FAQ по Гаргантюа: реальна чи чорна діра в Інтерстеллар?

Постараюся відповісти на кілька запитань, що виникають по фільму у глядачів.

1) Чому чорна діра Гаргантюа у фільмі виглядає саме так?

Фільм Інтерстеллар - це перший художній фільм в історії кіно, де було застосовано візуалізація чорної діри на основі фізико-математичної моделі. Моделювання здійснювалося командою фахівців з 30 осіб (відділом візуальних ефектів Павла Франкліна) у співпраці з Кіпом Торном - фізиком-теоретиком зі світовим ім'ям, відомого своїми роботами в теорії гравітації, астрофізики і квантової теорії вимірювань. На один кадр витрачалося близько 100 годин, а всього на модель пішло близько 800 терабайт даних.
Торн створив не тільки математичну модель, але і написав спеціалізоване програмне забезпечення (CGI), що дозволило побудувати комп'ютерну модель візуалізації.

Ось що вийшло у Торна:

Звичайно, справедливим буде задати питання: чи є моделювання Торна першим в історії науки? І чи є зображення, отримане Торном, чимось раніше невідомий в науковій літературі? Зрозуміло, немає.
Жан П'єр ЛЮМІНА з Обсерваторії Париж-Мюдон, відділення релятивістських Астрофізики та космології, також котра купила всесвітню популярність своїми працями з області чорних дірок і космології, - один з перших учених, хто отримав шляхом комп'ютерного моделювання зображення чорної діри. У 1987-му році виходить його книга «Чорні діри: популярний вступ» де він пише:

«Перші комп'ютерні картинки чорної діри, оточеної аккреційним диском, були отримані мною (Luminet, J.-P. (1979): Astron. Astrophys.). Більш тонкі розрахунки проведені Марком (Marck, J.-A. (1993): Class. Quantum Grav) як для метрики Шварцшильда, так і для випадку обертається чорної діри. Правдоподібні зображення - тобто розраховані з урахуванням кривизни простору, червоного зсуву і фізичних властивостей диска можуть бути отримані для довільної точки, навіть знаходиться всередині горизонту подій. Був навіть створений фільм, що показує, як змінюються ці спотворення при русі по временіподобной траєкторії навколо чорної діри (Delesalle, Lachieze-Rey and Luminet, 1993). Малюнок - це один з його кадрів для випадку руху по навісний параболічної траєкторії »

Пояснення, чому зображення виходить саме таким:

"Через кривизни простору-часу в околиці чорної діри зображення системи істотно відрізняється від еліпсів, які ми б бачили, якщо б замінили чорну діру звичайним маломасивних небесним тілом. Випромінювання верхньої сторони диска утворює пряме зображення, причому через сильну дисторсии ми бачимо весь диск (чорна діра не закриває від нас знаходяться за нею частини диска). Нижня частина диска також видима через істотне викривлення світлових променів ".

Зображення ЛЮМІНА напрочуд нагадує результат Торна, отримане ним більш ніж через 30 років після робіт француза!

Чому ж в інших численних візуалізація: як в статтях, так і науково-популярних фільмах, чорну діру часто можна побачити зовсім не такий? Відповідь проста: комп'ютерне «малювання» чорної діри на основі математичної моделі - дуже складний і трудомісткий процес, який часто не вписується в скромні бюджети, тому автори найчастіше обходяться роботою дизайнера, а не фізика.

2) Чому аккреційний диск Гаргантюа не такий ефектний, який можна побачити на численних картинках та науково-популярних фільмах? Чому не можна було показати чорну діру яскравішою і значною?

Це питання я об'єднаю з наступним:

3) Відомо, що аккреційний диск чорної діри є джерелом дуже інтенсивної радіації. Космонавти б просто загинули, якби наблизити до чорної діри.

І це дійсно так. Чорні діри - це двигуни найяскравіших, найбільш високоенергетичних джерел випромінювання у Всесвіті. За сучасними уявленнями, серцем квазарів, які світять часом яскравіше, ніж сотні галактик, всіх разом узятих, є чорна діра. Своєю гравітацією вона притягує величезні маси речовини, змушуючи його стискатися в невеликій області під неймовірно високим тиском. Ця речовина нагрівається, в ньому течуть ядерні реакції з випусканням найпотужнішого рентгенівського і гамма випромінювання.
Ось як часто малюють класичний аккреційний диск чорної діри:

Якби Гаргантюа була такою, то такий аккреційний диск вбив би своїм випромінюванням астронавтів. Акреція у чорної діри Торна не така щільна і масивна, по його моделі температура диска не вище, ніж біля поверхні Сонця. Багато в чому це завдяки тому, що Гаргантюа - надмасивна чорна діра, масою не менше 100 мільйонів мас сонця, з радіусом в одну астрономічну одиницю.
Це не просто надмасивна, а ультрамассівная чорна діра. Навіть чорна діра в центрі Чумацького Шляху має, за різними оцінками, масою 4-4.5 млн. Сонячних мас.
Хоча Гаргантюа - далеко не рекордсмен. Наприклад, діра в галактиці NGC 1277 має масу 17 мільярдів сонць.
Ідея уявити собі такий експеримент, в якому люди досліджують чорну діру, турбувала Торна з 80-х років. Вже у своїй книзі «Чорні діри і складки часу. Зухвале спадщина Ейнштейна », виданої в 1990-му році, Торн розглядає гіпотетичну модель міжзоряного подорожі, в якому дослідники вивчають чорні діри, бажаючи якомога ближче підібратися до горизонту подій, щоб краще зрозуміти його властивості.
Дослідники починають з невеликою чорної діри. Вона їх зовсім не влаштовує тому, що створювані нею приливні сили дуже великі і небезпечні для життя. Вони змінюють об'єкт вивчення на більш масивну чорну діру. Але і вона їх не задовольняє. Нарешті, вони направляються до гігантської Гаргантюа.
Гаргантюа знаходиться поблизу квазара 3C273 - що дозволяє порівняти властивості двох дірок.
Спостерігаючи за ними, дослідників задаються питанням:

"Різниця між Гаргантюа і 3C273 здається дивною: чому Гарнатюа, в його тисячу разів більшими масою і розміром, не володіє таким круглим бубликом газу і гігантськими струменями квазара?"

Аккреційний диск Гаргантюа щодо холодний, що не масивний, він не випромінює стільки енергії, як це відбувається в квазарі. Чому?

