[Объяснение] «Интерстеллар»: почему Купер остался в живых даже после попадания в чёрную дыру? В мир общей теории относительности｜Джошуа Коннолли
[Объяснение] «Интерстеллар»: почему Купер остался в живых даже после попадания в чёрную дыру? В мир общей теории относительности В 1988 году теоретический физик Кип Торн (вместе со своим коллегой Майклом Моррисом) из Калифорнийского технологического института опубликовал статью под названием «Кротовые норы в пространстве-времени и их использование для межзвёздных путешествий». Отправной точкой для статьи стала консультация Торна с астрономом Карлом Саганом. Саган хотел отправить своего главного героя к далёкой звезде в романе, над которым он работал. Однако, как писатель-фантаст, он хотел узнать о методе, который был бы релятивистски согласован. Он спросил, есть ли какой-нибудь хороший способ это сделать. Торн и его коллеги предложили кротовую нору. Проходя через своего рода туннель, открытый в самом пространстве-времени, можно было бы достичь далёких мест, избегая барьера скорости света. Звучит абсурдно, но уравнения общей теории относительности Эйнштейна допускают существование такой структуры в качестве решения. Торн тщательно проработал математику в своей статье, и она стала основой научной основы романа Сагана «Контакт», опубликованного в 1985 году и позже экранизированного. Спустя двадцать шесть лет, в 2014 году, вышел ещё один фильм, в котором Торн участвовал в качестве исполнительного продюсера: «Интерстеллар» Кристофера Нолана. Словно нить, начавшаяся в 1988 году, кристаллизовалась в фильм спустя 26 лет. Я не знаю другого фильма, который бы так сильно резонировал с долгой связью между научной фантастикой и современной физикой. С момента выхода «Интерстеллара» прошло 12 лет. За это время Нолан выпустил «Довод» и «Оппенгеймер» и готовится к новой работе по «Одиссее» Гомера, которая выйдет в июле 2026 года. На периферии фильмов научной фантастики сейчас в кинотеатрах идёт научно-фантастический фильм «Проект «Хейл Мэри»», основанный на романе Энди Вейра, а также готовится к выходу «День откровения» Стивена Спилберга. В эту эпоху, когда научная фантастика снова набирает обороты, перечитать работу 12-летней давности должно быть удивительно плодотворно. В этой статье я хотел бы вернуться к четырём ключевым физическим элементам «Интерстеллара» с точки зрения астрофизики. Первый — это экстремальное замедление времени на планете Миллера, второй — причина, по которой Купер остался в живых при попадании в чёрную дыру, третий — пятимерное устройство, встроенное в тессеракт в кульминации, и четвёртый — информация, отправленная Мёрф через книжную полку, а именно гравитационные волны. Рассматривая фильм с точки зрения физики, а не следуя его сюжету, значение сцен, которые мы видели в кинотеатрах в 2014 году, должно проявиться в несколько иной форме. Стоит отметить, что в 2020 году я написал пояснительную статью об «Интерстелларе» и «Мнемонике» на сайте Fan’s Voice. Неизбежно, некоторые моменты будут пересекаться с тем, что я там затронул, но я реконструировал их с другого угла, основываясь конкретно на содержании технической статьи, опубликованной самим Кипом Торном и другими в 2015 году: «Гравитационное линзирование вращающихся чёрных дыр в астрофизике и в фильме «Интерстеллар». Я старался использовать максимально простой язык и как можно больше метафор, чтобы сделать его понятным, но по сути сложные концепции остаются сложными, как бы вы их ни объясняли. Однако я считаю, что если снизить уровень экспертизы и точности в обмен на это, сама статья станет ещё более скучной. Такого я не хочу. Если какие-то моменты показались вам сложными, поищите дополнительную информацию или напишите в комментариях. Я постараюсь ответить на большинство из них. Если вы просто подумаете, что, хотя детали и не совсем понятны, вселенная — это невероятное место, то я не зря потратил время на написание этой статьи. Итак, начнём с супермассивной чёрной дыры, Гаргантуа. Физика водной планеты Если вы смотрели «Интерстеллар», одна из сцен, которая больше всего противоречит интуиции — водная планета, или планета Миллера — наверняка глубоко запечатлелась в вашей памяти. Купер и его команда приземляются на эту планету, вращающуюся вблизи Гаргантуа, борются с гигантскими цунами, стоящими на поверхности моря, и отступают. Время, проведённое на поверхности, составляет всего несколько часов. Однако, когда они возвращаются к Ромили, который ждал их на орбите, он ждал целых 23 года. Соотношение времени, упомянутое в фильме, таково: один час на планете Миллера эквивалентен семи годам на Земле. Это соотношение строго 1 к 61 320. Если перевести в секунды, то пока на планете Миллера проходит одна секунда, на Земле проходит около 