Наука в фильме «Интерстеллар»: кротовые норы, черные дыры, пространство-время
Недавно вышедший на экраны визуально-захватывающий фильм «Интрестеллар» основывается на реальных научных понятиях, таких как вращающиеся черные дыры, кротовые норы и расширение времени.
Но если вы не знакомы с этими понятиями, то возможно, слегка запутаетесь во время просмотра.
В фильме команда космических исследователей отправляется во внегалактическое путешествие сквозь кротовую нору. На другой стороне они попадают в иную Солнечную систему с вращающейся черной дырой вместо звезды.
Они находятся в гонке с пространством и временем, чтобы выполнить свою миссию. Такое космическое путешествие может показаться слегка запутанным, но оно основывается на основных принципах физики.
Вот основные 5 понятий физики, которые нужно знать, чтобы понять «Интерстеллар»:
Искусственная гравитация
Самой большой проблемой, с которой сталкиваемся мы, люди, при длительных космических путешествиях, является невесомость. Мы родились на Земле, и наше тело приспособилось к определенным гравитационным условиям, но когда мы находимся в космосе длительное время, наши мышцы начинают ослабевать.
С этой проблемой сталкиваются и герои в фильме «Интерстеллар».
Чтобы справиться с этим, ученые создают искусственную гравитацию в космических кораблях. Одним из способов сделать это – раскрутить космический корабль, как в фильме. Вращение создает центробежную силу, которая отталкивает объекты к внешним стенкам корабля. Это отталкивание похоже на гравитацию, только в обратном направлении.
Такую форму искусственной гравитации вы испытываете, когда едете вокруг кривой малого радиуса и вам кажется, что вас отталкивает наружу, от центральной точки кривой. Во вращающемся космическом корабле стены для вас становятся полом.
Вращающаяся черная дыра в космосе
Астрономы, хотя и косвенно, наблюдали в нашей Вселенной вращающиеся черные дыры. Никто не знает, что находится в центре черной дыры, но у ученых есть для этого название – сингулярность .
Вращающиеся черные дыры искажают пространство вокруг себя по-иному в отличие от неподвижных черных дыр.
Этот процесс искажения называется «увлечение инерциальных систем отсчёта» или эффект Лензе-Тирринга, и оно влияет на то, как будет выглядеть черная дыра, искажая пространство, и что более важно пространство-время вокруг нее. Черная дыра, которую вы видите в фильме, достаточно сильно приближена к научному понятию .
- Космический корабль «Эндюранс» направляется к Гаргантюа — вымышленной сверхмассивной черной дыре массой в 100 миллион раз больше Солнца.
- Она находится на расстоянии 10 миллиардов световых лет от Земли, и вокруг нее вращается несколько планет. Гаргантюа вращается с поразительной скоростью 99,8 процентов от скорости света.
- Аккреционный диск Гарагантюа содержит газ и пыль с температурой поверхности Солнца. Диск снабжает планеты Гаргантюа светом и теплом.
Сложный вид черной дыры в фильме связан с тем, что изображение аккреционного диска искривлено гравитационным линзированием. На изображении появляется две дуги: одна образуется над черной дырой, а другая под ней.
Кротовая нора
Кротовая нора или червоточина, которую использует экипаж в «Интерстеллар» – это одно из явлений в фильме, существование которого не доказано. Она гипотетическая, но очень удобная в сюжетах научно-фантастических историй, где нужно преодолеть большое космическое расстояние.
Просто кротовые норы – это своего рода кратчайший путь сквозь пространство. Любой объект с массой создает норку в пространстве, что означает, что пространство можно растягивать, деформировать и даже складывать.
Червоточина — это как складка на ткани пространства (и времени), которая соединяет две очень далекие области, что помогает космическим путешественникам преодолеть большое расстояние за короткий период времени.
Официальное название кротовой норы – «мост Эйнштейна-Розена», так как впервые она была предложена Альбертом Эйнштейном и его коллегой Натаном Розеном в 1935 году.
