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.

Оказавшись на обратной стороне кротовой норы, космический корабль входит в трехпланетную систему, вращающуюся вокруг сверхмассивной чёрной дыры, которую исследователи называют Гаргантюа. Предполагается, что сверхмассивные чёрные дыры, с массами от миллиона до нескольких миллиардов масс Солнца, сидят в ядрах всех галактик. Вероятно, что и в центре нашего Млечного Пути есть такой объект - Sagittarius А, чья масса превышает 4 миллиона Солнечных масс (4,31 106 M;). По Торну, Гаргантюа скорее похож на ещё более массивную сверхмассивную чёрную дыру, которая предположительно находится в ядре туманности Андромеды и которая оценивается в 100 миллионов солнечных масс (1.1–2.3 ; 108 M;). Её размер приблизительно пропорционален массе, а радиус такого гиганта охватывал бы орбиту Земли вокруг Солнца.
Такие огромные чёрные дыры не являются фантастическим преувеличением, поскольку у нас есть наблюдательные данные, подтверждающие существование таких «монструозных» чёрных дыр в далеких галактиках (Behemoth). Самой большой из обнаруженных на данный момент является чёрная дыра в галактике NGC 1277, находящейся в 250 миллионах световых лет от нас. Её масса может быть оценена в 17 миллиардов солнечных, а её размер сравним с орбитой Нептуна.
Ещё одной важной характеристикой Гаргантюа является то, что это быстро вращающаяся чёрная дыра. Все объекты во Вселенной, исключая саму Вселенную, имеют свойство вращаться. Естественно, что и чёрные дыры тоже вращаются, что описывается геометрией Керра. Последнее зависит от двух параметров: массы чёрной дыры (М) и момента количества движения (J). Важным отличием от обычных звёзд, которые вращаются по-разному, является то, что чёрные дыры по Керру вращаются с необычной устойчивостью: все точки на её условной поверхности (горизонте событий) вращаются с одной и той же угловой скоростью. Однако существует такой предельный момент количества движения Jmax , выше которого горизонт событий пропадет: это ограничение соответствует тому, что скорость вращения горизонта будет равна скорости света. В такой чёрной дыре, называемой «экстремальной», гравитационное поле у горизонта событий исчезнет, потому что внутреннее влияние гравитации будет компенсироваться за счет огромных отталкивающих центробежных сил. Тем не менее, вполне возможно, что большинство чёрных дыр во Вселенной имеет момент количества движения, довольно близкий к предельному. Например, типичная чёрная дыра звёздной массы (около 3 солнечных), считающаяся движущим механизмом в двойных рентгеновских источниках, должна вращаться на 5000 оборотах в секунду. Предположительно, чёрная дыра Гаргантюа, показанная в "Интерстелларе" как раз имеет момент количества движения на 10 в -10 степени близкий к предельному Jmax. Даже если это теоретически возможно, данная конфигурация всё равно выглядит нереалистичной с физической точки зрения. Потому что чем быстрее вращается чёрная дыра, тем тяжелее увлечь за собой вещество, вращающееся в том же направлении под воздействием центробежных сил, в то время как вещество, вращающееся в противоположном, легко «всасывается» в чёрную дыру, замедляя вращение. Вследствие этого слишком быстро вращающаяся чёрная дыра будет иметь тенденцию к замедлению до равновесной скорости, меньшей, чем у Гаргантюа (по релятивистским общим расчетам, чёрные дыры должны вращаться не быстрее, чем 0,998 Jmax). Однако преимуществом очень быстро вращающихся чёрных дыр является то, что планеты могут вращаться в непосредственной близости от горизонта событий, не падая под него. Это является ключевым моментом в фильме, а также позволяет очень сильное замедление времени.
Для шварцшильдовской чёрной дыры (то есть для дыры с моментом количества движения J=0), устойчивая внутренняя круговая орбита, в которой любой объект пройдет по спирали и врежется в чёрную дыру, расположена на расстоянии трех радиусов самой чёрной дыры. Для чёрной дыры с массой, равной 100 миллионам солнечных масс, это расстояние должно быть около 900 миллионов километров, чуть больше, чем расстояние от Юпитера до Солнца. Но для чёрной дыры Керра, вращающейся очень близко к предельному Jmax, устойчивая внутренняя круговая орбита может быть также близко, как сам горизонт событий, всего 100 миллионов километров. Это объясняет почему в «Интерстелларе» планета Миллер может вращаться над самым горизонтом событий и не падать.
Стоит также отметить, что чёрная дыра Керра это не волчок, крутящийся в стационарном внешнем пространстве; вращаясь, она задерживает всё полотно пространства-времени вместе с собой. Как следствие, планета Миллер должна вращаться со скоростью, близкой к световой.