17 часов. Или, пока человек моргает на планете Миллера, на Земле наступает ночь, проходит день и наступает сумерки. Чтобы понять, насколько необычно это замедление времени, проще всего сравнить разницу во времени между реальной Землёй и искусственными спутниками. На самом деле существует небольшая разница в течении времени между GPS-спутниками и землёй. Поскольку гравитация в космосе немного слабее, чем гравитационное поле на Земле, время на спутниках в космосе идёт немного быстрее. Это происходит в масштабе микросекунд в день, со скоростью менее одной в миллиард. Причина, по которой GPS работает точно, заключается в том, что эта разница заранее корректируется на спутнике. Другими словами, вокруг Земли задержка времени — это всего лишь корректирующий член, работающий в масштабе одной миллиардной доли. На планете Миллера, напротив, течение времени отличается в 60 000 раз. Одно и то же время в одной и той же вселенной ведёт себя настолько по-разному вокруг Земли и вблизи планеты Миллера, что можно сказать, что это почти отдельные явления. Почему это происходит? Ключ кроется в одном моменте: супермассивная чёрная дыра под названием Гаргантуа вращается. Во времена Ньютона гравитация была силой притяжения, определяемой просто массой и расстоянием. Эйнштейн переписал это в картину, где объект с массой искажает окружающее пространство-время. Как тяжёлый шар, помещённый на батут, заставляет ткань провисать, так и Солнце заставляет окружающее пространство-время провисать. Земля вращается вокруг Солнца именно потому, что катится по этому провисанию. Это базовая картина общей теории относительности. Но вращающийся объект не только провисает вокруг себя, он также увлекает за собой окружающее пространство-время. Представьте себе тяжёлый диск, вращающийся в высоковязкой жидкости. Если диск вращается, жидкость также закручивается вместе с ним. Вращающаяся чёрная дыра делает то же самое с пространством-временем. Независимо от того, находится ли объект в состоянии покоя или нет, окружающее пространство-время само увлекается и течёт в том же направлении, что и вращение чёрной дыры. Это явление технически называется увлечением пространства-времени. Оно было теоретически предсказано в 1918 году австрийским физиком Йозефом Лензе и математиком Хансом Тиррингом, а в 1960-х годах уточнено новозеландским математиком Роем Керром как точное решение уравнений Эйнштейна. Это решение, описывающее вращающуюся чёрную дыру, называется решением Керра в его честь. В решении Керра есть одна важная переменная. Это число, указывающее, насколько быстро вращается чёрная дыра, которое эксперты записывают как a/M. Разбирая символы, «a» представляет собой вращательный момент чёрной дыры, а «M» — массу чёрной дыры. Коротко говоря, это показатель того, насколько быстро она вращается по отношению к своей собственной массе. Как правило, общей теории относительности это значение находится между 0 и 1. 0 соответствует невращающемуся случаю, а 1 — максимальной физически допустимой скорости вращения, или теоретическому пределу вращения. Причина, по которой 1 является верхним пределом, заключается в том, что если бы она вращалась быстрее, центр чёрной дыры (называемый сингулярностью) был бы обнажён за пределами горизонта событий (внешней границы чёрной дыры, из-за которой даже свет не может вырваться), что привело бы к обнажённой сингулярности с открытой внутренней структурой, чего современная физика не может допустить. Интуитивно это похоже на фигуристку, которая подтягивает руки, чтобы увеличить скорость вращения. За определённым пределом она больше не может вращаться быстрее. Чёрные дыры сталкиваются с аналогичной ситуацией. Теперь Гаргантуа спроектирован как чёрная дыра, вращающаяся до предела, со значением a/M = 0,999. Причина, по которой Торн выбрал такое экстремальное число, заключается в том, что не было другого способа физически реализовать замедление времени, изображённое в фильме, когда 1 час на планете Миллера равен 7 годам на Земле. Два фактора способствуют созданию замедления времени. Один — это эффект замедления времени по мере углубления в сильное гравитационное поле. Другой — это эффект замедления времени по мере увеличения скорости наблюдателя. Планета Миллера максимально использует оба. То есть она вращается на очень высокой скорости на орбите как можно ближе к чёрной дыре. И для того, чтобы эта орбита оставалась стабильной для планеты, скорость вращения чёрной дыры должна быть близка к пределу. В медленно вращающейся чёрной дыре объект, входящий внутри определённого радиуса, не может поддерживать стабильную орбиту и затягивается в чёрную дыру. Это называется внутренней стабильной круговой орбитой (ISCO). Чем быстрее вращается чёрная дыра, тем ближе эта