- В двухмерных диаграммах устье кротовой норы показано в виде круга. Однако, если бы мы могли увидеть кротовую нору, она бы выглядела, как сфера.
- На поверхности сферы был бы виден гравитационно искаженный вид пространства с другой стороны «норы».
- Размеры кротовой норы в фильме: 2 км в диаметре и расстояние переноса — 10 миллиардов световых лет.
Гравитационное замедление времени
Гравитационное замедление времени – это реальное явление, наблюдаемое на Земле. Оно возникает потому, что время относительно. Это означает, что оно течет по-разному для различных систем координат.
Когда вы находитесь в сильной гравитационной среде, время течет медленнее для вас по сравнению с людьми, находящимися в слабой гравитационной среде.
Если вы находитесь возле черной дыры, как в фильме, ваша система координат, а, следовательно, восприятие времени отличается от восприятия того, кто находится на Земле. Это потому, что гравитационное притяжение черной дыры тем сильнее, чем ближе вы к ней находитесь.
- Согласно уравнению Эйнштейна время течет медленнее в более высоких гравитационных полях. То же самое происходит на планете, близкой к черной дыре: часы тикают медленнее, чем на космическом корабле, вращающемся дальше.
- Присутствие массы искривляет мембрану, как резиновый лист.
- Если достаточно массы концентрируется в одной точке, формируется сингулярность. Объекты приближающиеся к сингулярности проходят через горизонт событий, из которого они никогда не возвращаются.
Для вас минута возле черной дыры будет длиться 60 секунд, но если бы вы могли взглянуть на часы на Земле, минута продлилась бы меньше 60 секунд. Это значит, что вы будете стареть медленнее людей на Земле, и чем сильнее гравитационное поле, в котором вы находитесь, тем сильнее замедляется время.
Это играет важную роль в фильме, когда исследователи встречаются с черной дырой в центре другой Солнечной системы.
Пятимерная Вселенная
Альберт Эйнштейн последние 30 лет своей жизни посвятил разработке «теории всего«, которая бы сочетала математические понятия гравитации с другими тремя фундаментальными силами природы: сильную силу, слабую силу и электромагнитную силу. Ему, как впрочем, и другим физикам это не удалось.
Некоторые физики считают, что единственный способ разгадать эту загадку — это воспринимать нашу Вселенную, как 5-мерную, а не 4-мерную, как предлагал Эйнштейн в теории относительности, где сочетается трехмерное пространство с одномерным временем.
В фильме наша Вселенная представлена в 5-ти измерениях, и гравитация играет важную роль во всем этом.
Нашу трехмерную Вселенную можно представить в виде плоской мембраны (или «браны»), плавающую в четырехмерном гиперпространстве.
Трейлер «Интерстеллар» 2014
Источник
Загадки Космоса – чёрная дыра Гаргантюа
Вселенная таит в себе множество загадок. Строение и особенности различных космических объектов, возможность межпланетных путешествий привлекают внимание не только ученых, но и любителей научной фантастики. Естественно, наибольшей привлекательностью обладает то, что имеет уникальные свойства, что, в силу разных обстоятельств, недостаточно исследовано. К подобным объектам относятся чёрные дыры.
Понятие и свойства чёрных дыр
Чёрные дыры обладают очень высокой плотностью и невероятно большой силой гравитации. Даже лучи света не могут вырваться из них. Именно поэтому учёные могут «увидеть» чёрную дыру только благодаря тому действию, которое она оказывает на окружающее пространство. В непосредственной близости от чёрной дыры вещество раскаляется и движется с очень большой скоростью. Это газообразное вещество называют аккреционным диском, который выглядит как плоское светящееся облако. Рентгеновское излучение аккреционного диска учёные наблюдают в рентгеновские телескопы. Также фиксируют огромную скорость движения звёзд по их орбитам, что происходит благодаря большой гравитации невидимого объекта огромной массы. Астрономы выделяют три класса чёрных дыр:
•чёрные дыры, имеющие звёздную массу,
•чёрные дыры с промежуточной массой,
•сверхмассивные чёрные дыры.
