Почему идея из «Межзвёздного» о прыжке в чёрную дыру имеет смысл? » ScienceABC

Прыжок Купера в Гаргантюа в «Межзвёздном» драматизирует реальную физическую проблему: общая теория относительности (которая управляет гравитацией на больших масштабах) и квантовая механика (которая управляет всем остальным) разрушаются внутри чёрной дыры. Сингулярность в центре чёрной дыры — это единственное место во Вселенной, где должна доминировать квантовая гравитация, поэтому там (если бы вы могли выжить достаточно долго, чтобы отправить данные обратно) данные были бы наиболее важны. Если вы смотрели фильм «Межзвёздный», вы, наверняка, помните потрясающий и захватывающий момент, когда Купер спасает день, прыгнув в чёрную дыру. Если вы помните, сюжет истории вращался вокруг того, что гравитация отказывалась работать на Земле, и человечеству пришлось найти другой способ выжить. Либо на Земле, либо где-то ещё. Была создана команда, чтобы найти подходящую планету для человечества за пределами нашей солнечной системы. После потрясающего приключения они видят, что время на Земле истекает, остаётся только одна планета, которую нужно проверить, но никто не смог полностью разобраться с гравитацией. Так что что делает главный герой Купер, чтобы решить проблему? Он прыгает в чёрную дыру. Верьте или нет, учитывая то, что мы знаем о гравитационной силе, идея на самом деле имеет смысл! Теперь вы можете удивиться, услышав это, но на самом деле гравитационная сила — это самый спорный член в семье сил. Более того, это единственный, который исключён из семьи фундаментальных частиц (называемой Стандартной моделью), которая объединяет элементарные частицы и силы, управляющие Вселенной. Какова причина такого необычного отношения к гравитации? Почему самая заметная сила так по-другому воспринимается? И почему падение в чёрную дыру (буквально!) имеет смысл в таком кинематографическом сценарии? Для этого сначала нам нужно понять силы, управляющие нашей Вселенной. Что такое фундаментальные силы природы? Сегодня мы знаем большинство фундаментальных частиц, из которых состоит Вселенная (по крайней мере, видимая Вселенная). Мы также знаем всё о фундаментальных силах, управляющих ею. Эти фундаментальные силы — электромагнетизм, сильное и слабое ядерные силы, и гравитационная сила. Чтобы дать вам пример того, как каждая сила существует за счёт управления Вселенной, посмотрите вокруг себя. Мы видим примеры электромагнитной силы в электронных устройствах в наших руках. Сильная ядерная сила — это то, что питает Солнце и другие звёзды: она связывает атомное ядро вместе и выделяет энергию, когда лёгкие ядра сливаются. Внутри того же ядра сильная сила также удерживает кварки внутри каждого протона и нейтрона, в то время как слабая ядерная сила управляет определёнными распадами частиц (например, бета-распадом), которые играют поддерживющую роль в цепочках синтеза. Наконец, есть гравитационная сила, причина, по которой мы сидим на наших стульях и можем ходить по этой прекрасной планете. Стандартная модель была основным научным достижением, которое помогло нам классифицировать частицы, которые мы открыли. Её можно рассматривать как дом для семьи элементарных частиц, но эта семья — довольно сложная и спорная. И как любая другая сложная семья, у неё тоже есть чёрная овца — гравитационная сила. Странно, что самая очевидная из всех этих сил — та, которая не признана за столом фундаментальных строительных блоков Вселенной! В чём причина недовольства по отношению к гравитационной силе? Ответ был дан буквально в «Межзвёздном». Если вы помните, в фильме профессор Бренд и его дочь (а позже и Мерфи тоже) были абсолютно разочарованы, пытаясь завершить эту упрямую незавершённую теорию гравитации. Казалось, что единственный способ полностью понять силу — это получить полную математическую картину. Однако, даже после многих лет попыток, на своей смертной постели профессор Бренд говорит Мерфи, что нет способа завершить уравнение. Я знаю, это может быть немного запутанно… почему незавершённое уравнение несёт такую оскорбительную реакцию со стороны Стандартной модели? Более того, разве у нас не есть очень успешная теория гравитации, данная Альбертом Эйнштейном, называемая общей теорией относительности? Так почему же эта знаменитая сила исключена? Простой ответ в том, что даже если у нас есть уравнение, оно предназначено для мира на крупномасштабном уровне: звёзд, луны, планет, бейсбольного мяча, шарика и т.д. Однако, когда мы начинаем говорить о частицах на квантовом уровне, уравнение недостаточно. Верхушка на торте — это тот факт, что все другие силы могут быть выражены с помощью квантовой физики. С другой стороны, когда речь идёт о гравитации на квантовом уровне (квантовая гравитация), например, внутри чёрной дыры, общая теория относительности подводит нас! Теперь вы понимаете, почему мы всё ещё не можем понять внутренности чёрных дыр? Решение, предложенное «Межзвёздным» Теперь приходит самая странная, но, честно говоря, законная идея, придуманная Купером, — падение в чёрную дыру. Независимо от того, насколько это странно, это лучший вариант. Предположим, мы каким-то образом построим космический корабль, способный выдержать чрезвычайно высокую гравитацию и температуру, нанесём на наши тела SPF 1000000000000 и надеемся, что чёрная дыра