ISCO подходит к чёрной дыре. Именно благодаря такому экстремальному вращению Гаргантуа планета Миллера может вращаться так близко, так быстро и при этом стабильно. Вот интересная история. Для производства фильма Торн и команда визуальных эффектов Double Negative разработали код для создания внешнего вида чёрной дыры с использованием фактических строгих релятивистских расчётов. Этот код, названный Double Negative Gravitational Renderer, или DNGR, напрямую решал, как свет движется вокруг Гаргантуа, используя уравнения Эйнштейна для создания изображений. После выхода фильма Оливер Джеймс и другие сотрудники Double Negative вместе с Торном опубликовали научные результаты, используя этот код, в виде статьи в физическом журнале Classical and Quantum Gravity. Название: «Гравитационное линзирование вращающихся чёрных дыр в астрофизике и в фильме «Интерстеллар». Чтобы извлечь одно интересное описание из этой статьи, Нолан и продюсер Пол Франклин в конечном итоге «снизили» вращение Гаргантуа, как оно появляется в фильме, до значения a/M = 0,6. В статье говорится, что это было сделано для создания визуальных эффектов, которые было бы легче понять аудитории. Если вращение экстремальное, тень чёрной дыры значительно искажается с одной стороны, а аккреционный диск аномально ярко светится с левой стороны. Становится трудно интуитивно понять, что «это чёрная дыра» как визуальный образ. Поэтому его визуально снизили до a/M = 0,6 (см. рисунок ниже). Однако, как было объяснено ранее, для физического объяснения замедления времени на планете Миллера a/M должно быть значение как можно ближе к 0,999. Другими словами, в фильме существуют две чёрные дыры с разной скоростью вращения — визуальный Гаргантуа и физический Гаргантуа — сосуществующие на одном экране. Аудитория, не осознавая этого, видит сцены, в которых доминирует одна, и сцены, в которых доминирует другая, как единый опыт. Это не редкость для научно-фантастического фильма, но в данном случае тот факт, что режиссёр и физик разделяли эту дилемму с самого начала производства, зафиксирован в статье. Кстати, если вы моделируете визуальные эффекты чёрной дыры с настройками, более близкими к реальности, то получится что-то вроде этого. Действительно, это определённо заставляет вас почувствовать: «Что это такое?!» Почему Купер остался в живых после попадания в чёрную дыру? После возвращения с планеты Миллера сюжет быстро развивается, и в конечном итоге Купер принимает решение бросить свой космический корабль в чёрную дыру. Это акт самопожертвования, чтобы доверить оставшееся топливо своим спутникам. Однако Купер, который должен был пересечь горизонт событий, не раздавлен, а дрейфует в странное пространство под названием тессеракт и выживает. Многие зрители, должно быть, подумали в этот момент: «Разве человека не разорвёт на части, если он войдёт в чёрную дыру?» На самом деле, явление, при котором объект, падающий в чёрную дыру, растягивается гравитацией, как лапша, так называемый эффект спагеттификации, неоднократно представлялся в научных журналах и телепередачах. Неудивительно, что спокойное прохождение Купера через горизонт кажется просто удобным сюжетным ходом научно-фантастического фильма. Однако это на самом деле не противоречит науке. Скорее, это вывод, который тщательно использует контринтуитивную природу небесного тела, известного как чёрная дыра. Давайте разберёмся в причине спагеттификации. Гравитация меняет свою силу в зависимости от расстояния. Гравитация, которую мы чувствуем, находясь на поверхности Земли, немного сильнее у наших ног, чем у головы. Это потому, что расстояние от центра Земли немного отличается для наших ног и головы. Обычно мы не осознаём эту разницу. Это связано с тем, что разница слишком мала. С другой стороны, когда вы приближаетесь к гравитационному источнику, тот факт, что сила гравитации отличается сверху и снизу, начинает иметь значение. В ситуации, когда ваши ноги сильно притягиваются, а голова — только слабо, если это станет экстремальным, человеческое тело будет растягиваться, как ириска. Это истинная природа спагеттификации. В физике эта сила, возникающая из-за разницы в силе гравитации в разных точках одного и того же объекта, называется приливной силой. Термин «приливной» используется потому, что это тот же механизм, который вызывает приливы в океанах Земли из-за Луны. Величина приливной силы в простом расчёте пропорциональна массе центрального небесного тела и обратно пропорциональна кубу расстояния. Записав формулой, F пропорционально M/r³. Здесь F — приливная сила, M — масса чёрной дыры, а r — расстояние от центра. Важно, что в знаменателе находится куб расстояния, что означает, что при приближении к центру приливные силы быстро увеличиваются. До этого