Звёздной считают массу от трех до ста солнечных масс. Сверхмассивными называют чёрные дыры, имеющие от сотен тысяч до нескольких миллиардов масс Солнца. Они находятся обычно в центре галактик.
Вторая космическая скорость или скорость убегания – это тот минимум, который необходимо достичь для преодоления гравитационного притяжения и выхода за пределы орбиты данного небесного тела. Для Земли скорость убегания равна одиннадцати километрам в секунду, а для чёрной дыры — это более трёхсот тысяч, вот насколько сильна её гравитация!
Границу чёрной дыры называют горизонтом событий. Объект, попавший внутрь него, уже не может покинуть эту область. Размер горизонта событий пропорционален массе чёрной дыры. Чтобы показать, насколько огромна плотность чёрных дыр, учёные приводят следующие цифры – чёрная дыра с массой, в 10 раз превосходящей солнечную, имела бы, примерно, 60 км в диаметре, а чёрная дыра с массой нашей Земли – всего лишь 2 см. Но это только теоретические расчеты, поскольку чёрных дыр, не достигших трёх солнечных масс, учёными ещё не выявлено. Всё, что входит в область горизонта событий, двигается по направлению к сингулярности. Сингулярность, если сказать упрощенно, — это место, где плотность стремится к бесконечности. Через гравитационную сингулярность нельзя провести входящую в неё геодезическую линию. Для чёрной дыры характерно искривление структуры пространства и времени. Прямая линия, которая в физике представляет собой путь движения света в вакууме, вблизи чёрной дыры становится кривой. Какие физические законы работают рядом с точкой сингулярности и непосредственно в ней, пока неизвестно. Некоторые исследователи, например, говорят о наличии так называемых червоточин, или пространственно-временных туннелей, в чёрных дырах. Но не все учёные согласны признать существование подобных туннелей-червоточин.
Чёрная дыра Гаргантюа
Тема космических путешествий, пространственно-временных туннелей служит источником вдохновения для писателей-фантастов, сценаристов и режиссеров. В 2014 году состоялась премьера фильма «Интерстеллар». Над его созданием работала целая группа учёных. Их руководителем стал известный учёный, специалист в области теории гравитации, астрофизики – Кип Стивен Торн. Этот фильм считают одним из самых научных среди фантастических кинокартин и, соответственно, предъявляют к нему высокие требования. Велись многочисленные споры о том, насколько различные моменты фильма соответствуют научным фактам. Была даже издана книга «Наука Интерстеллара», в которой профессор Стивен Торн объясняет с научной точки зрения различные эпизоды из фильма. Он говорил о том, что многое в киноленте основано как на научных фактах, так и на научных предположениях. Однако есть и просто художественный вымысел. Например, чёрная дыра Гаргантюа представлена в виде светящегося диска, который огибает свет. Это не расходится с научными знаниями, т.к. видна не сама чёрная дыра, а только аккреционный диск, а свет не может двигаться по прямой из-за мощной гравитации и искривления пространства.
В чёрной дыре Гаргантюа есть кротовая нора, представляющая собой червоточину или туннель, проходящий сквозь пространство и время. Наличие подобных туннелей в чёрных дырах — всего лишь научное предположение, с которым не согласны многие учёные. К художественному вымыслу относится возможность совершить путешествие по такому туннелю и вернуться назад.
Чёрная дыра Гаргантюа – это фантазия создателей «Интерстеллара», которая во многом соответствует реальным космическим объектам. Поэтому для особо яростных критиков хочется напомнить – фильм, всё же, научно-фантастический, а не научно-популярный. Он показывает красоту и величие мира, который нас окружает, напоминает о том, как много ещё нерешенных задач у человечества. А требовать от фантастического фильма точного отражения научно доказанных фактов — несколько неправомерно и наивно.