"Після телескопічних досліджень Брет знаходить відповідь: раз в кілька місяців зірка на орбіті центральної діри 3C273 підходить близько до горизонту і розривається приливними силами чорної діри. Залишки зірки, масою приблизною 1 сонячну, розбризкуються в околицях чорної діри. Поступово внутрішньо тертя заганяє Витік газ всередину бублика. Цей свіжий газ компенсує газ, яким бублик постійно постачає дірку і струменя. Таким чином бублик і струменя підтримують свої запаси газу і продовжують яскраво світити.
Брет пояснює, що зірки можуть близько підійти і до Гаргантюа. Але оскільки Гаргантюа набагато більше 3C273, його приливні сили над горизонтом подій занадто слабкі, щоб розірвати зірку. Гаргантюа проковтує зірки цілими, не розбризкуючи їх нутрощі в навколишній бублик. А без бублика Гаргантюа не може створити струменя і інші особливості квазара. »

Щоб навколо чорної діри існував масивний випромінює диск, повинен бути будівельний матеріал, з чого він може утворитися. У квазарі - це щільні газові хмари, дуже близькі до чорної діри зірки. Ось класична модель освіти аккреционного диска:

У Інтерстеллар видно, що масивному аккреционного диску там просто нема з чого виникнути. Немає ні щільних хмар, ні близьких зірок в системі. Якщо щось і було, то все це давно з'їдено.
Єдине, чим задовольняється Гаргантюа - це нізкоплотний хмари межвездного газу, що створюють слабке, «низькотемпературний» аккреційний диск, що не випромінює так інтенсивно, як класичні диски в квазарах або подвійних системах. Тому випромінювання диска Гаргантюа не вб'є астронавтів.

Торн пише в The Science of Interstellar:

"Типовий аккреційний диск має дуже інтенсивне ренгтеновское, гамма і радіовипромінювання. Настільки сильне, що підсмажить будь-якого астронавта, який надумає опинитися поряд. Диск Гаргантюа, показаний у фільмі - надзвичайно слабкий диск." Слабкий "-, зрозуміло, не за людськими мірками, а за стандартами типових квазарів. Замість того, щоб бути нагрітим до сотень мільйонів градусів, як нагріваються квазарние аккреційному диски, диск Гаргантюа нагрітий всього лише на кілька тисяч градусів, приблизно як поверхня Сонця. Він випромінює багато світла, але майже не випромінює рентгенівські і гамма- промені. Такі диски можуть існувати на пізніх стадіях еволюції чорних дір. Тому диск Гаргантюа досить відрізняється від картини, яку ви можете часто бачити на різних популярних ресурсах з астрофізики. "

Кіп Торн єдиний, хто висловив існування холодних акреційних дисків навколо чорних дір? Зрозуміло, немає.

У науковій літературі холодні аккреційному диски чорних дір давно досліджуються:
Згідно з деякими даними, надмасивна чорна діра в центрі Чумацького Шляху Стрілець А * (Sgr A *) володіє якраз таки холодним аккреційним диском:

Навколо нашої центральної чорної діри може існувати неактивний холодний аккреційний диск, Що залишився (через низьку в'язкості) від "бурхливої \u200b\u200bмолодості" Sgr A *, коли темп акреції був високий. Тепер цей диск "засмоктує" гарячий газ, не даючи йому падати в чорну діру: газ осідає в диску на відносно великих відстанях від чорної діри.

(С) Close stars and an inactive accretion disc in Sgr A *: eclipses and fl ares
Sergei Nayakshin1 and Rashid Sunyaev. // 1. Max-Planck-Institut fur Astrophysik, Karl-Schwarzschild-Str. Garching, Germany 2. Space Research Institute, Moscow, Russi

Або Лебідь X-1:

Виконано спектральний і часовий аналіз великого числа спостережень обсерваторією RXTE аккрецируют чорних дір Лебідь X-1, GX339-4 і GS1354-644 в низькому спектральному стані протягом 1996-1998 рр. Для всіх трьох джерел виявлена \u200b\u200bкореляція між характерними частотами хаотичної змінності і спектральними параметрами - нахилом спектра комптонізірованного випромінювання і відносної амплітудою відображеної компоненти. Зв'язок між амплітудою відображеної компоненти і нахилом Комптонізаціонного спектра показує, що відображає середовище ( холодний аккреційний диск) Є основним постачальником м'яких фотонів в область комптонізаціі.

(С) Report at SPIE organization Conference "Astronomical Telescopes and Instrumentation", 21-31 March 2000, Munich, Germany

Interaction Between Stars and an Inactive Accretion Disc in a Galactic Core // Vladimır Karas. Astronomical Institute, Academy of Sciences, Prague, Czech Republic and

(С) Charles University, Faculty of Mathematics and Physics, Prague, Czech Republic // Ladislav Subr. Charles University, Faculty of Mathematics and Physics, Prague, Czech Republic

"Спокійні" чорні діри схожі на дірку в в Туманності Андромеди - одну з перших виявлених надмасивних чорних дір. Її маса - близько 140 мільйонів сонячних мас. Але знайшли її не по сильному випромінюванню, а по характерному руху зірок навколо цієї області. Характерним "квазарним" випромінюванням ядра цих галакктіх. І астрофізики прийшли до висновку, що на цю чорну діру просто не падає речовина. Така ситуація характерна для "спокійних" галактик, на зразок Туманності Андромеди і Чумацького Шляху.

Галактики з активними чорними дірами звуться активних, або сейфертовських галактик. До числа сейфертовських галактик відносять приблизно 1% від всіх спостережуваних спіральних галактик.

Про те, як знайшли сверхмассивную чорну діру в Туманності Андромеди, добре показано в науково-популярному фільмі BBC "Надмасивні чорні діри".

4) Чорні діри, як відомо, мають смертоносними приливними силами. Хіба вони не розірвуть як астронавтів, так і планету Міллера, яка у фільмі знаходиться дуже близько до горизонту подій?

Навіть лаконічна Вікіпедія пише про одну важливу властивість надмасивної чорної діри:

«Приливні сили близько горизонту подій значно слабкіше через те, що центральна сингулярність розташована так далеко від горизонту, що гіпотетичний космонавт, який мандрує до центру чорної діри, не відчує впливу екстремальних приливних сил до тих пір, поки не зануриться в неї дуже глибоко. »

З цим згодні будь-які наукові і популярні джерела, де описуються властивості надмасивних чорних дір.