момента это должно соответствовать вашей интуиции. Если перевести это на русский язык, то это просто означает, что чем ближе вы к источнику гравитации, тем больнее. Однако чёрные дыры имеют особую границу под названием горизонт событий. Это граница между внутренним и внешним, так сказать, из которой даже свет не может вырваться. Для объекта, падающего в чёрную дыру, важна не абсолютная величина самой приливной силы, а то, насколько сильной она стала к моменту достижения горизонта событий. Если ваше тело уже разорвано до достижения горизонта, вы не можете двигаться дальше. И наоборот, если приливные силы всё ещё умеренные при достижении горизонта, есть вероятность, что вы сможете войти, оставаясь в живых. Радиус горизонта событий пропорционален массе M чёрной дыры. Если масса увеличится в 10 раз, горизонт также увеличится в 10 раз. Это называется радиусом Шварцшильда. Формула r_s = 2GM/c², но если говорить проще, без символов, то это просто соотношение, что чем больше чёрная дыра, тем дальше горизонт. Здесь возникает довольно интересный факт. Если подставить r_s ∝ M в формулу M/r³ из предыдущего раздела, можно увидеть, что величина приливной силы на горизонте пропорциональна M/M² = 1/M². Другими словами, чем больше чёрная дыра, тем быстрее ослабевают приливные силы на горизонте. Если увеличить массу в 100 раз, приливные силы на горизонте уменьшатся в 1/10 000 раз. Это странный вывод. Можно подумать, что чем тяжелее небесное тело, тем опаснее к нему подходить, но в отношении того, может ли человеческое тело остаться в безопасности на горизонте событий, чем больше чёрная дыра, тем она мягче. Это связано с тем, что сам горизонт находится далеко, и приливные силы не становятся достаточно сильными, чтобы разорвать тело до достижения его. Это всё, что нужно знать. Давайте приведём конкретные цифры. Если человек упадёт в чёрную дыру с массой, равной массе Солнца, приливные силы превысят прочность человеческого тела задолго до достижения горизонта событий, на расстоянии в несколько тысяч раз больше радиуса горизонта. Падающий человек будет разорван на части до достижения горизонта. Это типичный образ спагеттификации, который часто обсуждается. С другой стороны, что насчёт сверхмассивной чёрной дыры, такой как Гаргантуа? Исходя из изображения в фильме и настроек в книге Торна «Наука «Интерстеллара», масса Гаргантуа составляет примерно 100 миллионов масс Солнца. Поскольку масса в 100 миллионов раз больше, приливные силы на горизонте становятся (1/10⁸)² = 10⁻¹⁶ раза меньше. Сила, которая мгновенно разорвала бы человеческое тело в чёрной дыре солнечной массы, на горизонте Гаргантуа в 16 порядков слабее. Она даже не такая сильная, как сила, с которой яблоко падает на Землю! Как следствие этого расчёта, для сверхмассивной чёрной дыры, такой как Гаргантуа, человек может пройти через горизонт событий, даже не осознавая этого. Нет эмпирического способа судить, пересекли ли вы границу. Нет способа напрямую почувствовать, что свет больше не может вырваться наружу. Отсутствие специальных эффектов или боли в сцене, где Купер проходит через горизонт, объясняется тем, что это физически более точно. Скорее, наша наивная интуиция была неверна. Что примечательно, так это то, что этот контринтуитивный факт — чем больше чёрная дыра, тем она мягче — является основой всего сюжета этой работы. Если бы масса Гаргантуа была немного скромнее, Купер был бы спагеттифицирован до достижения горизонта. Он не достиг бы тессеракта, не передал бы уравнение Мёрф и человечество не было бы спасено. Причина, по которой в фильме намеренно была выбрана величина в 100 миллионов масс Солнца, заключается в том, что выживание истории зависит от этого одного момента. Сюжет фильма и физика чёрных дыр взаимодействуют без уступок друг другу. Пятимерное устройство и почему гравитация единственна После того, как Купер падает к центру Гаргантуа, он попадает в странное пространство под названием тессеракт. Детская комната Мёрф разворачивается в направлении оси времени в виде бесчисленной сетчатой структуры, и Купер ходит по пробелам в этой сетке, пытаясь передать что-то Мёрф в прошлом. В фильме это пространство объясняется как пятимерная структура или конструкция высших существ, но для многих зрителей это, вероятно, самая трудная для понимания сцена в «Интерстелларе». Что такое пятое измерение? Сначала я хотел бы разбить и организовать значение этого термина. Пространство, которое мы испытываем ежедневно, трёхмерно. Вперёд-назад, влево-вправо, вверх-вниз. Если вы берёте координаты в трёх направлениях, вы можете указать любую точку в пространстве. Добавление оси времени к этому делает его четырёхмерным пространством-временем, которое является сценой, рассматриваемой теорией относительности