Цікаві факти

Теоретична фізика Кіпа Торна у фільмі «Интерстеллар»

Теоретична фізика Кіпа Торна у фільмі «Интерстеллар»


Вийшов на початку листопада фільм «Интерстеллар» вже з повним правом можна вважати головною подією сезону. Причому не тільки кінематографічного. Показані в картині події - космічні польоти через гіперпростір, падіння в чорні дірки і подорожі в часі - викликали бурхливі дискусії як серед любителів фантастики, так і в навколонаукових колах. Що не дивно - консультантом фільму виступив знаменитий фізик-теоретик Кіп Торн. А там, де справа стосується сучасної теоретичної фізики, часто-густо виходить так, що ще вчора було оскаженілою фантастикою сьогодні виявляється респектабельної науковою теорією.

*Обережно, в тексті є спойлери.


Основні події фільму починаються з польоту головних героїв через розгорнулася поряд з Сатурном червоточину. Фізично вона являє собою тунель, що зв'язує дві віддалені області простору-часу. Ці області можуть перебувати в одній і тій же всесвіту, так і пов'язувати різні точки всесвітів різних (в рамках концепції мультивселенной). В залежності від можливості повернутися крізь нору назад їх поділяють на прохідні і непрохідні. Непрохідні діри швидко закриваються і не дають можливості потенційного мандрівникові проробити зворотний шлях.


У двумерии горловини червоточини - отвори, з яких починається і закінчується тунель, - мають форму кола. У трехмерии (як у фільмі) горловину кротові нори схожа на сферу. Утворюються такі об'єкти з двох сингулярностей у різних областях простору-часу, які гиперпространстве (просторі більшої розмірності) стягуються один до одного з утворенням нори. Оскільки нора являє собою просторово-часовий тунель, подорожувати по ньому можна не тільки в просторі, але і в часі.


У «Интерстелларе» нора була прохідною і зв'язувала різні галактики у Всесвіті. Але, щоб повернутися через неї назад, червоточина має бути заповнено матерією з негативною середньою щільністю маси, що перешкоджає закриттю тунелю. Серед відомих науці володіють такими властивостями елементарних частинок немає. Проте, ймовірно, вони можуть входити до складу темної матерії.


Інший спосіб створення червоточини - протягування однієї області простору, що утворює дірку з сингулярністю, яка в гиперпространстве дістає до іншої області простору. Підтримувати прохідність нори в обох випадках пропонується за допомогою пропускання через неї матерії з негативною щільністю маси. Такі проекти не суперечать ЗТВ.


Після прольоту через червоточину космічні мандрівники вирушають на екзопланети, потенційно придатні для життя згідно з відомостями, отриманими від розвідувальних місій. Щоб планета була хоча б потенційно придатна для життя людини, на ній повинні бути схожі на земні стійкі світлові, температурні і гравітаційні режими. Тиск в атмосфері повинне бути співставним із земним, а хімічний склад - придатним для життя хоча б деяких земних організмів. Обов'язкова умова - наявність води. Все це накладає певні обмеження на масу і об'єм планети, а також відстань до світила і параметри орбіти.


При цьому перша з планет (Міллер) виявилася розташована дуже близько до надмасивної чорної діри Гаргантюа масою 100 мільйонів сонць і віддаленої від Землі на 10 мільярдів світлових років. Радіус дірки порівняємо з радіусом орбіти Землі навколо Сонця, а навколишній її аккреційний диск простягався далеко за орбіту Марса. Із-за сильного гравітаційного поля чорної дірки один час, проведений на поверхні планети Міллера, виявляється дорівнює семи рокам на Землі.


Нічого дивного, стверджує теоретична фізика, це пов'язано з ефектом уповільнення часу в сильному гравітаційному полі чорної діри, в якому знаходиться планета. У спеціальній теорії відносності (СТО) - теорії руху тіл зі швидкості світла - уповільнення часу спостерігається в рухомих об'єктах. А ОТО, що представляє собою узагальнення СТО з урахуванням гравітації, має місце еквівалентність інерції і тяжіння, далеким наслідком якої і є гравітаційне уповільнення часу.


Після невдалих місій на экзопланетах героя Меттью Макконахі (разом з роботом) затягує в надмасивну чорну діру Гаргантюа. Причому ні героя Макконахі, ні його робота при наближенні до діри не розірвало на тисячу маленьких Меттью і роботиков від жахливої гравітації. Однак і тут у сучасної фізики є пояснення.