Розташування точки, в якій приливні сили досягають такої величини, що руйнують потрапив туди об'єкт, залежить від розміру чорної діри. Для надмасивних чорних дір, як, наприклад, розташованих в центрі Галактики, ця точка лежить в межах їх горизонту подій, тому гіпотетичний космонавт може перетнути їх горизонт подій, не помічаючи ніяких деформацій, але після перетину горизонту подій його падіння до центру чорної діри вже неминуче . Для малих чорних дір, у яких радіус Шварцшильда набагато ближче до сингулярності, приливні сили вб'ють космонавта ще до досягнення нею горизонту подій

(С) Schwarzschild black holes // General relativity: an introduction for physicists. - Cambridge University Press, 2006. - P. 265. - ISBN 0-521-82951-8.

Зрозуміло, маса Гаргантюа в була обрана так, щоб не розірвати приливами астронавтів.
Варто зауважити, що у Торна Гаргантюа 1990-го року кілька масивніше, ніж в Інтерстеллар:

«Розрахунки показали, що чим більше діра, тим менша тяга потрібно ракеті для утримання її на окружності в 1.0001 горизонту подій. Для болючою, але терпимою тяги в 10 земних g маса дірки повинна бути в 15 трильйонів сонячних мас. Найближча з таких дірок називається Гаргантюа, знаходиться вона на відстані 100000 світлових років від нашої галактики і в 100 мільйонах світлових років від кластера галактик Діва, навколо якого обертається Чумацький Шлях. Фактично вона знаходиться поблизу квазара 3C273, в 2 мільярди світлових років від Чумацького Шляху ...
Вийшовши на орбіту Гаргантюа і провівши звичайні вимірювання, ви переконуєтеся, що дійсно його маса дорівнює 15 трильйонів сонячних мас і що обертається він дуже повільно. З цих даних ви обчислюєте, що довжина кола його горизонту становить 29 світлових років. Нарешті, розраховує, що це діра, околиця якої ви можете досліджувати, відчуваючи допустимі приливні сили і прискорення! "

У книзі «The Science of Interstellar» 2014-го року, де Кіп Торн описує наукові аспекти роботи над фільмом, він призводить вже цифру 100 мільйонів мас сонця - але помічаючи, що це мінімальна маса, яка може бути у «комфортної» щодо приливних сил чорної діри.

5) Як може існувати планета Міллера так близько від чорної діри? Чи не розірве її приливними силами?

Астроном Філ Плейнт, відомий під кличкою «Поганий Астроном» за свій нестримний скептицизм, просто не зміг пройти повз Інтерстеллар. До того ж до цього він злобно руйнував своїм гострим скепсисом багато гучні фільми, наприклад «Гравітацію».

«Я дійсно з нетерпінням чекав Інтерстеллар .. Але те, що я побачив, - було жахливо. Це повний провал. Мені все дуже, дуже не сподобалося »

- пише він у своїй статті від 6-го листопада.
Філ каже, що щодо наукової частини фільм є цілковитою туфтою. Що навіть в гіпотетичних рамках не може відповідати сучасним науковим уявленням. Особливо він проїхався по планеті Міллера. За його словами, планета може стійко обертатися навколо такої чорної діри, але її орбіта повинна бути як мінімум в три рази більше розміру самої Гаргантюа. Годинник буде йти повільніше, ніж на Землі, але всього на 20 відсотків. Стійкість планети, близької до чорної діри, як показано у фільмі - це неможлива вигадка. До того ж її зовсім розірвуть на частини приливні сили чорної діри.

Але 9-го листопада Плейнт з'являється з новою статтею. Він її називає Follow-Up: Interstellar Mea Culpa. Нерімерімий науковий критик вирішив покаятися.

«Знову я напартачив. Але незалежно від величини своїх помилок, я завжди намагаюся визнавати їх. В кінці-кінців, сама наука змушує нас визнавати свої помилки і вчитися на них! »

Філ Плейнт визнав, що допустив помилки в своїх міркуваннях і прийшов до неправильних висновків:

«У своєму огляді я говорив про планету Міллера, що оберталася близько до чорної діри. Час, проведений на планеті дорівнює семи земних років. Моя претензія полягала в тому, що при такому уповільненні часу стабільна орбіта планети була б неможливою.
І це правда ... для невращающейся чорної діри. Моя помилка полягала в тому. що я не використав правильні рівняння для чорних дір, яка швидко оберталася! Це сильно змінює картину простору-часу біля чорної діри. Зараз я розумію, стійка орбіта у даній планети навколо чорної діри цілком може існувати, причому настільки близько до горизонту подій, що вказане в фільмі уповільнення часу можливо. Загалом, я був не правий.
Я стверджував також в своєму первісному аналізі, що гравітаційні припливи розірвуть цю планету на частини. Я консультувався з парою астрофізиків, які також сказали, що припливи Гаргантюа, ймовірно, повинні знищити планету, але математично це поки що не підтверджено. Вони до цих пір працюють над вирішенням цього завдання - і як тільки вона буде вирішена, я опублікую рішення. Я сам не можу сказати, чи був я прав, чи ні в своєму аналізі, - і навіть якщо я мав рацію, мої міркування і раніше стосувалися тільки невращающейся чорної діри, так що вони не є справедливими для цього випадку.
Щоб вирішити таке завдання, потрібно обговорити безліч математичних проблем. Але я не знаю точно, наскільки саме далеко була планета Міллера від Гаргантюа, і тому дуже важко сказати, зруйнували б її припливи, чи ні. Книгу фізика і виконавчого продюсера фільму Кіпа Торна «The Science of Interstellar» я ще не читав - думаю, вона проллє світло на цю проблему.
Проте, я помилявся щодо стабільності орбіти - і я зараз вважаю належним скасувати цю мою претензію до фільму.
Отже, підведу підсумок: фізична картина поблизу чорної діри, продемонстрована в фільмі, є насправді відповідної науці. Я зробив помилку, за яку я приношу свої вибачення.

Ikjyot Singh Kohli, фізик-теоретик з Йоркського університету, на своїй сторінці привів рішення рівнянь, доводячи, що існування планети Міллера цілком можливо.
Він знайшов рішення, при якому планета буде існувати в продемонстрованих у фільмі умовах. Але також обговорив і проблему приливних сил, які повинні нібито розірвати планету. Його рішення свідчить, що приливні сили занадто слабкі, щоб її розірвати.
Він навіть обґрунтував наявність гігантських хвиль на поверхні планети.