Эйнштейна. До этого момента это стандартное оборудование в физике, так сказать. Когда мы говорим о пятом измерении, мы имеем в виду состояние, когда к пространству-времени добавлена ещё одна ось в пространственном направлении. Правильная реакция — почувствовать, что вы никогда не видели такого измерения. С момента нашего рождения у нас не было опыта «видеть» четвёртое измерение пространства. Давайте представим себе тонкое насекомое, живущее на листе бумаги. Назовём это насекомое плоским червём. Мир плоского червя имеет только переднюю и заднюю части и левую и правую стороны. Для него направление вверх-вниз — это то, что он может концептуально предположить, что существует, но он не может увидеть, что это такое; это такое существование. Даже если мы поместим это насекомое на лист бумаги и согнём бумагу в пространстве, чтобы прикрепить её к другому листу, плоский червь этого не заметит. Для него поверхность бумаги остаётся плоской, без каких-либо странных искажений, и нет прохода к соседнему листу. Для наших глаз совершенно ясно, что бумага согнута в пространстве и две точки, которые изначально были разделены, теперь соприкасаются. Однако у плоского червя нет средств смотреть вверх в этом третьем измерении. Если мы живём в трёхмерном пространстве, даже если бы существовало четвёртое пространственное измерение, мы были бы в точно такой же ситуации. Мы не можем смотреть вверх в четвёртом направлении. Наши органы чувств, а также физические инструменты, которые мы используем ежедневно, ограничены трёхмерным пространством. Но означает ли это, что четвёртое измерение не существует? С конца 20-го века до начала 21-го века идея дополнительных измерений начала серьёзно обсуждаться в теоретической физике. Это идея о том, что это пространство, которое мы считаем трёхмерным, на самом деле может быть похожим на тонкую мембрану, плавающую в высшем измерении. Физики называют эту тонкую мембрану браной. Это слово происходит от английского слова «мембрана». Мы, как плоские черви, живём на бране, и мы не можем напрямую воспринимать высшее измерение, где плавает брана, которое называется объёмом. Есть надлежащая мотивация для этой идеи. В физике частиц одной из загадок, которая долго оставалась неразрешённой, является так называемая проблема иерархии гравитации. Знаете ли вы тот факт, что по сравнению с другими силами в природе, такими как электромагнитная сила и сила, связывающая атомные ядра, гравитация невероятно слаба? Магнит холодильника может удержать одну гвоздь против гравитации, тянущей всю Землю. Если сравнить массу Земли и массу магнита, это означает, что гравитация играет чрезвычайно проигрышную игру. Почему так — долгое время оставалась теоретической загадкой. В конце 1990-х годов идеи Аркани-Хамеда, Димопулоса и Двали, так называемая модель ADD, и модели брановой космологии, такие как модель Рэндалла-Сандрама Лизы Рэндалл и Рамана Сандрама, представили интересные ответы на эту загадку. Если говорить кратко, то вот что: если мы живём на трёхмерной бране, электромагнитная сила и сила, действующая внутри атомных ядер, ограничены браной. Другими словами, они не выходят за пределы браны, то есть в направлении объёма. Это связано с тем, что электроны, протоны и свет не могут покинуть трёхмерный мир. Однако ситуация с гравитацией иная. Поскольку гравитация — это искажение самого пространства-времени, нет причин, по которым она должна быть ограничена трёхмерной браной. Гравитация вытекает в объём. Если это так, то гравитация, которую мы наблюдаем внутри трёхмерной браны, — это, так сказать, остаток после вычитания количества, вытекшего в объём, из первоначальной гравитации. Может ли быть так, что гравитация кажется чрезвычайно слабой по сравнению с другими силами, потому что большая её часть вытекает из нашего трёхмерного мира? Это один из воображаемых ответов на слабость гравитации, представленный брановой космологией. Однако это всего лишь гипотеза и не доказана. На сегодняшний день существование дополнительных измерений не было экспериментально подтверждено, и попытки обнаружить признаки брановой космологии в Большом адронном коллайдере ЦЕРНа не привели к чётким открытиям. Тессеракт в «Интерстелларе» — это как раз кинематографическая реализация этой идеи. Эта структура, которую Купер встречает внутри чёрной дыры, — это, так сказать, переводное устройство, реконструированное так, чтобы четвёртое пространственное измерение можно было увидеть с точки зрения человека, живущего в трёхмерной бране. В настройках фильма человечество из далёкого будущего или высшие существа представляют время Куперу, пространственно визуализируя его в пяти измерениях. Внутри тессеракта Купер может ходить по разным моментам времени в детской комнате Мёрф, как