«Наука Интерстеллара» в Калининграде

by a.astashenok · 14.05.2015

20 – 25 апреля в Калининграде проходил фестиваль науки «Грани будущего». Он включил более 40 открытых лекций, мастер-классов, панельных дискуссий и круглых столов. Организатором фестиваля выступил Информационный центр по атомной энергии, а соорганизатором — БФУ им.И.Канта.

В первый день фестиваля в аудитории “Аквариум” ученые Физико-технического института БФУ – доценты А.В. Асташенок и В.А. Юров и профессор, проректор по научной работе А.В. Юров – провели лецию, на которой был подробно разобран с научной точки зрения фильм “Интерстеллар”, вышедший осенью прошлого года. Такой формат оказался весьма удобен для того, чтобы познакомить широкую аудиторию с основными положениями общей теории относительности А. Эйнштейна, рассказать о физике черных дыр и кротовых нор.

Во всемирной сети можно найти немало критических отзывов о фильме, однако, на самом деле, большая часть упреков в адрес создателей “Интерстеллара” неверна с физической точки зрения. Автором идеи фильма стал известный специалист в области теории тяготения К.С. Торн, один из авторов классического труда “Гравитация”. Естественно, такой ученый не мог допустить явных “ляпов” с точки зрения физики. Как это не покажется странным, но изображенное в фильме, в принципе, не запрещено никакими современными законами науки. Безусловно, вероятность того, что такое возможно, ничтожно мала, но все же это может быть.

В первой части лекции слушатели получили представление о теории относительности Эйнштейна, узнали о таких эффектах, как замедление времени вблизи массивных тел, искривление пространства, гравитационное линзирование. Гравитация в каком-то смысле является основным действующим “лицом” в фильме, поэтому знакомство с основными положениями ОТО просто необходимо для понимания идеи фильма.

Затем был разобран вопрос о возможности существования во Вселенной кротовых нор (или червоточин) – пространственно-временных туннелей, которые могут связывать удаленные области в одной Вселенной или даже разные вселенные. Оказывается, для стабильного существования таких объектов необходима материя с очень странными свойствами – отрицательным давлением и даже плотностью! До недавнего времени такое казалось невероятным, но открытие ускоренного расширения Вселенной в 1998 г. как раз требует существования в ней такой субстанции (которую назвали темной энергией).

Самые главные возражения в отношении фильма обычно связаны с тем, что вблизи черной дыры приливные силы тяготения разорвали бы все живое. Физики называют этот процесс “спагеттизацией”. Но ключ к пониманию того, каким образом космонавты могли так близко находиться около черной дыры, лежит в том, что изображенная в фильме черная дыра имеет огромную массу (100 миллиардов солнечных масс, как пишет К. Торн в своей книге “The Science of Interstellar”) и вращается с огромной скоростью. Для требуемого по сценарию замедления времени (1 час на планете Миллер равен 7 годам на Земле) орбита планеты должна быть очень близка к горизонту событий черной дыры. Если черная дыра не вращается, то такая орбита будет чрезвычайно неустойчивой, при малейшем возмущении планета просто “свалиться” за горизонт событий. Но вращение “закручивает” пространство, создавая в каком-то смысле центробежную силу. Это приводит к относительной устойчивости орбиты. Приливные же силы невелики для массивных черных дыр (однако, их достаточно для того, чтобы вызвать гигансткие волны на планете Миллер).

Отдельного рассмотрения заслуживают визуальные эффекты в фильме, в частности, изображение аккреционного диска вокруг черной дыры. Фильм “Интерстеллар” – первый художественный фильм, в котором черная дыра изображена так, как ее бы увидели космонавты (см. рис.)

Лучи света, испущенные с верхней поверхности диска за Гаргантюа, движутся над черной дырой к камере, создавая изображение диска, обернутое вокруг верха тени Гаргантюа. Аналогично возникает изображение диска, обернутого вокруг низа тени Гаргантюа. Пространственный вихрь черной дыры (пространство движется на нас слева и от нас справа) искажает изображение диска. Он отталкивает диск от тени слева и притягивает к ней справа, поэтому диск выглядит искривленным (рисунок из книги K. S. Thorne, The Science of Interstellar).

Самый интригующий вопрос: куда же попал Купер после падения в черную дыру? И как он смог избежать сингулярности – точки, в которой гравитационные силы должны быть равны бесконечности? На этот вопрос попытался ответить Артем Валерианович Юров. Если верно предположение о существовании дополнительных измерений, то наша трехмерная Вселенная может быть “вложена” в пространство с числом измерений, большим трех. Это пространство называют “балком”, а саму Вселенную – “браной”. Гравитация выходит за пределы нашей браны (в отличие от остальных фундаментальных сил, которые “живут” на бране). Черная дыра с гигантской гравитацией может служить мостом в пятое измерение, о котором говорится в фильме (четвертое измерение – это время). Можно представить себе плоских существ, которые живут на листе бумаги и человека, склонившегося над этим листом. В подобном положении и очутился Купер, который видет трехмерный мир, но при этом сам из этого мира невидим.