Міркування Сінгха Коли з прикладами рівнянь тут:

Так показує знаходження планети Міллера Торн в своїй книзі:

Є точки, в яких орбіта буде не стійка. Але Торн знайшов також і стійку орбіту:

Приливні сили не розривають планету, але деформують її:

Якщо планета обертається навколо джерела приливних сил, то вони будуть постійно змінювати свій напрямок, по-різному деформуючи її в різних точках орбіти. В одному положенні планета буде сплющена зі сходу на захід і витягнута з півночі на південь. В іншій точці орбіти - здавлена \u200b\u200bз півночі на південь і розтягнута зі сходу на захід. Оскільки гравітація Гаргантюа дуже велика, то мінливі внутрішні деформації і тертя буде нагрівати планету, роблячи її дуже гарячою. Але, як ми бачили у фільмі, планета Міллера виглядає зовсім інакше.
Тому справедливим буде вважати, що планета завжди повернена до Гаргантюа однією стороною. І це природно для багатьох тіл, які обертаються навколо більш сильного гравитирующего об'єкта. Наприклад, наш Місяць, багато супутники Юпітера і Сатурна завжди повернені до планеті тільки однією стороною.

Також Торн зупинився на ще одному важливому моменті:

«Якщо дивитися на планету Міллера з планети Манна, то можна побачити, як вона обертається навколо Гаргантюа з орбітальним періодом 1.7 години, проходячи за цей час майже мільярд кілометрів. Це приблизно половина швидкості світла! Через уповільнення часу для екіпажу Рейнджера цей період зменшується, складаючи десяту частку секунди. Це дуже швидко! І хіба це не набагато швидше, ніж швидкість світла? Ні, адже в системі звіту вихреобразно рушійної простору навколо Гаргантюа планета рухається повільніше, ніж світло.
У моїй науковій моделі фільмі планета повернута до чорної діри завжди однією стороною, і обертається з шаленою швидкістю. Чи не розірвуть чи відцентрові сили планету на частини через цю швидкості? Ні: її знову рятує обертається вихор простору. Планети не буде відчувати руйнівних відцентрових сил, так як сам простір обертається разом з нею з тією ж самою швидкістю »

6) Як можливі настільки гігантські хвилі на поверхні планети Міллера?

На це питання Торн відповідає так:

«Я зробив необхідні фізичні розрахунки, і знайшов дві можливих наукових інтерпретації.
Обидва цих рішення вимагають, щоб положення осі обертання планети було стабільним. Планета повинна розгойдуватися в деякому діапазоні, як показано на малюнку. Це відбувається під вплив гравітації Гаргантюа.

Коли я обчислив період цього розгойдування, то я отримав величину близько години. І це збіглося з тим часом, який вибрав Кріс - до цього ще не знав про мою наукову інтерпретації!
Моя друга модель - це цунамі. Приливні сили Гаргантюа може деформувати кору планети Міллера, з таким же періодом (1 година). Ці деформації можуть створювати дуже сильні землетруси. Вони можуть викликати такі цунамі, які будуть значно перевершувати будь-які, побачені коли-небудь на Землі. »

7) Як можливі такі неймовірні маневри Ендуренс і Рейнджера на орбіті Гаргантюа?

1) Ендуренс рухається по паркувальної орбіті з радіусом, рівним 10 радіусом Гаргантюа, і екіпаж прямує на п. Міллера, рухається зі швидкістю С / 3. Планета Міллера рухається зі швидкістю 55% від С.
2) Рейнджер повинен скинути швидкість від С / 3 на меншу, щоб знизити орбіту і наблизитися до п. Міллера. Він сповільнюється до с / 4, і досягає околиць планети (зрозуміло, тут треба дотримати строгий розрахунок, щоб потрапити. Але це не проблема для комп'ютера)

Механізм для такого істотного зміни швидкості описаний Торном:

"Зірки і малі чорні діри обертаються навколо гігантських чорних дір, як Гаргантюа. Саме вони можуть створювати визначальні сили, які відхилять Рейнджер від його кругової орбіти і направлять його вниз - до Гаргантюа. Подібний гравітаційний маневр часто використовується НАСА в Сонячній системі, хоча тут використовується гравітація планет, а не чорної діри. Подробиці цього маневру не розкриваються в Інтерстеллар, але сам маневр згадується, коли вони говорять про використання нейтронної зірки, щоб уповільнити швидкість. "

Нейтронна зірка показана Торном на малюнку:

Побачення з нейтронної зіркою дозволяє змінити швидкість:

"Таке наближення може дуже небезпечним, тобто Рейнджер повинен наблизитися до нейтронної зірки (або малої чорної діри) досить близько, щоб відчувати сильну гравітацію. Якщо гальмує зірка або чорна діра з меншим радіусом, ніж 10 000 км, то людей і Рейнджер розірвуть приливні сили. Тому нейтронна зірка повинна бути по меншій мірі розміром 10 000 км.
Я обговорював цю проблему з Ноланом під час виробництва сценарію, запропонувавши чорну діру або нейтронну зірку на вибір. Нолан вибрав нейтронну зірку. Чому? Тому що він не хотів запитати глядачів двома чорними дірами. "

"Чорні діри, звані IMBH (Intermediate-Mass Black Holes) - в десять тисяч разів менше, ніж Гаргантюа, але в тисячу разів важче, ніж звичайні чорні діри. Такий отклонітеля Куперу необхідний. Деякі IMBH, як вважають, утворюються в кульових скупченнях, а деякі знаходяться в ядрах галактик, де знаходяться і гігантські чорні діри. Найближчим прикладом є Туманність Андромеди, - найближча до нас галактика. В ядрі Андромеди ховається діра, подібна Гаргантюа - приблизно 100 млн. Сонячних мас. Коли IMBH проходить через якийсь регіон з щільною зоряної населенностью, то ефект "динамічного тертя" уповільнює швидкість IMBH, і вона падає все нижче і нижче, все ближче опиняючись до гігантської чорної діри. В результаті IMBH виявляється в безпосередній близькості від надмасивної чорної діри. Таким чином, природа могла цілком забезпечити Купера таким джерелом гравітаційного відхилення. "

Реальне застосування "гравітаційної рогатки" дивіться на прикладі міжпланетних космічних апаратів, - наприклад, ознайомтеся з історією Вояджеров.