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 вовнегалактическое 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.

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

Совсем недавно науке стало достоверно известно, что же такое черная дыра. Но едва ученые разобрались с этим феноменом Вселенной, на них свалился новый, куда более сложный и запутанный: сверхмассивная черная дыра, которую и черной-то не назовешь, а скорее ослепительно белой. Почему? А потому, что именно такое определение дали центру каждой галактики, который светится и сияет. Но стоит туда попасть, и кроме черноты, ничего не остается. Что же это за головоломка такая?

Памятка о черных дырах

Доподлинно известно, что простая черная дыра - это некогда светившая звезда. На определенном этапе существования ее стали непомерно увеличиваться, при этом радиус оставался прежним. Если раньше звезду "распирало", и она росла, то теперь силы, сосредоточенные в ее ядре, начали притягивать к себе все остальные составляющие. Ее края "заваливаются" на центр, образуя невероятной силы коллапс, который и становится черной дырой. Такие «бывшие звезды» уже не светят, а являются абсолютно внешне незаметными объектами Вселенной. Но они весьма ощутимы, так как поглощают буквально все, что попадает в их гравитационный радиус. Неизвестно, что кроется за таким горизонтом событий. Исходя из фактов, любое тело столь огромная гравитация буквально раздавит. Однако в последнее время не только фантасты, но и ученые придерживаются мысли о том, что это могут быть своеобразные космические тоннели для путешествий на большие расстояния.

Что же такое квазар

Подобными свойствами обладает сверхмассивная черная дыра, иными словами, ядро галактики, у которого есть сверхмощное гравитационное поле, существующее за счет своей массы (миллионы или миллиарды масс Солнца). Принцип формирования сверхмассивных черных дыр пока установить не удалось. Согласно одной версии, причиной такого коллапса служат слишком сжатые газовые облака, газ в которых предельно разряжен, а температура невероятно высока. Вторая версия - это приращение масс различных малых черных дыр, звезд и облаков к единому гравитационному центру.

Наша галактика

Сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути не входит в разряд самых мощных. Дело в том, что сама галактика имеет спиралевидную структуру, что, в свою очередь, заставляет всех ее участников находиться в постоянном и достаточно быстром движении. Таким образом, гравитационные силы, которые могли бы быть сосредоточены исключительно в квазаре, как бы рассеиваются, и от края к ядру увеличиваются равномерно. Несложно догадаться, что дела в эллиптических или, скажем, неправильных галактиках, обстоят противоположным образом. На «окраинах» пространство крайне разряженное, планеты и звезды практически не движутся. А вот в самом квазаре жизнь буквально бьет ключом.

Параметры квазара Млечного Пути

Используя метод радиоинтерферометрии, исследователи смогли рассчитать массу сверхмассивной черной дыры, ее радиус и гравитационную силу. Как было отмечено выше, наш квазар тусклый, супермощным его назвать трудно, но даже сами астрономы не ожидали, что истинные результаты будут такими. Итак, Стрелец А* (так названо ядро) приравнивается к четырем миллионам солнечных масс. Более того, по очевидным данным, эта черная дыра даже не поглощает материю, а объекты, которые находятся в ее окружении, не нагреваются. Также был подмечен интересный факт: квазар буквально утопает в газовых облаках, материя которых крайне разряжена. Возможно, в настоящее время лишь начинается эволюция сверхмассивной черной дыры нашей галактики, и через миллиарды лет она станет настоящим гигантом, который будет притягивать не только планетарные системы, но и другие, более мелкие

Насколько малой ни была бы масса нашего квазара, более всего ученых поразил его радиус. Теоретически такое расстояние можно преодолеть за несколько лет на одном из современных космических кораблей. Размеры сверхмассивной черной дыры немного превышают среднее расстояние от Земли до Солнца, а именно составляют 1,2 астрономические единицы. Гравитационный радиус этого квазара в 10 раз меньше основного диаметра. При таких показателях, естественно, материя просто не сможет сингулировать до тех пор, пока непосредственно не пересечет горизонт событий.

