsetzen könnte, könnte man negative Materieteilchen so weit vorausschicken, wie es seine Wellenlänge zulässt.
Er sagt nicht, dass ungehinderte Lichttunnel (das Tunneln erfordert eine potenzielle Barriere) nur sagen, dass es zu einer Reihe von Zeiten eintreffen kann. Ich bin mir sicher, wenn Sie genau steuern könnten, wann das Photon die Reise beginnt (z. B. durch Verwendung eines Verschlusses, der sich nur sehr kurz öffnet / schließt), und es keine anderen Photonenquellen gab, dann könnten Sie das Photon frühestens am Detektor erkennen wäre so, dass (Abstand zwischen Shutter und Detektor auf kürzestem Weg)/(Zeit zwischen Shutteröffnung und Detektion des Photons am Detektor) nicht > c wäre, sonst könnte dies Information FTL übertragen.
& Wenn sie sagen "Tunneln erfolgt sofort", sprechen sie nicht von FTL-Zeiten zwischen Positionsmessungen an verschiedenen Orten. Aufgrund der Unschärferelation können Sie Impuls und Position nicht gleichzeitig messen, und wenn Sie sich die Abhandlung über das von Ihnen erwähnte Einzelelektronenexperiment ansehen, heißt es, dass sie "Impuls-Raum-Bildgebungsexperimente" durchführen, was bedeutet, dass sie Impulsunterschiede messen die vor und nach dem Tunneln durch die Barriere zu sehen sind. Keine Experimente mit augenblicklichen räumlichen Sprüngen.

Sie können einen Sprungantrieb haben, indem Sie auf zusätzliche räumliche Dimensionen zugreifen.

Diese Frage hat gute Sachen zum Konzept. Könnten Sie mehr als ein Gebäude an derselben Stelle haben, indem Sie sie im 4. dimensionalen Raum "stapeln"?

Betrachten Sie Ihre Bewegung als Vektor. Sie können die Energie berechnen, die für eine bestimmte Bewegung benötigt wird. Im 3D-Raum haben wir X-, Y-, Z-Vektoren für unsere 3 Dimensionen. Wenn Sie sich durch eine vierte räumliche Dimension bewegen könnten, könnten Sie in Ihrem Schiff auf andere dreidimensionale Räume zugreifen, die unserem eigenen "benachbart" sind, und in großem Abstand von Ihrem ursprünglichen Standort in unserem 3D-Raum wieder auftauchen. Das klassische Beispiel verwendet einen Flatlander im 2D-Raum mit nur x- und y-Koordinaten. Wenn die 2D-Papierebene Ende an Ende durch den 3D-Raum gefaltet werden könnte, könnte der Flatlander von einer Kante des Papiers zur anderen durch z (die dritte räumliche Dimension) springen, während er sich tatsächlich sehr wenig bewegt.

So auch Ihr Sprungantrieb. Mag sein, dass der Raum nicht willkürlich nach Lust und Laune gefaltet ist, sondern in vielen (unendlich vielen?) Dimensionen eine feste topologische Form hat. Ihr könnt euch durch immer höherdimensionale Räume bewegen, um in eurem eigenen Raum wieder aufzutauchen, wo ihr sein wollt. Sie benötigen eine Karte, um herauszufinden, wie Sie dorthin gelangen, oder bekannte Orte in unserer eigenen Ebene, an denen die Krümmung unserer Ebene in 4d einen einfachen Zugang zu anderen Teilen unserer Ebene ermöglicht.

Es sind immer noch nur Vektoren und Sie können Energien auf die gleiche Weise berechnen. Sie erhalten zusätzliche Vektoren, wenn Sie die räumlichen Dimensionen erhöhen.

Gefahr: So wie Sie unendlich viele 2D-Ebenen in einem 3D-Würfel stapeln können, gibt es in jedem 4D-Raum unendlich viele 3D-Räume, in denen Sie auftauchen könnten. In jedem 5D-Raum gibt es unendlich viele 4D-Räume. Es wird groß. Ihr Sprungantriebspilot braucht möglicherweise etwas kognitive Unterstützung, um seinen Kopf um die Geometrie Ihres Kurses zu wickeln.

Wenn der 4-Raum einfach eine weitere senkrechte Achse ist, ändert sich nichts am Energiebedarf: Der Radiusvektor enthält jetzt x-, y-, z- und w-Koordinaten. Gefaltete Dimensionen können es beeinflussen oder auch nicht, da ich denke, dass ein Energieunterschied zwischen den beiden Orten erforderlich wäre, um die Falte zu überqueren? Wenn es also einen Gravitationspotentialunterschied gibt, würde es an der Position der "Falte" eine sehr starke Saugkraft / Abstoßung geben. Ich frage mich, was Licht tun würde? Würde der Blick von der einen Seite Licht durchlassen und von der anderen Seite blockieren? Lustige Sachen!

Ich gehe von dem Modell aus, das der Autor Jack Campbell in seiner Serie „ The Lost Fleet “ und seinen Spinoffs verwendet.

Hier ist die FTL-Methode der Wahl ein Sprungantrieb, der auf eine andere Dimension zugreift, die das Reisen zwischen Sternensystemen in Tagen und Wochen ermöglicht. Die Folgen für die Nutzung besagten Antriebs sind begrenzte Reichweite (nur ca. 2 Wochen Reisezeit gelten als sicher) und feste Ein- und Ausstiegspunkte, die mit den Gravitationsfeldern eines Sternensystems gegeben sind.

Bedenken Sie nun Folgendes:
Wenn Sie den harten wissenschaftlichen Ansatz verfolgen, verwenden Sie superluminale Sensoren? NEIN? Gut! Denn jetzt musst du dich dem Kampf nähern, sonst sind deine Daten so ungenau, dass du nichts triffst! Jetzt für ein wenig Mathe!
Stellen Sie sich ein feindliches Schiff vor, das nur eine Lichtsekunde entfernt ist. Das sind etwa 30.000 Kilometer! Sie als Kapitän geben den schicksalhaften Befehl "FEUER!" und Ihr(e) Schiff(e) aktivieren ihre Cannons of Doom(tm).
Die Schüsse bewegen sich mit einer Geschwindigkeit, die kleiner oder gleich der Lichtgeschwindigkeit ist, abhängig von der Art der Waffe (Projektil oder Laser/Maser/Phaser was auch immer). Das bedeutet, dass sie mindestens eine Sekunde brauchen, um ihr Ziel zu erreichen.

Um es noch einmal zusammenzufassen: Ihre Daten sind eine Sekunde alt, und Ihre Schüsse brauchen mindestens eine Sekunde => zwei Sekunden Zeit, damit Ihr Feind sein Schiff bewegt. Typische Geschwindigkeiten im Weltraum liegen heute bei mehreren Kilometern pro Sekunde (Pioneer 10: etwa 12 km/s). Ich weiß nicht, wie groß diese Schiffe sind, aber sie müssen nur ungefähr ihre eigene Größe aus dem Weg räumen, um nicht getroffen zu werden. Und mit typischen Geschwindigkeiten im Weltraum ist das einfach.

Tl;dr: Es hängt faktisch nicht ausschließlich am Laufwerk, sondern auch an den Sensoren. Sie müssen näher kommen, damit Ihre Zielberechnungen beim Schießen nicht raten müssen, "wo er sein wird".

Weltraumkampffreundliche Physik: Sprungantriebe?
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