Нещодавно вийшов на екрани візуально-захоплюючий фільм "Інтрестеллар" грунтується на реальних наукових поняттях, таких як обертові чорні діри, кротові нори і розширення часу.
Але якщо ви не знайомі з цими поняттями, то можливо, злегка заплутаєтеся під час перегляду.
У фільмі команда космічних дослідників відправляється у позагалактичне подорож крізь Кротова нору. На іншій стороні вони потрапляють в іншу Сонячну систему з обертається чорної дірою замість зірки.
Вони знаходяться в гонці з простором і часом, щоб виконати свою місію. Таке космічну подорож може здатися злегка заплутаним, але воно грунтується на основних принципах фізики.
Ось основні 5 понять фізики, які потрібно знати, щоб зрозуміти "Інтерстеллар".

Штучна ГРАВІТАЦІЯ

Найбільшою проблемою, з якою стикаємося ми, люди, при тривалих космічних подорожах, є невагомість. Ми народилися на Землі, і наше тіло пристосувалося до певних гравітаційним умов, але коли ми перебуваємо в космосі тривалий час, наші м'язи починають слабшати.
З цією проблемою стикаються і герої у фільмі "Інтерстеллар".

Щоб впоратися з цим, вчені створюють штучну гравітацію в космічних кораблях. Одним із способів зробити це - розкрутити космічний корабель, як у фільмі. Обертання створює відцентрову силу, яка відштовхує об'єкти до зовнішніх стінок корабля. Це відштовхування схоже на гравітацію, тільки в зворотному напрямку.
Таку форму штучної гравітації ви відчуваєте, коли їдете навколо кривої малого радіусу і вам здається, що вас відштовхує назовні, від центральної точки кривої. Під обертається космічному кораблі стіни для вас стають підлогою.

Обертається чорної ДІРА В КОСМОСІ

2

Астрономи, хоча і побічно, спостерігали в нашому Всесвіті обертові чорні діри. Ніхто не знає, що знаходиться в центрі чорної діри, але у вчених є для цього назва - сингулярність.

Обертові чорні діри спотворюють простір навколо себе по-іншому на відміну від нерухомих чорних дір.

Цей процес спотворення називається "захоплення інерційних систем відліку" або ефект Ленз-Тіррінга, і воно впливає на те, як буде виглядати чорна діра, спотворюючи простір, і що більш важливо простір-час навколо неї. Чорна діра, яку ви бачите у фільмі, досить сильно наближена до наукового поняття.

3

Космічний корабель "Ендюранс" прямує до Гаргантюа - вигаданої надмасивної чорної діри масою в 100 мільйон разів більша за Сонце.
Вона знаходиться на відстані 10 мільярдів світлових років від Землі, і навколо неї обертається кілька планет. Гаргантюа обертається з вражаючою швидкістю 99,8 відсотків від швидкості світла.
Аккреційний диск Гарагантюа містить газ і пил з температурою поверхні Сонця. Диск постачає планети Гаргантюа світлом і теплом.

4

Складний вид чорної діри у фільмі пов'язаний з тим, що зображення аккреционного диска викривлене гравітаційним лінзуванням. На зображенні з'являється дві дуги: одна утворюється над чорною дірою, а інша під нею.

Кротова нора

5

Кротова нора або червоточина, яку використовує екіпаж в "Інтерстеллар" - це одне з явищ у фільмі, існування якого не доведено. Вона гіпотетична, але дуже зручна в сюжетах науково-фантастичних історій, де потрібно подолати велике космічне відстань.
Просто кротові нори - це свого роду найкоротший шлях крізь простір. Будь-який об'єкт з масою створює нірку в просторі, що означає, що простір можна розтягувати, деформувати і навіть складати.
Червоточина - це як складка на тканини простору (і часу), яка з'єднує дві дуже далекі області, що допомагає космічним мандрівникам подолати велику відстань за короткий період часу.
Офіційна назва кротові нори - "міст Ейнштейна-Розена", так як вперше вона була запропонована Альбертом Ейнштейном і його колегою Натаном Розеном в 1935 році.

6

У двомірних діаграмах гирлі кротові нори показано у вигляді кола. Однак, якщо б ми могли побачити Кротова нору, вона б виглядала, як сфера.
На поверхні сфери було б видно гравітаційно спотворений вигляд простору з іншого боку "нори".
Розміри кротові нори в фільмі: 2 км в діаметрі і відстань перенесення - 10 мільярдів світлових років.

Гравітаційні УПОВІЛЬНЕННЯ ЧАСУ

7

Гравітаційне уповільнення часу - це реальне явище, що спостерігається на Землі. Воно виникає тому, що час відносно. Це означає, що воно тече по-різному для різних систем координат.
Коли ви перебуваєте в сильній гравітаційної середовищі, час тече повільніше для вас у порівнянні з людьми, що знаходяться в слабкій гравітаційної середовищі.
Якщо ви перебуваєте біля чорної діри, як у фільмі, ваша система координат, а, отже, сприйняття часу відрізняється від сприйняття того, хто знаходиться на Землі. Це тому, що гравітаційне тяжіння чорної діри тим сильніше, чим ближче ви до неї перебуваєте.

Відповідно до рівняння Ейнштейна час тече повільніше в більш високих гравітаційних полях. Те ж саме відбувається на планеті, близькою до чорної діри: годинник цокає повільніше, ніж на космічному кораблі, що обертається далі.
Присутність маси викривляє мембрану, як гумовий лист.
Якщо досить маси концентрується в одній точці, формується сингулярність. Об'єкти наближаються до сингулярності проходять через горизонт подій, з якого вони ніколи не повертаються.
Для вас хвилина біля чорної діри буде тривати 60 секунд, але якби ви могли поглянути на годинник на Землі, хвилина продовжилася б менше 60 секунд. Це означає, що ви будете старіти повільніше людей на Землі, і чим сильніше гравітаційне поле, в якому ви перебуваєте, тим сильніше сповільнюється час.
Це відіграє важливу роль у фільмі, коли дослідники зустрічаються з чорною дірою в центрі іншого Сонячної системи.

Нещодавно вийшов на екрани візуально-захоплюючий фільм "Інтрестеллар" грунтується на реальних науковихпоняттях, таких як обертові чорні діри, кротові нори і розширення часу.

Але якщо ви не знайомі з цими поняттями, то можливо, злегка заплутаєтеся під час перегляду.

У фільмі команда космічних дослідників відправляється у позагалактичне подорож крізь Кротова нору. На іншій стороні вони потрапляють в іншу Сонячну систему з обертається чорної дірою замість зірки.