Источник
«Интерстеллар» с точки зрения астрофизики: насколько достоверна картина
Очень известный фильм «Интерстеллар», вышедший в 2014 году, пожалуй, знает любой человек, интересующийся тайнами космоса. Американский астрофизик Кип Торн, лауреат Нобелевской премии, активно помогал писать сценарий фильма Кристоферу Нолану, причём, всё он продумал настолько хорошо, что картина понравилась даже Стивену Хокингу. Работа над фильмом продолжалась 8 лет.
Апокалиптическое будущее
В какое время происходят события фильма? Сказать очень трудно, потому что в кинокартине об этом ничего не говорится. Ясно одно – это пугающее будущее нашей планеты, к которому мы неизбежно приближаемся, жестоко и безответственно уничтожая флору и фауну ради личной выгоды. Вероятно, это конец XXI – начало XXII века. Картина, показанная нам на экране, вполне реальна.
В 30-е годы ХХ века пылевые бури действительно бушевали в США. Картина была действительно жуткая: дышать нечем, пыль затмевает солнце. Фермеры обрабатывали почву неправильно, это также совпало с отсутствием дождей. Иссушенная земля не могла дать пищу, начался ужасный голод. Последние выжившие растения начинают болеть в таких условиях. Всё это может повториться из-за парникового эффекта, увеличения численности населения и сокращения зелёных территорий. Единственное спасение для землян – космос, но как можно добраться до других миров, если даже со скоростью света придется лететь десятки, а то и сотни лет? И потом, согласно Теории Относительности, ничто не может двигаться быстрее света, да и если пытаться догнать быстрые фотоны, то масса на такой скорости увеличилась бы до бесконечности, соответственно, нужен какой-то бесконечный двигатель. У фотонов нет массы – им в этом плане проще. Как же быть человеку?
Червоточины – тоннели, спасающие жизнь
Астрофизики предлагают сократить путь при помощи червоточин – это гравитационная аномалия, искривление, сворачивание пространства-времени, которое помогает в разы сократить путь. Герои фильма могут бежать – рядом с Сатурном как раз находится червоточина, которая перемещает астронавтов в другой уголок Вселенной. Мы не можем пока сделать такой тоннель, однако высшие разумные существа, как в фильме их называют – «они», решили сделать подарок нашей погибающей расе – «они» поместили червоточину рядом с окольцованной планетой. Люди, не знающие наверняка, куда приведёт этот тоннель, хватаются за последнюю соломинку. Существование червоточин не противоречит современным астрофизическим гипотезам – согласно Теории Относительности, пространственно-временную ткань действительно можно искривить, только мы ещё не знаем, как.
Какие такие «Они»?
Те самые «они», этой высшей расой оказались сами люди, которые знают не только о четырёх измерениях – «они» могут существовать и в пяти. «Им» доступно будущее, то есть «гости из будущего» подарили червоточину людям из прошлого, чтобы те смогли спастись с погибающей Земли и основать новую, высокоразвитую цивилизацию. Согласно теории струн, такой момент тоже возможен, ведь вокруг нас может существовать множество дополнительных измерений, свёрнутых в струны, которых мы не видим и о которых даже не догадываемся.
Прыжок в чёрную дыру
Никто не знает наверняка, что находится внутри чёрной дыры. Мы знаем, что это сверхплотные космические объекты, гравитация которых настолько сильна, что ничему не удаётся вырваться оттуда, из её горизонта событий, даже сверхбыстрому свету. Нет, казалось бы, выхода из чёрной дыры. В таких условиях перестают работать все известные нам законы физики. С замиранием сердца и интересом зритель наблюдает за отважными астронавтами и, оказывается, чёрная дыра – это очень интересное место! Портал во времени! Стивен Хокинг писал, что «чёрные дыры не так уж черны»: они излучают энергию в космос, а значит, сбежать оттуда всё-таки как-то возможно. Мы не знаем, как точно устроены чёрные дыры, однако, глядя на фотографию чёрной дыры, сделанную в 2019 году, мы можем убедиться, что изображение этого объекта в «Интерстелларе» очень похоже на реальное.