Чорна діра являє собою масивний об'єкт, гравітаційне тяжіння якого, згідно з класичною версією ОТО, не дозволяє матерії покидати її межі. Межа дірки з навколишнім простором називається горизонтом подій. Переходячи крізь нього, тіло, як вважається, назад (принаймні, тим же шляхом) вийти не може.


Є кілька сценаріїв утворення таких об'єктів. Основний механізм передбачає гравітаційний колапс деяких типів зірок або речовини в центрах галактик. Також не виключається їх освіту ще за часів Великого вибуху і при реакціях елементарних частинок. Існування чорних дір у більшості вчених не викликає сумніву.


Напруженість гравітаційного поля (простіше кажучи, значення прискорення вільного падіння) чорної діри зменшується при віддаленні від неї. Це непомітно на великій відстані, де поле чорної діри локально однорідно і суттєво на невеликих відстанях: різні частини одного і того ж протяжного об'єкта падають у дірку з різними прискореннями, і об'єкт розтягується.


Саме так діє приливна сила чорної діри. Однак тут є лазівка. Приливна сила прямо пропорційна масі чорної діри і обернено пропорційна кубу радіуса горизонту подій. Радіус горизонту подій дірки зростає пропорційно її масі. Отже, по порядку величини приливна сила обернено пропорційна квадрату маси діри. Для звичайних чорних дір виходять величезні значення приливних сил, тоді як для надмасивних вони не такі вже великі, чим і скористалися герої «Интерстеллара».


Всередині обертається чорної діри герой Меттью Макконахі (і його робот) виявили пятимерную всесвіт. І тут їм, скажемо прямо, пощастило - якби чорна діра не була обертається, мандрівники продовжили б рух до її центру - сингулярності, і в цьому випадку фінал фільму був би зовсім іншим.


Можна припустити, що герою Макконахі (і його роботу) вдалося проникнути в таку чорну діру, уникнути її особливостей і подорожувати всередині неї за спеціальною траєкторії, яка привела його в нову всесвіт. У неї геометрія виявилася локально улаштованої так, що чотири виміри є просторовими і одне - тимчасовим. Формально це не суперечить ЗТВ.


І хоча людина, по всій видимості, здатний сприймати тільки три просторових і один часовий вимір, у фільмі головний герой у нової всесвіту отримав можливість не тільки подорожувати по тимчасовому виміру, але і спостерігати в тривимірному просторі проекції чотиривимірного.


Поки Меттью Макконахі (разом з роботом) літає по экзопланетам і в чорну діру, що залишився на землі професор у виконанні Майкла Кейна намагається вирішити якесь «рівняння гравітації», яке дозволило б пов'язати в одну теорію квантову механіку і ОТО і тим самим зрозуміти фізику червоточини і чорної діри.


І, треба сказати, герой Майкла Кейна мучиться не один. Створення універсальної теорії, що зв'язує ОТО і квантову механіку, - основне завдання більшості сучасних математичних фізиків - фахівців з теорії струн. Головне завдання теорії - об'єднання всіх чотирьох відомих взаємодій: сильне, слабке, електромагнітне й гравітаційне. Описом перших трьох займається квантова теорія поля (КТП), математична модель сучасної фізики елементарних частинок, останнім - ОТО. При цьому ОТО в цілому не суперечить КТП, оскільки говорить про явища на інших масштабах довжин і енергій. Але якщо ВІД має справу з космологічними об'єктами величезних мас, то КТП застосовна на субатомному рівні.


Проблема в тому, що обидві теорії вступають в суперечність один з одним на планківських масштабах, оскільки на них ВІД необхідний облік квантових поправок. Так, у чорній дірі квантові ефекти призводять до її випаровуванню. Квантова версія ОТО, одержувана аналогічним КТП чином, виявляється неперенормируемой, тобто спостережувані величини не вдається зробити кінцевими. Вирішенню цього питання і присвячена більша частина досліджень у цій області. Сама ж теорія струн (M-теорія) заснована на припущенні існування на планківських масштабах гіпотетичних одновимірних об'єктів - струн, порушення яких інтерпретуються як елементарні частинки та їх взаємодії.


Як це відбувається і чому, фізики не можуть розібратися вже майже півстоліття. Так що не турбуйтеся, якщо вам вся ця стаття здалася чимось на зразок китайської грамоти (незрозуміло, правда, навіщо ви тоді її дочитали до кінця). До того ж головний висновок з усього перерахованого вище цілком простий: крім улюбленого серіалу «Теорія великого вибуху» у гиків всього світу тепер з'явився і улюблений фільм.