Вони знаходяться в гонці з простором і часом, щоб виконати свою місію. Таке космічну подорож може здатися злегка заплутаним, але воно грунтується на основних принципах фізики.

ось основні 5 понять фізики, Які потрібно знати, щоб зрозуміти "Інтерстеллар".

штучна гравітація

Найбільшою проблемою, з якою стикаємося ми, люди, при тривалих космічних подорожах, є невагомість. Ми народилися на Землі, і наше тіло пристосувалося до певних гравітаційним умов, але коли ми перебуваємо в космосі тривалий час, наші м'язи починають слабшати.

З цією проблемою стикаються і герої у фільмі "Інтерстеллар".

Щоб впоратися з цим, вчені створюють штучну гравітацію в космічних кораблях. Одним із способів зробити це - розкрутити космічний корабель, як у фільмі. Обертання створює відцентрову силу, яка відштовхує об'єкти до зовнішніх стінок корабля. Це відштовхування схоже на гравітацію, тільки в зворотному напрямку.

Таку форму штучної гравітації ви відчуваєте, коли їдете навколо кривої малого радіусу і вам здається, що вас відштовхує назовні, від центральної точки кривої. Під обертається космічному кораблі стіни для вас стають підлогою.

Обертається чорна діра в космосі

Астрономи, хоча і побічно, спостерігали в нашому Всесвіті обертові чорні діри. Ніхто не знає, що знаходиться в центрі чорної діри, але у вчених є для цього назву -сингулярність .

Обертові чорні діри спотворюють простір навколо себе по-іншому на відміну від нерухомих чорних дір.

Цей процес спотворення називається "захоплення інерційних систем відліку" або ефект Ленз-Тіррінга, і воно впливає на те, як буде виглядати чорна діра, спотворюючи простір, і що більш важливо простір-час навколо неї. Чорна діра, яку ви бачите у фільмі, доситьсильно наближена до наукового поняття.

• Космічний корабель "Ендюранс" прямує до Гаргантюа - вигаданої надмасивної чорної діри масою в 100 мільйон разів більша за Сонце.
• Вона знаходиться на відстані 10 мільярдів світлових років від Землі, і навколо неї обертається кілька планет. Гаргантюа обертається з вражаючою швидкістю 99,8 відсотків від швидкості світла.
• Аккреційний диск Гарагантюа містить газ і пил з температурою поверхні Сонця. Диск постачає планети Гаргантюа світлом і теплом.

Складний вид чорної діри у фільмі пов'язаний з тим, що зображення аккреционного диска викривлене гравітаційним лінзуванням. На зображенні з'являється дві дуги: одна утворюється над чорною дірою, а інша під нею.

Кротова нора

Кротова нора або червоточина, яку використовує екіпаж в "Інтерстеллар" - це одне з явищ у фільмі, існування якого не доведено. Вона гіпотетична, але дуже зручна в сюжетах науково-фантастичних історій, де потрібно подолати велике космічне відстань.

Просто кротові нори - це свого роду найкоротший шлях крізь простір. Будь-який об'єкт з масою створює нірку в просторі, що означає, що простір можна розтягувати, деформувати і навіть складати.

Червоточина - це як складка на тканини простору (і часу), яка з'єднує дві дуже далекі області, що допомагає космічним мандрівникам подолати велику відстань за короткий період часу.

Офіційна назва кротові нори - "міст Ейнштейна-Розена", так як вперше вона була запропонована Альбертом Ейнштейном і його колегою Натаном Розеном в 1935 році.

• У двомірних діаграмах гирлі кротові нори показано у вигляді кола. Однак, якщо б ми могли побачити Кротова нору, вона б виглядала, як сфера.
• На поверхні сфери було б видно гравітаційно спотворений вигляд простору з іншого боку "нори".
• Розміри кротові нори в фільмі: 2 км в діаметрі і відстань перенесення - 10 мільярдів світлових років.

Гравітаційне уповільнення часу

Гравітаційне уповільнення часу - це реальне явище, що спостерігається на Землі. Воно виникає тому, що час щодо. Це означає, що воно тече по-різному для різних систем координат.

Коли ви перебуваєте в сильній гравітаційної середовищі, час тече повільніше для вас в порівнянні з людьми, що знаходяться в слабкій гравітаційної середовищі.

Якщо ви перебуваєте біля чорної діри, як у фільмі, ваша система координат, а, отже, сприйняття часу відрізняється від сприйняття того, хто знаходиться на Землі. Це тому, що гравітаційне тяжіння чорної діри тим сильніше, чим ближче ви до неї перебуваєте.

• Відповідно до рівняння Ейнштейна час тече повільніше в більш високих гравітаційних полях. Те ж саме відбувається на планеті, близькою до чорної діри: годинник цокає повільніше, ніж на космічному кораблі, що обертається далі.
• Присутність маси викривляє мембрану, як гумовий лист.
• Якщо досить маси концентрується в одній точці, формується сингулярність. Об'єкти наближаються до сингулярності проходять через горизонт подій, з якого вони ніколи не повертаються.

Для вас хвилина біля чорної діри буде тривати 60 секунд, але якби ви могли поглянути на годинник на Землі, хвилина продовжилася б менше 60 секунд. Це означає що ви будете старіти повільніше людей на Землі, І чим сильніше гравітаційне поле, в якому ви перебуваєте, тим сильніше сповільнюється час.

Це відіграє важливу роль у фільмі, коли дослідники зустрічаються з чорною дірою в центрі іншого Сонячної системи.

пятімерном Всесвіт

Альберт Ейнштейн останні 30 років свого життя присвятив розробці " теорії всього", Яка б поєднувала математичні поняття гравітації з іншими трьома фундаментальними силами природи: сильну силу, слабку силу і електромагнітну силу. Йому, як втім, і іншим фізикам це не вдалося.

Деякі фізики вважають, що єдиний спосіб розгадати цю загадку - це сприймати нашу Всесвіт, як 5-мірну, а не 4-мірну, Як пропонував Ейнштейн в теорії відносності, де поєднується тривимірний простір з одновимірним часом.

У фільмі наш Всесвіт представлена \u200b\u200bв 5-ти вимірах, і гравітація відіграє важливу роль у всьому цьому.

Нашу тривимірну Всесвіт можна уявити у вигляді плоскої мембрани (або "Брани"), плаваючу в чотиривимірному гіперпросторі.