будто это разные места в пространстве. Это соответствует идее о том, что, хотя ось времени — это направление, по которому мы можем двигаться только в одном направлении в нашем трёхмерном мире, она признаётся высшими существами как направление, по которому можно ходить. Важно здесь то, как Купер мог использовать силу, чтобы передать что-то Мёрф. Фильм чётко показывает ответ. Это гравитация. Изнутри тессеракта Купер сбивает книжные полки и перемещает стрелки часов. В фильме это изображено как сцена, в которой какая-то сила действует из пятимерного пространства на трёхмерную брану, где живёт Мёрф. Это не электромагнитная сила. Это не свет. Это не звук. Только гравитация может действовать через границы браны. Это означает, что Купер не может использовать ничего, кроме гравитации, чтобы общаться со своей любимой дочерью. Я не знаю, ссылался ли Нолан напрямую на статьи о брановой космологии. Есть следы советов Торна. Но тот факт, что гравитация естественным образом выбирается при попытке физически реализовать кинематографическое требование, то есть сцену, в которой человек передаёт что-то своей любимой дочери через измерения, заслуживает внимания. Структура современной физики, в которой только гравитация просачивается через объём, точно воспроизводится в качестве кинематографического выбора. Если посмотреть на это снова с этой точки зрения, значение этой строки, которая имеет тенденцию быть объектом критики, а именно строки доктора Брэнда, произнесённой Энн Хэтэуэй, «Любовь превосходит измерения и время», также начинает приобретать несколько иной вид. Вероятно, причина, по которой эта строка кажется некоторым клишированной, заключается в том, что она, по-видимому, функционирует только как поэтическая метафора. Как будто внезапно появляется оккультное спасение в фильме, говорящем о физике. Однако если заменить слово «любовь», упомянутое там, словом «информация», история значительно меняется. Давайте поймём любовь как общую сумму чрезвычайно подробной и постоянной информации, которую один человек продолжает хранить о другом человеке. Существование Мёрф, где находится Мёрф, детская комната Мёрф, когда и что произошло. Купер обладает этой информацией. И он хочет передать её в место, до которого нельзя добраться обычными трёхмерными средствами, то есть в прошлое Мёрф. Тогда путь, оставшийся для него, — это гравитация. Он помещает информацию на гравитацию, единственную силу, которая действует через брану, и передаёт её Мёрф в прошлом. То, что происходит в кульминации фильма, — это именно это. Можно ли прочитать строку «Любовь превосходит измерения» не как поэтическое обманное представление, а как перефразировку на человеческом языке признания, обсуждаемого на передовом рубеже современной физики, что «гравитация — единственная сила, которая выходит за пределы границ измерений»? Если читать это так, сцена тессеракта внезапно обретает плотность. Купер не выполняет спасение из будущего с помощью сверхчеловеческой силы. В его руках только локальная гравитационная операция, достаточно сильная, чтобы потрясти книжную полку. Тем не менее, ходя по четвёртой пространственной оси, он пытается отправить необходимую информацию своей дочери в прошлом через тонкий информационный канал под названием гравитация. Это повествовательно скромная работа, но физически огромная. Гравитационные волны, достигшие книжной полки, и реальность спустя десять месяцев После того, как Купер говорит, что «отправляет информацию через гравитацию» изнутри тессеракта, как конкретно это реализуется? В фильме это изображено в виде тряски книжной полки, падения книг и незначительной вибрации секундной стрелки часов. Всё это изображено как результат гравитационных эффектов, исходящих изнутри Гаргантуа, достигающих детской комнаты Мёрф в трёхмерном мире. В языке физики это гравитационные волны. Многие из вас, вероятно, слышали термин «гравитационные волны». Предсказанные Эйнштейном в 1916 году как следствие его общей теории относительности, это явление, при котором ускоряющийся объект сотрясает окружающее пространство-время, и это сейсмическое колебание распространяется со скоростью света. Подобно тому, как электромагнитные волны распространяются в пространстве в виде колебаний электрических и магнитных полей, гравитационные волны распространяются в виде колебаний искажения пространства-времени. Чтобы получить представление об этом, представьте себе тяжёлый шар, помещённый на батут, и быстро перемещающий его. Ткань батута провисает под весом шара, и когда шар движется, провисание также движется. Когда провисание движется, по ткани распространяются волны. Другой небольшой объект, помещённый на расстоянии, сотрясается этими волнами и немного перемещается. Это версия гравитационных