Парадоксальные факты

Галактика относится к разряду молодых и новых звездных скоплений. Об этом свидетельствует не только ее возраст, параметры и положение на известной человеку карте космоса, но и мощность, которой обладает ее сверхмассивная черная дыра. Однако, как оказалось, «смешные» параметры могут иметь не только молодые Множество квазаров, которые обладают невероятной мощностью и гравитацией, удивляют своими свойствами:

Обычный воздух зачастую имеет большую плотность, чем сверхмассивные черные дыры.
Попадая на горизонт событий, тело не будет испытывать приливных сил. Дело в том, что центр сингулярности находится достаточно глубоко, и дабы достичь его, придется проделать долгий путь, даже не подозревая, что обратной дороги уже не будет.

Гиганты нашей Вселенной

Одним из самых объемных и старых объектов в космосе является сверхмассивная черная дыра в квазаре OJ 287. Это целая лацертида, расположенная в созвездии Рака, которая, к слову, очень плохо видна с Земли. В ее основе лежит двойная система черных дыр, следовательно, имеется два горизонта событий и две точки сингулярности. Больший объект имеет массу 18 миллиардов масс Солнца, практически как у небольшой полноценной галактики. Этот компаньон статичен, вращаются лишь объекты, которые попадают в его гравитационный радиус. Меньшая система весит 100 миллионов масс Солнца, а также имеет период обращения, который составляет 12 лет.

Опасное соседство

Галактики OJ 287 и Млечный Путь, как было установлено, являются соседями - расстояние между ними составляет примерно 3,5 миллиарда световых лет. Астрономы не исключают и той версии, что в ближайшем будущем эти два космических тела столкнутся, образовав сложную звездную структуру. По одной из версий, именно из-за сближения с подобным гравитационным гигантом движение планетарных систем в нашей галактике постоянно ускоряется, а звезды становятся горячее и активнее.

Сверхмассивные черные дыры на самом деле белые

В самом начале статьи был затронут весьма щекотливый вопрос: цвет, в котором перед нами постают самый мощные квазары, сложно назвать черным. Невооруженным глазом даже на самой простенькой фотографии любой галактики видно, что ее центр - это огромная белая точка. Почему же тогда мы считаем, что это сверхмассивная черная дыра? Фото, сделанные через телескопы, демонстрируют нам огромное скопление звезд, которые притягивает к себе ядро. Планеты и астероиды, которые вращаются рядом, из-за непосредственной близости отражают, тем самым преумножая весь присутствующий рядом свет. Так как квазары не затягивают с молниеносной скоростью все соседние объекты, а лишь удерживают их в своем гравитационном радиусе, они не пропадают, а начинают еще больше пылать, ведь их температура стремительно растет. Что же касается обычных черных дыр, которые существуют в открытом космосе, то их название полностью оправдано. Размеры относительно невелики, но при этом сила гравитации колоссальна. Они попросту «съедают» свет, не выпуская из своих берегов ни единого кванта.

Кинематограф и сверхмассивная черная дыра

Гаргантюа - этот термин человечество стало широко употреблять по отношению к черным дырам после того, как на экраны вышел фильм «Интерстеллар». Просматривая эту картину, сложно понять, почему выбрано именно это название и где связь. Но в первоначальном сценарии планировали создать три черных дыры, две из которых носили бы названия Гаргантюа и Пантагрюэль, взятые из сатирического романа После внесенных изменений осталась лишь одна «кроличья нора», для обозначения которой было выбрано первое наименование. Стоит заметить, что в фильме черная дыра изображена максимально реалистично. Так сказать, дизайном ее внешнего вида занимался ученый Кип Торн, который базировался на изученных свойствах данных космических тел.

Как мы узнали о черных дырах?