Трейлер "Інтерстеллар" 2014

У фільмі безстрашні дослідники використовують червоточину поруч з орбітою Сатурна, щоб потрапити в іншу планетну систему. Глядачеві показується, що «Кротова нора» являє собою просторово-часовий тунель, через який люди практично миттєво можуть переміщатися на великі відстані.

Якщо проткнути аркуш паперу - уявну Всесвіт - в різних кінцях, а потім зігнути його, щоб два отвори виявилися один навпроти одного, то вийде та сама червоточина.
Але чи можливі миттєві подорожі між двома віддаленими точками?

Професор Барстоу:

Я не думаю, що «кротові нори» дійсно існують. Це щось з області наукової фантастики. Немає прямих доказів існування таких речей у Всесвіті. Ми знаємо, що таке чорні діри, але можливість просторово-часового викривлення тільки починаємо вивчати.

Чи Біллінгс:

Дуже хочеться сподіватися, що в космосі є червоточини, через які можна подорожувати в п'яти вимірах. Але ми поняття не маємо, чи існують стабільні червоточини в макроскопічних масштабах. Схоже, що набагато простіше подорожувати по-старому, не покладаючись на диво; можливо, в цій справі допоможуть сонячні вітрила. І не потрібно нікуди поспішати.

Потрапивши в чорну діру, не можна вижити

В одному з ключових епізодів фільму один з головних героїв, залишаючи космічний корабель, падає в чорну діру, а потім вибирається з неї. Але чи можна вижити, потрапивши в чорну діру?

Ні. Гравітаційне поле чорної діри є надзвичайно сильним і дуже швидко змінюється. Все, що потрапляє в неї, розтягується силою тяжіння і стає схожим на довгі тонкі макарони. Тому у всього, що потрапляє в чорну діру, немає ніяких шансів вижити. Передавати сигнали звідти теж не можна.

Чи Біллінгс:

Наближатися до аккреционного диску навколо надмасивної чорної діри, як це було показано в фільмі, дуже погана ідея. Велика помилка, що потужне випромінювання від розпеченого матеріалу дозволить ковзати по горизонту подій і не розплавитися. Населені планети тут також представлені по-іншому.

Чи можна вийти на орбіту чорної діри?

Герой фільму використовує орбіту чорної діри, щоб дістатися до однієї з екзопланет. Чи це можливо?

Ви можете обертатися навколо чорної діри, поки не наблизитеся до неї на дуже близьку відстань. Астрономія демонструє нам безліч систем на орбіті навколо чорної діри. І, як правило, це системи з зірками. Побачити їх можна, лише опинившись всередині горизонту подій.

Якщо навколо чорної діри і існують планети, то вони, ймовірно, не придатні для життя

Дослідники у фільмі відвідують планетарну систему, яка не тільки знаходиться поруч з чорною дірою, але також має потенційно населені планети.

Ніщо не забороняє планетам обертатися навколо орбіти чорної діри, хоча таких прикладів поки немає. Проблема в стабільності таких планетних систем. Будь-яка планетна система поряд з чорною дірою, ймовірно, буде поглинена.

Чи Біллінгс:

Я думаю, що «Інтерстеллар» - це фільм для фізиків, а не для планетологов. У фільмі багато нестиковок, пов'язаних з планетами.

Про «легкої сингулярності»

Герой фільму говорить, що всередині чорної діри є тільки «легка», яка може пояснити деякі з подій в планетарна, яку відвідують дослідники. Але чи існує взагалі таке поняття, як «легка сингулярність»?

Важливим є те, що чорні діри можуть мати різні маси. Сингулярність - це центр чорної діри. Але існує поняття, що всі чорні діри мають кінцеву масу, яка не зникає в просторі. По ній ми власне їх і виявляємо - маса впливає на навколишній матеріал.

Метт Каплан:

Нам мало що відомо про процеси поруч з чорною дірою. Ніхто не знає, що знаходиться за горизонтом подій. Поки ми покладаємося тільки на теорію.

Процес старіння через уповільнення часу показаний точно

Астронавти старіють набагато повільніше, ніж їх колеги на Землі, завдяки впливу уповільнення часу. Відповідно до теорії, люди, які подорожують на швидкостях, близьких до швидкості світла, уповільнюють час. Цьому є експериментальне підтвердження.

Про це добре відомо. Теорія відносності, запропонована Ейнштейном, говорить, що люди, які подорожують на різних швидкостях, відчувають час по-різному. Наприклад, астронавти, які вчинили політ на Місяць, постаріли трохи менше тих, хто залишився на Землі, хоча це було ледь помітно. Але якщо ви досягнете швидкості, близької до швидкості світла, що зробити досить складно, ця різниця буде видна.

Можна повірити в штучну гравітацію на космічному кораблі «Ендюранс», але не в його фантастичний двигун

На думку експертів, «Ендюранс» виглядав досить реалістично. Але те, з якою простотою космічний корабель сідав на поверхню планет і піднімався з них, вони вважали неправдоподібним.

Чи Біллінгс:

З точки зору штучної гравітації, яка перешкоджає руйнуванню кісток в умовах невагомості, «Ендюранс» виглядає цілком правдоподібно. Сумніви викликає рухова установка, яка дозволяла ігнорувати вплив сил тяжіння планет, в результаті чого астронавти за годину старіли на десять років.

Метт Каплан:

Я думаю, що для такої великої історії, як ця, на деякі речі можна закрити очі.

Що вийшов на початку листопада фільм «Інтерстеллар» вже з повним правом можна вважати головною подією сезону. Причому не тільки кінематографічного. Показання в картині події - космічні польоти через гіперпростір, падіння в чорні діри і подорожі в часі - викликали бурхливі дискусії як серед любителів фантастики, так і в наукових 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 колишнє оскаженілої фантастикою сьогодні виявляється респектабельної науковою теорією.
* Обережно, в тексті є спойлери.

Кротова нора

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

Вперше рішення рівнянь ЗТВ типу кротові нори відкрив в 1916 році Людвіг Фламм. У 1930-х роках ними зацікавилися Альберт Ейнштейн і Натан Розен, а пізніше - Джон Уілер. Однак всі ці червоточини були непрохідними. Тільки в 1986 році Кіп Торн запропонував рішення з прохідною кротові норою.

З математичної точки зору Кротова нора являє собою гіпотетичний об'єкт, що отримується як особливе несінгулярное (кінцеве і має фізичний зміст) рішення рівнянь загальної теорії відносності (ЗТВ) Альберта Ейнштейна. Зазвичай червоточини зображують у вигляді зігнутої двовимірної поверхні. Потрапити з одного її боку на іншу можна, переміщаючись звичайним способом. А можна зробити отвір і з'єднати тунелем обидві сторони. У наочному випадку двовимірного простору видно, що це дозволяє істотно скоротити відстань.