волн на батуте. В реальной вселенной четырёхмерное пространство-время заменяет батут, ускоряющееся тяжёлое небесное тело заменяет шар, а гравитационные волны заменяют волны. Действие Купера по тряске книжной полки соответствует задаче локального генерирования этих гравитационных волн и использования их для отправки сигнала Мёрф. Он не может напрямую схватить и потрясти трёхмерный объект, такой как книжная полка. Изнутри тессеракта он не может напрямую касаться трёхмерных объектов. Что он может сделать, так это локально сгенерировать узор гравитационных волн в определённый момент времени. Эти гравитационные волны достигают трёхмерной браны и сотрясают книжную полку, расположенную там. Книги падают с полки, и способ их падения образует код Морзе или двоичный шаблон. Мёрф в конечном итоге понимает, что сотрясение не является случайным явлением. Вероятно, это физическая интерпретация того, что происходит в фильме. Здесь я хотел бы взглянуть на историю реальных гравитационных волн. В 2014 году, когда вышел «Интерстеллар», гравитационные волны всё ещё находились на стадии теоретического предсказания. Были косвенные доказательства, такие как наблюдения за изменениями в периодах обращения двойных пульсаров, которые соответствовали излучению гравитационных волн, но нигде в мире не сообщалось о прямом обнаружении гравитационных волн. С конца 20-го века до начала 21-го века в Соединённых Штатах начала работать установка для прямого обнаружения гравитационных волн — Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, или LIGO. Было построено два туннелеобразных устройства длиной 4 километра каждое — одно в Луизиане и одно в Вашингтоне — чтобы попытаться зафиксировать крошечные искажения пространства-времени с помощью интерференции лазерного света. Однако гравитационные волны — это невероятно слабое явление. Как упоминалось ранее, сама гравитация является чрезвычайно слабой силой по сравнению с другими силами, такими как электромагнитная сила. Волны, связанные с этой гравитацией, ещё слабее. Чтобы быть конкретным, когда интенсивные гравитационные волны, испускаемые двумя сталкивающимися чёрными дырами в далёкой вселенной, достигают Земли, пространство-время вокруг Земли искажается всего на 10⁻¹³ сантиметров на каждый километр длины. Это 10 в минус тринадцатой степени сантиметров, или одна десятитриллионная миллиметра. Это даже меньше диаметра атомного ядра. Линейка длиной в один километр расширяется и сжимается на расстояние, меньшее, чем диаметр одного атомного ядра. Это то, что нужно обнаружить. Это безумие. Это тот уровень чувствительности, к которому стремился LIGO. По состоянию на ноябрь 2014 года, когда вышел «Интерстеллар», LIGO ещё не достиг целевой чувствительности. Наблюдательная система готовилась, но результатов не было. Гравитационные волны, которые Купер использует для тряски книжной полки в кульминационной сцене фильма, с точки зрения реальной физики, нереалистично сильны по порядку величины. Чтобы фактически переместить повседневные предметы, такие как книги, энергия гравитационных волн должна быть несоизмеримо больше. Фильм, безусловно, преувеличивает в этом отношении. Однако направление идеи, изображённой в фильме — структура, в которой колебания пространства-времени, то есть гравитация, могут передавать информацию, — физически точна. И менее чем через десять месяцев после выхода фильма, 14 сентября 2015 года, LIGO впервые успешно зафиксировало гравитационные волны напрямую. В далёкой вселенной, на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет, столкнулись и слились две чёрные дыры, каждая из которых имеет массу примерно в 30 раз больше массы Солнца. Гравитационные волны, испущенные в этот момент, путешествовали в течение 1,3 миллиарда лет и достигли устройств в Луизиане и Вашингтоне одновременно. Искажение пространства-времени появилось точно в масштабе, упомянутом ранее: расширение и сжатие на менее чем атомное ядро на устройство длиной 4 километра. Это наблюдаемое явление было названо GW150914. «GW» означает гравитационную волну, а числа обозначают 14 сентября 2015 года. Объявление было сделано 11 февраля 2016 года, и физики и научные журналисты по всему миру были взволнованы. Прошло ровно 100 лет с тех пор, как Эйнштейн предсказал их в 1916 году. И в 2017 году, через год после этого объявления, Нобелевская премия по физике была присуждена трём физикам, которые сыграли центральную роль в разработке, проектировании и создании детекторов LIGO. Одним из лауреатов был Райнер Вайс. Другим был Барри Бариш. И третьим был Кип Торн. Тот самый человек, который был научным консультантом «Интерстеллара», разработал вышеупомянутый код DNGR с Double Negative и заставил вымышленную чёрную дыру Гаргантуа появиться на