Парадокс времени
Почти сто лет назад Эйнштейн в Теории Относительности описал, что время – далеко не универсальная вещь для всех, как нам кажется. Часы на Земле и, например, на Луне будут идти в разном темпе. Люди на разных объектах тоже будут стареть в разных темпах. Это не означает, что они ощущают это как-то иначе, это наблюдатель с Земли видит, что у человека с другой части Вселенной время бы шло не так, как на Земле. Относительность времени – это проверенный факт с помощью сверхточных атомных часов: одни часы установили на Земле, а другие на ракете запустили в околоземное космическое пространство, а потом вернули на Землю. Часы, отправленные в космос, отстали от тех, что были на Земле на 400 триллионных долей секунды. Таким образом, чем больше скорость, тем медленнее идёт время. Также вблизи массивных объектов с сильной гравитацией время замедляется, а в чёрных дырах должно остановиться вовсе. Тот, кто наблюдает со стороны, видит, что время на горизонте событий остановилось, а тот, кто провалился в чёрную дыру, будет жить в своём времени, для него ничего не будет меняться. Этот факт тоже подтверждён с помощью тех же атомных сверхточных часов: часы были установлены на Земле и на высокой башне. Земные часы отстали от тех, которые на башне, на почти незаметное для человека мгновение.
Планета, покрытая водой, на которую высадились астронавты, находящаяся рядом с чёрной дырой, — там время шло значительно медленнее, чем на Земле, на несколько лет, а всё по тому, что рядом чёрная дыра.
Портрет чёрной дыры
Чёрная дыра Гаргантюа показана, как мы убедились при помощи реальной фотографии 2019 года, была показана достоверно: аккреционный яркий диск материи, которым она окружена, — это и свет, поглощаемый чёрный дырой, это и останки разрушенных звёзд, которые светятся при нагревании, это и другая материя, которой «посчастливилось» оказаться с ней рядом. Сама чёрная дыра вращается. Если к ней приблизиться, то можно почувствовать, как будет начинать тянуть в сторону – это все равно, что запрыгнуть на вращающуюся карусель, с которой уже невозможно сойти. Если карусель будет вращаться очень быстро, то очертания сидящих на ней смажутся – аналогичная картина и вокруг чёрной дыры.
Что внутри?
Четырёхмерная версия куба – тессеракт – это модель четырёхмерного пространства, которую туда поместили «они» — люди будущего, ведь для «них» нет ограничений в путешествиях в пространстве-времени. Время в черной дыре стало физическим измерением для Купера. Единственное, как он может передать информацию при помощи азбуки Морзе сообразительной Мёрф, — воспользоваться силой гравитации. Здесь уже научная фантазия, ведь что находится в чёрной дыре – никто не знает. По идее, теоретически чёрная дыра должна была разорвать своей гравитацией Купера. Но создатели фильма выбрали необычную идею. Было бы здорово использовать чёрные дыры таким способом!
Мы живём в трёхмерном измерении (длина, ширина, высота) и, вернувшись к теории струн, в микромире может быть множество измерений, свёрнутых в струны, но они настолько малы, что мы их не видим, не ощущаем вовсе. Купер путешествует во времени. Путешествие во времени – пожалуй, самый необъяснимый и запутанный феномен в фильме. Никто не знает, можно ли путешествовать во времени так, как показано, но и отрицать это тоже нельзя: ведь модель Гаргантюа мы увидели в 2014 году, а реальное фото, подтверждающее её правильность, — только в 2019. Возможно, что все догадки верны.
В заключении хочется сказать, что фильм «Интерстеллар» — это удивительное сочетание художественной картины и науки, новейших теорий и самых смелых предположений. Кристофер Нолан и Кип Торн показали нам вполне реальную картину, наше возможное будущее, немного, конечно, приукрасив его научными фантазиями.
Источник