Если бы не теория относительности, которая была предложена Альбертом Эйнштейном в начале ХХ века, никто бы, наверное, даже не обратил внимания на эти загадочные объекты. Сверхмассивная черная дыра расценивалась бы как обычное скопление звезд в центре галактики, а рядовые, маленькие, вовсе бы осталась незамеченными. Но сегодня, благодаря теоретическим расчетам и наблюдениям, которые подтверждают их правильность, мы можем наблюдать такой феномен, как искривление пространства-времени. Современные ученые говорят, что найти «кроличью нору» не так уж и сложно. Вокруг такого объекта материя ведет себя неестественно, она не только сжимается, но порой и светится. Вокруг черной точки образуется яркий ореол, который виден в телескоп. Во многом природа черных дыр помогает нам постичь историю становления Вселенной. В их центре находится точка сингулярности, подобная той, из которой ранее развился весь окружающий нас мир.

Доподлинно неизвестно, что может случиться с человеком, который пересечет горизонт событий. Раздавит ли его гравитация, или же он окажется в совершенно ином месте? Единственное, что можно утверждать с полной уверенностью, - гаргантюа замедляет время, и в какой-то момент стрелка часов окончательно и бесповоротно останавливается.

Вышедший в начале ноября фильм «Интерстеллар» уже с полным правом можно считать главным событием сезона. Причем не только кинематографического. Показанные в картине события - космические полеты через гиперпространство, падения в черные дыры и путешествия во времени - вызвали бурные дискуссии как среди любителей фантастики, так и в околонаучных кругах. Что неудивительно - консультантом фильма выступил знаменитый физик-теоретик Кип Торн. А там, где дело касается современной теоретической физики, сплошь и рядом получается так, что еще вчера бывшее оголтелой фантастикой сегодня оказывается респектабельной научной теорией.
*Осторожно, в тексте есть спойлеры.

Кротовая нора

Основные события фильма начинаются с полета главных героев через развернувшуюся рядом с Сатурном червоточину. Физически она представляет собой тоннель, связывающий две удаленные области пространства-времени. Эти области могут как находиться в одной и той же вселенной, так и связывать разные точки разных вселенных (в рамках концепции мультивселенной). В зависимости от возможности вернуться сквозь нору обратно их подразделяют на проходимые и непроходимые. Непроходимые дыры быстро закрываются и не дают возможности потенциальному путешественнику проделать обратный путь.

Впервые решения уравнений ОТО типа кротовой норы открыл в 1916 году Людвиг Фламм. В 1930-х годах ими заинтересовались Альберт Эйнштейн и Натан Розен, а позднее - Джон Уилер. Однако все эти червоточины были непроходимыми. Только в 1986 году Кип Торн предложил решение с проходимой кротовой норой.

С математической точки зрения кротовая нора представляет собой гипотетический объект, получаемый как особое несингулярное (конечное и имеющее физический смысл) решение уравнений общей теории относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна. Обычно червоточины изображают в виде согнутой двумерной поверхности. Попасть с одной ее стороны на другую можно, перемещаясь обычным способом. А можно проделать отверстие и соединить тоннелем обе стороны. В наглядном случае двумерного пространства видно, что это позволяет существенно сократить расстояние.

В двумерии горловины червоточины - отверстия, с которых начинается и заканчивается тоннель, - имеют форму окружности. В трехмерии (как в фильме) горловина кротовой норы похожа на сферу. Образуются такие объекты из двух сингулярностей в разных областях пространства-времени, которые в гиперпространстве (пространстве большей размерности) стягиваются друг к другу с образованием норы. Поскольку нора представляет собой пространственно-временной тоннель, путешествовать по нему можно не только в пространстве, но и во времени.

В «Интерстелларе» нора была проходимой и связывала разные галактики во Вселенной. Но, чтобы вернуться через нее обратно, червоточина должна быть заполнена материей с отрицательной средней плотностью массы, препятствующей закрытию тоннеля. Среди известных науке обладающих такими свойствами элементарных частиц нет. Однако, вероятно, они могут входить в состав темной материи.

Планковская длина равна примерно 1,62х10 -35 метрам, что в 2х10 20 раз меньше «диаметра» протона. Численное значение планковских единиц (длины, массы, времени и других) получается из четырех фундаментальных физических постоянных и очерчивает границу применимости современной физики.

Считается, что подобную кротовую нору можно поймать в квантовой пене, а затем расширить и сделать потенциально пригодной для путешествий через гиперпространство. Такая пена представляет собой флуктуации пространства на планковских масштабах длин, где законы классической ОТО не работают, поскольку необходим учет квантовых эффектов.