не разрушит нас. Семантика, правда? На самом деле, это хорошая идея, потому что мы выдвинули множество теорий, чтобы объединить гравитацию с квантовой физикой. К сожалению, все они оказались недостаточными. Более того, как мы можем экспериментально наблюдать квантовую гравитацию, когда единственное место во Вселенной, где она существует, — это сингулярность? Точка, где сила гравитации наибольшая во Вселенной, то есть внутри чёрной дыры. Сцена из «Межзвёздного» о падении в чёрную дыру И именно поэтому, когда Купер маневрировал своим космическим кораблём и вошёл в чёрную дыру, возник момент «ах!», не только для сюжета, но и для науки. Он мог успешно провести наблюдения квантовой гравитации, и используя эту информацию, Мерфи могла бы, наконец, завершить уравнение гравитационной силы и спасти день на Земле! Так что, следующий раз, когда вы будете смотреть «Межзвёздный», помните, сколько фактов его фикция основана на, и наслаждайтесь! Почему Купер прыгнул в чёрную дыру? В фильме Купер не ныряет в Гаргантюа наобум. К моменту, когда Эндюранс достигает чёрной дыры, экипаж почти закончил топливо, и единственный способ отправить ландер Амелии Бренд на планету Эдмундса — это сделать корабль легче. Так что Купер и робот ТАРС отсоединяют свои модули и позволяют гигантской гравитации Гаргантюа устремить остаток корабля вперёд. Это настоящий манёвр, называемый гравитационным манёвром, та же трюк с гравитационным ускорением, который NASA использует для запуска зондов по солнечной системе. Жертва Купера выполняет двойную функцию. Снижение этой массы даёт Бренд нужный ускоритель, и отправляет Купера в одностороннюю поездку за точкой невозврата. Это именно тот момент, где наука выше возвращается. Сингулярность внутри чёрной дыры — это единственное место во Вселенной, где квантовая гравитация должна раскрыться, так что если Купер каким-то образом сможет записать, что происходит там, человечество, наконец, получит недостающий кусок для уравнения гравитации. Он не просто отдаёт свою жизнь; он рискует, что внутри чёрной дыры есть ответ. Как Купер выжил, падая в Гаргантюа? Вот часть, которая удивляет людей: пересечение края такой большой чёрной дыры не мгновенно разорвёт вас. Реальная опасность — это приливная сила, разница в гравитации между вашей головой и вашими ногами. Вокруг маленькой звёздной чёрной дыры эта разница жестока, растягивая всё, что падает в неё, в тонкую нить, участь, которую физики с удовольствием называют спагеттификацией. Но Гаргантюа — это сверхмассивная чёрная дыра массой примерно в 100 миллионов раз больше массы Солнца, и чем больше чёрная дыра, тем мягче приливной градиент на её горизонте событий. Как говорит астрофизик NASA Джереми Шниттман: «Если у вас есть выбор, вы хотите упасть в сверхмассивную чёрную дыру», потому что вы можете пересечь горизонт, не чувствуя ничего. Это покупает Куперу некоторое время, но не выживание. Приливные силы всё ещё резко растут, когда он падает к центру, и никакая известная физика не позволяет человеческому телу выдержать сингулярность. Это момент, когда «Межзвёздный» передаёт руль научной фантастике. Непосредственно перед тем, как Купер будет уничтожен, его захватывает тессеракт. В чистой геометрии тессеракт — это четырёхмерный куб, но в фильме эта структура используется как ворота в высшие измерения, которые позволяют Куперу рассматривать время как направление, по которому он может двигаться. Это построено продвинутыми существами, которых Купер осознаёт, что они не пришельцы, а наши собственные потомки из далёкого будущего, люди, которые эволюционировали, чтобы воспринимать дополнительные измерения так, как мы смотрим вокруг комнаты. Для его глаз тессеракт выглядит как бесконечная решётка, сложенная из каждой минуты за его дочерью Мерфи за её книжной полкой. Как Купер вышел из Гаргантюа и вернулся домой? Изнутри тессеракта Купер может проникнуть через пространство и время, используя гравитацию, единственную силу, которая, как считается, может проникать за наши привычные четыре измерения. ТАРС, который упал вместе с ним, измерил квантовые данные изнутри горизонта и закодировал их в азбуке Морзе. Купер передаёт этот код Мерфи, слегка толкая стрелку часов, которые он дал ей много лет назад, тихий гравитационный сигнал, отбивающий числа, которые ей нужны. Вооружённая этим, взрослая Мерфи, наконец, решает уравнение гравитации, разблокирует управляемую гравитацию и даёт человечеству способ уйти с умирающей Земли. Как только сообщение доставлено, тессеракт закрывается и отпускает Купера. Его находят, дрейфующим рядом с Сатурном, близко к червоточине, которая начала путешествие, и подбирают на космической станции, орбитающей кольцевую планету примерно через сто лет после того, как он впервые ушёл из дома. Относительность сохранила его молодым, в то время как Мерфи теперь старая женщина на своей смертной постели. Это прекрасный финал, и он основывается на реальных идеях, но важно быть честным по поводу науки: на самом деле, ничего, даже информации, не может выйти из горизонта событий чёрной дыры. Возвращение Купера полностью опирается на изобретённую фильмом высшую размерность физики, а не на что-либо, что мы можем сейчас проверить. Реальная магия «Межзвёздного» в том, сколько настоящей науки он складывает под этим одним прыжком воображения.