экране, получил Нобелевскую премию за обнаружение гравитационных волн из реальных чёрных дыр. Торн, который написал статью о кротовых норах для «Контакта» Сагана в 1988 году и тщательно рассчитал эффект гравитационного линзирования для «Интерстеллара» Нолана в 2014 году, получил награду в 2017 году за свои достижения в прямом наблюдении гравитационных волн. Это была временная шкала. Сцена в кульминации «Интерстеллара», где книги падают с книжной полки Мёрф, по состоянию на 2014 год была всего лишь кинематографическим изображением идеи «передачи информации через гравитацию». Менее чем через год реальные гравитационные волны были зафиксированы впервые. Этот временной лаг незначителен, если учитывать весь временной масштаб вселенной. Мы смотрели эту сцену в эпоху, когда гравитационные волны ещё не были обнаружены напрямую, и менее чем через год мы получили сигнал из реальной вселенной. Фильм-воображение и реальность почти одновременно. Конечно, как упоминалось ранее, гравитационные волны, которые заставляют книги двигаться, в реальности нереалистичны. Если бы вы тщательно рассчитали разницу в интенсивности между гравитационными волнами, обнаруженными LIGO, и теми, которые исходят из тессеракта, возникло бы отчаянное несоответствие. Фильм не был научно строгим в этом отношении. Тем не менее, направление идеи, изображённой в фильме — структура, в которой гравитация является единственной силой, способной передавать информацию — было физически точным. И через десять месяцев реальная вселенная прислала нам сигнал на основе этой структуры. Редко когда научная фантастика догоняет реальность. Дело не в том, что научная фантастика догнала реальность, а в том, что реальность догнала научную фантастику. В этом смысле я считаю, что «Интерстеллар» занимает поистине уникальное место в истории научно-фантастического кино. В заключение, возвращаюсь к статье Кипа Торна 1988 года «Кротовые норы в пространстве-времени и их использование для межзвёздных путешествий», упомянутой в начале. Эта статья была написана в качестве научного краеугольного камня для романа Сагана. Спустя двадцать шесть лет, в 2014 году, вышел «Интерстеллар» под руководством того же физика. Через десять месяцев после этого были обнаружены реальные гравитационные волны. Через три года Торн получил Нобелевскую премию по физике за это достижение. Девять лет спустя — то есть сейчас, в мае 2026 года — я пишу эту статью. «Интерстеллар» — это фильм 2014 года. Я помню, что когда смотрел его в кинотеатре, я почувствовал сильное чувство дискомфорта от сцены с тессерактом. Эта строка, «Любовь превосходит измерения», показалась мне единственной частью физически обоснованной работы, у которой не было корней в земле. Я подумал, что это единственный сожалеющий момент. Спустя двенадцать лет моя точка зрения немного изменилась. Причина, по которой эта строка звучит оккультно, вероятно, в том, что мы ожидаем только поэтического резонанса от слова «любовь». Если мы переопределим любовь как общую сумму чрезвычайно подробной и постоянной информации, которую один человек хранит о другом, и выберем гравитацию как путь, по которому эта информация пересекает пространство-время, кульминационная сцена фильма внезапно обретает физическую субстанцию. Что, если мы интерпретируем всю сцену с книжной полкой как слияние структуры брановой космологии, гравитации как единственной силы, вытекающей в объём, и гравитационных волн, распространяющихся в пространстве-времени? Эта структура не является продуктом фантазии. Она была организована в виде статьи в 1988 году, визуализирована в фильме в 2014 году, прибыла в виде сигнала из реальной вселенной в 2015 году и была признана Нобелевской премией в 2017 году. Как единая интеллектуальная траектория она проходит от начала до конца этой статьи. В эпоху, когда жанр научной фантастики возвращается в центр кинематографа, я рекомендую ещё раз посмотреть этот фильм 12-летней давности. Водная стена, на которую смотрел Купер на планете Миллера, тишина в момент пересечения горизонта событий и звук падающих книг на полке Мёрф — это кинематографические приёмы, чтобы вызвать эмоции у аудитории, но это также переводы в изображения моментов, когда физика серьёзно говорит о вселенной. Мы сделаны из пепла звёзд. Углерод, кислород и кальций, составляющие наши кости, — это потомки атомов, выкованных в центре какой-то звезды давным-давно и рассеянных по вселенной с блеском сверхновой. Поэтому, когда люди стремятся к звёздам снова, это, в некотором смысле, возвращение домой. «Интерстеллар» мягко добавляет ещё одну правду к этому путешествию. Он говорит нам, что то, что ведёт нас к концам вселенной, — это не тяга или уравнения, а свет в маленькой комнате, ждущий, когда кто-то вернётся.