Другой способ создания червоточины - протягивание одной области пространства, образующего дыру с сингулярностью, которая в гиперпространстве достает до другой области пространства. Поддерживать проходимость норы в обоих случаях предлагается посредством пропускания через нее материи с отрицательной плотностью массы. Такие проекты не противоречат ОТО.

Экзопланеты и замедление времени

После пролета через червоточину космические путешественники отправляются на экзопланеты , потенциально пригодные для жизни согласно сведениям, полученным от разведывательных миссий. Чтобы планета была хотя бы потенциально пригодна для жизни человека, на ней должны быть похожие на земные устойчивые световые, температурные и гравитационные режимы. Давление в атмосфере должно быть сравнимо с земным, а химический состав - пригодным для жизни хотя бы некоторых земных организмов. Обязательное условие - наличие воды. Все это налагает определенные ограничения на массу и объем планеты, а также расстояние ее до светила и параметры орбиты.

В настоящее время самые благоприятные для человека путешествия во времени созданы на орбите Земли. Чем дольше космонавты и астронавты находятся на борту Международной космической станции, вращающейся со скоростью более семи километров в секунду вокруг планеты, тем медленнее (по сравнению с землянами на поверхности) они стареют. Рекорд путешествий во времени принадлежит Сергею Крикалеву, который за более 803 суток переместился в будущее на примерно 0,02 секунды.

При этом первая из планет (Миллер) оказалась расположена очень близко к сверхмассивной черной дыре Гаргантюа массой 100 миллионов солнц и удаленной от Земли на 10 миллиардов световых лет. Радиус дыры сравним с радиусом орбиты Земли вокруг Солнца, а окружающий ее аккреционный диск простирался бы далеко за орбиту Марса. Из-за сильного гравитационного поля черной дыры один час, проведенный на поверхности планеты Миллер, оказывается равен семи годам на Земле.

Ничего удивительного, утверждает теоретическая физика, это связано с эффектом замедления времени в сильном гравитационном поле черной дыры, в котором находится планета. В специальной теории относительности (СТО) - теории движения тел с околосветовыми скоростями - замедление времени наблюдается в движущихся объектах. А в ОТО, представляющей собой обобщение СТО с учетом гравитации, имеет место эквивалентность инерции и тяготения, дальним следствием которой и является гравитационное замедление времени.

Сверхмассивная черная дыра

После неудачных миссий на экзопланетах героя Мэттью МакКонахи (вместе с роботом) затягивает в сверхмассивную черную дыру Гаргантюа. Причем ни героя МакКонахи, ни его робота при приближении к дыре не разорвало на тысячу маленьких Мэттью и роботиков от чудовищной гравитации. Однако и тут у современной физики есть объяснение.

Эйнштейн в основу ОТО положил локальную эквивалентность полей ускорения и тяготения. Ее просто проиллюстрировать на примере лаборатории внутри падающего лифта. Все предметы внутри такого лифта будут падать вместе с ним с одинаковым ускорением, а их относительные ускорения будут равны нулю. В этом случае ситуацию можно описать в двух системах отсчета. В первой, инерциальной и связанной с Землей, лифт падает под действием гравитации Земли. Во второй, связанной с лифтом (неинерциальной), поля тяготения нет. Если внутри лифта находится наблюдатель, то он не в состоянии определить, в каком поле: ускорения или гравитации, он находится. Получается, что в локальном смысле (когда ускорение свободного падения имеет примерно одинаковые значения в заданной области пространства, то есть гравитационное поле однородно) инерция и гравитация эквивалентны.

Черная дыра представляет собой массивный объект, гравитационное притяжение которого, согласно классической версии ОТО, не позволяет материи покидать ее пределы. Граница дыры с окружающим пространством называется горизонтом событий. Переходя сквозь него, тело, как считается, обратно (по крайней мере, тем же путем) выйти не может.

Есть несколько сценариев образования таких объектов. Основной механизм предполагает гравитационный коллапс некоторых типов звезд или вещества в центрах галактик. Также не исключается их образование еще во времена Большого взрыва и при реакциях элементарных частиц. Существование черных дыр у большинства ученых не вызывает сомнения.

Напряженность гравитационного поля (проще говоря, значение ускорения свободного падения) черной дыры убывает при удалении от нее. Это незаметно на большом расстоянии, где поле черной дыры локально, однородно и существенно на небольших расстояниях: разные части одного и того же протяженного объекта падают в дыру с разными ускорениями, и объект растягивается.