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

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

Планка довжина дорівнює приблизно 1,62х10 -35 метрам, що в 2х10 20 разів менше «діаметру» протона. Чисельне значення планківських одиниць (довжини, маси, часу та інших) виходить з чотирьох фундаментальних фізичних констант і окреслює кордон застосовності сучасної фізики.

Вважається, що подібну Кротова нору можна зловити в квантовій піні, а потім розширити і зробити потенційно придатної для подорожей через гіперпростір. Така піна являє собою флуктуації простору на планківських масштабах довжин, де закони класичної ОТО не працюють, оскільки необхідний облік квантових ефектів.

Інший спосіб створення червоточини - протягування однієї області простору, що утворює діру з сингулярностью, яка в гіперпросторі 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 ОТО.

Екзопланети і уповільнення часу

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 має бути порівняно 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 її до світила і параметри орбіти.

В даний час найсприятливіші для людини подорожі в часі створені на орбіті Землі. Чим довше космонавти і астронавти перебувають на борту Міжнародної космічної станції, що обертається зі швидкістю понад семи кілометрів на секунду навколо планети, тим повільніше (в порівнянні з землянами на поверхні) вони старіють. Рекорд подорожей у часі належить Сергію Крикальову, який за понад 803 діб перемістився в майбутнє на приблизно 0,02 секунди.

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 діри можна порівняти з радіусом орбіти Землі навколо Сонця, а навколишній її аккреційний диск простягався б далеко за орбіту Марса. Через сильний гравітаційного поля чорної діри одну годину, проведений на поверхні планети Міллер, виявляється дорівнює семи років 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 швидкістю, близькою - уповільнення часу спостерігається в рухомих об'єктах. А в ОТО, що представляє собою узагальнення СТО з урахуванням гравітації, має місце еквівалентність інерції і тяжіння, далеким наслідком якої і є гравітаційне уповільнення часу.

Надмасивна чорна діра

Після невдалих місій на екзопланетах героя Меттью МакКонахі (разом з роботом) затягує в сверхмассивную чорну діру Гаргантюа. Причому ні героя МакКонахі, ні його робота при наближенні до дірі не розірвало на тисячу маленьких Меттью і роботікі від жахливої \u200b\u200bгравітації. Однак і тут у сучасної фізики є пояснення.

Ейнштейн в основу ОТО поклав локальну еквівалентність полів прискорення і тяжіння. Її просто проілюструвати на прикладі лабораторії всередині падаючого ліфта. Всі предмети всередині такого ліфта будуть падати разом з ним з однаковим прискоренням, а їх відносні прискорення дорівнюватимуть нулю. В цьому випадку ситуацію можна описати в двох системах відліку. У першій, інерційної і пов'язаної з Землею, ліфт падає під дією гравітації Землі. У другій, пов'язаної з ліфтом (неінерціальної), поля тяжіння немає. Якщо всередині ліфта знаходиться спостерігач, то він не в змозі визначити, в якому поле: прискорення або гравітації, він знаходиться. Виходить, що в локальному сенсі (коли прискорення вільного падіння має приблизно однакові значення в заданій області простору, тобто гравітаційне поле однорідно) інерція і гравітація еквівалентні.

Чорна діра представляє собою масивний об'єкт, гравітаційне тяжіння якого, згідно з класичною версією ОТО, не дозволяє матерії залишати її межі. Кордон діри з навколишнім простором називається горизонтом подій. Переходячи крізь нього, тіло, як вважається, назад (по крайней мере, тим же шляхом) вийти не може.

Є кілька сценаріїв освіти таких об'єктів. Основний механізм передбачає гравітаційний колапс деяких типів зірок або речовини в центрах галактик. Також не виключається їх утворення 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 убуває при видаленні від неї. Це непомітно на великій відстані, де поле чорної діри локально, однорідний і суттєво на невеликих відстанях: різні частини одного і того ж протяжного об'єкта падають в дірку з різними прискореннями, і об'єкт розтягується.

Саме так діє припливна сила чорної діри. Однак тут є лазівка. Приливна сила прямо пропорційна масі чорної діри і обернено пропорційна кубу радіуса горизонту подій. Радіус горизонту подій діри 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 й великі, чим і скористалися герої «Інтерстеллар».

гіперпростір

Усередині обертається чорної діри герой Меттью МакКонахі (і його робот) виявили пятімерном всесвіт. І тут їм, скажімо 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.

Математично поняття про фізичну гіперпросторі виникло наприкінці 1910, коли Теодор Калуца \u200b\u200bвклав чотиривимірний простір ОТО в пятімерном, і тим самим ввів новий вимір. Зазвичай в теоріях з додатковими вимірами розміри спостерігається всесвіту уздовж нових вимірів настільки малі, що вони майже не впливають на інші чотири.

ОТО допускає можливість рішень рівнянь Ейнштейна, наприклад, у формі метрики Керра, аналітичні властивості яких дозволяють піти від сингулярності. Такі рішення мають незвичайні властивості, зокрема з них слід можливість існування всередині чорної діри особливих просторово-часових траєкторій, що порушують звичайні причинно-наслідкові зв'язки.

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

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

«Рівняння гравітації»

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

Випромінювання Грибова-Хокінга передбачає випаровування чорної діри внаслідок квантових флуктуацій, пов'язаних з утворенням пар віртуальних частинок. Одна частка з такої пари відлітає від чорної діри, а інша - з негативною енергією - «падає» в неї. Вперше про можливість такого явища висловлювався радянський фізик-теоретик Володимир Грибов. А в першій половині 1970-х років, після візиту в СРСР, Стівен Хокінг опублікував роботу, в якій передбачив існування випромінювання чорних дір (зване випромінюванням Хокінга в англомовній літературі або Грибова-Хокінга в російськомовній).

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: сильного, слабкого, електромагнітного і гравітаційного. 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 ОТО 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 в ОТО необхідний облік квантових поправок. Так, в чорній дірі квантові ефекти призводять до її випаровуванню. Квантова версія ОТО, що отримується аналогічним КТП чином, виявляється неперенорміруемой, тобто спостережувані величини не вдається зробити кінцевими. Вирішення даного питання і присвячена більша частина досліджень в 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 і їх взаємодії.