Теоретична фізика Кіпа Торна в фільмі Інтерстеллар
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.
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.
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.
В "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.
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.
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.
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 Міллера, 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.
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 гравітації. Однак і тут у сучасної фізики є пояснення.
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".
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.
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.
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.
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.
Як це відбувається і чому, фізики не можуть розібратися вже майже півстоліття. Так що не турбуйтеся, якщо і вам вся ця стаття здалася чимось на зразок китайської грамоти (незрозуміло, правда, навіщо ви тоді дочитали її до кінця). До того ж головний висновок з усього перерахованого вище цілком простий: крім улюбленого серіалу "Теорія великого вибуху" у гиків усього світу тепер з'явився і улюблений фільм.