Именно так действует приливная сила черной дыры. Однако тут есть лазейка. Приливная сила прямо пропорциональная массе черной дыры и обратно пропорциональна кубу радиуса горизонта событий. Радиус горизонта событий дыры растет пропорционально ее массе. Следовательно, по порядку величины приливная сила обратно пропорциональна квадрату массы дыры. Для обычных черных дыр получаются огромные значения приливных сил, тогда как для сверхмассивных они не такие уж большие, чем и воспользовались герои «Интерстеллара».

Гиперпространство

Внутри вращающейся черной дыры герой Мэттью МакКонахи (и его робот) обнаружили пятимерную вселенную. И тут им, скажем прямо, повезло - если бы черная дыра не была вращающейся, путешественники продолжили бы движение к ее центру - сингулярности , и в этом случае финал фильма был бы совсем иным.

Математически понятие о физическом гиперпространстве возникло в конце 1910, когда Теодор Калуца вложил четырехмерное пространство ОТО в пятимерное, и тем самым ввел новое измерение. Обычно в теориях с дополнительными измерениями размеры наблюдаемой вселенной вдоль новых измерений настолько малы, что они почти не оказывают влияния на остальные четыре.

ОТО допускает возможность решений уравнений Эйнштейна, например, в форме метрики Керра , аналитические свойства которых позволяют уйти от сингулярности. Такие решения обладают необычными свойствами, в частности из них следует возможность существования внутри черной дыры особых пространственно-временных траекторий, нарушающих обычные причинно-следственные связи.

Можно предположить, что герою МакКонахи (и его роботу) удалось проникнуть в такую черную дыру, избежать ее сингулярности и путешествовать внутри нее по специальной траектории, которая привела его в новую вселенную. В ней геометрия оказалась локально устроенной так, что четыре измерения являются пространственными и одно - временным. Формально это не противоречит ОТО.

И хотя человек, по всей видимости, способен воспринимать только три пространственных и одно временное измерение, в фильме главный герой в новой вселенной получил возможность не только путешествовать по временному измерению, но и наблюдать в трехмерном пространстве проекции четырехмерного.

«Уравнение гравитации»

Пока Мэттью МакКонахи (вместе с роботом) летает по экзопланетам и в черную дыру, оставшийся на земле профессор в исполнении Майкла Кейна пытается решить некое «уравнение гравитации», которое позволило бы связать в одну теорию квантовую механику и ОТО и тем самым понять физику червоточины и черной дыры.

Излучение Грибова-Хокинга предполагает испарение черной дыры вследствие квантовых флуктуаций, связанных с образованием пар виртуальных частиц. Одна частица из такой пары улетает от черной дыры, а другая - с отрицательной энергией - «падает» в нее. Впервые о возможности такого явления высказывался советский физик-теоретик Владимир Грибов. А в первой половине 1970-х годов, после визита в СССР, Стивен Хокинг опубликовал работу, в которой предсказал существование излучения черных дыр (называемое излучением Хокинга в англоязычной литературе или Грибова-Хокинга в русскоязычной).

И, надо сказать, герой Майкла Кейна мучается не один. Создание универсальной теории, связывающей ОТО и квантовую механику, - основная задача большинства современных математических физиков - специалистов по теории струн. Главная задача теории - объединение всех четырех известных взаимодействий: сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного. Описанием первых трех занимается квантовая теория поля (КТП), математическая модель современной физики элементарных частиц, последним - ОТО. При этом ОТО в целом не противоречит КТП, поскольку говорит о явлениях на других масштабах длин и энергий. Но если ОТО имеет дело с космологическими объектами огромных масс, то КТП применима на субатомном уровне.

Проблема в том, что обе теории вступают в противоречие друг с другом на планковских масштабах, поскольку на них в ОТО необходим учет квантовых поправок. Так, в черной дыре квантовые эффекты приводят к ее испарению. Квантовая версия ОТО, получаемая аналогичным КТП образом, оказывается неперенормируемой, то есть наблюдаемые величины не удается сделать конечными. Решению данного вопроса и посвящена большая часть исследований в этой области. Сама же теория струн (M-теория) основана на предположении существования на планковских масштабах гипотетических одномерных объектов - струн, возбуждения которых интерпретируются как элементарные частицы и их взаимодействия.