comp_right_stuff_rigor: Interstellar vs The Right Stuff (1983): Scientific Rigor and Astrophysical Realism

Научна ли картина Кристофера Нолана “Интерстеллар”? Кристофер Нолан — один из самых влиятельных режиссеров нашего времени, возможно, даже главный кинематографист своего поколения. Однако в его британском стиле есть элемент, который иногда делает его фильмы немного слишком функциональными и холодными. Как писал Ричард Броди в своей рецензии на “Оппенгеймера” в The New Yorker, “Нолан монтирует сцены так, чтобы они соединялись как пазл, а детали, которые не вписываются — противоречия, нюансы, даже небольшие случайные странности — остаются за кадром… В результате получается фильм, который нужно решить, а не пережить”. Но в “Интерстелларе” 2014 года режиссер доказал, что может сочетать свой функциональный стиль с настоящей эмоциональной глубиной. Поэтому “Интерстеллар” остается эмоциональным шедевром Нолана и для многих — его лучшим фильмом. То, что делает его по-настоящему удивительным, — это то, что Нолан сумел создать действительно трогательную эмоциональную драму, которая одновременно является зрелищным научно-фантастическим эпиком, более фиксированным на научной точности, чем любые его предыдущие проекты. Также впечатляет, что приверженность научной реальности в “Интерстелларе” могла бы показаться ограничением для его галактического блокбастера, но на самом деле она привела к некоторым из самых запоминающихся сцен фильма. От планеты Миллера с ее гигантскими приливными волнами до вымышленной сверхмассивной черной дыры Гаргантюа, фильм Нолана наполнен, казалось бы, фантастическими элементами, которые на самом деле основаны на реальной науке. Насколько точен “Интерстеллар” в этом отношении? Оказывается, очень. Физик Кип Торн руководил проектом “Интерстеллар” Многие поклонники Кристофера Нолана, вероятно, знают, что режиссер нанял теоретического физика Кипа Торна в качестве консультанта для “Интерстеллара”. Но эти поклонники могут не осознавать, насколько глубоко Торн был вовлечен в производство фильма. Хотя Нолан сделал большой научно-фантастический шаг с “Интерстелларом”, присутствие лауреата Нобелевской премии по физике обеспечило, что все не ушло слишком далеко от реальности. В подкасте StarTalk Нила Деграсса Тайсона ведущий попытался поймать Торна на нескольких научных моментах, связанных с фильмом, но физик имел ответ на все вопросы. Во-первых, сама по себе предпосылка “Интерстеллара” основана на реальной научной возможности. Фильм вращается вокруг поиска человечеством новой планеты-хозяйки, поскольку оно сталкивается с вымиранием на Земле из-за болезней растений. Это то, что движет путешествием Джозефа Купера (Мэтью Макконахи) через Вселенную, чтобы колонизировать новую планету. Но, как сказал Тайсон Торну, “Любые усилия, необходимые для поиска другой Земли, кажутся мне большими, чем просто сказать биологам придумать сыворотку, которая могла бы исправить растения”. Торн ответил, рассказав, что создатели фильма собрали “лучших биологов”, которые были “экспертами в этих вопросах”, и после трех-четырехчасового разговора никто из них не смог представить никаких причин, почему “злая обобщенная болезнь” не могла бы произойти. По словам Торна, “Это то, чего никогда не видели биологи, но они не могут исключить эту возможность”. Если бы такое явление существовало, разработка “сыворотки”, как предполагает Тайсон, которая могла бы вылечить каждый тип культуры, была бы невозможна. Такой подход к предпосылке “Интерстеллара” очень характерен для того, как Нолан и компания подошли к всему фильму, поскольку Торн сказал Тайсону, что “это не похоже почти ни на один другой фильм, в котором эти вопросы проверялись лучшими экспертами мира”. Тайсон объявил “Лунопад” наименее научно точным научно-фантастическим фильмом, но он не смог найти никаких проблем с точностью в “Интерстелларе”, что говорит о уровне приверженности Нолана и Торна. Даже научная фантастика в “Интерстелларе” была более “научной”, чем “фантастической” Болезнь растений может показаться не самым фантастическим элементом “Интерстеллара”, но что насчет чего-то, что кажется немного более научной фантастикой — например, водной планеты с гигантскими цунами? Планета Миллера — это первая планета в системе, вращающейся вокруг черной дыры Гаргантюа, и принимает Купера и его экипаж, когда они приземляются на поверхности, чтобы расследовать. Однако они быстро вынуждены бежать, когда на горизонте появляется гигантская приливная волна. Сам размер волны не похож ни на что, что мы могли бы увидеть на Земле, но полностью ли нереалистично думать, что такое явление могло бы существовать на далекой планете? По словам Кипа Торна, волна на планете Миллера на самом деле имеет довольно прочную научную основу. Физик рассказал в подкасте StarTalk, что она основана на типе волны, называемой одиночной волной, которую открыл кораблестроитель Джон Скотт Рассел в 1834 году. Рассел наблюдал волновую форму после того, как баржа врезалась в подводное препятствие, и заметил, что она сохраняла свою форму все время, пока он следил за ней на лошади. Это именно тот тип волны, который показан в “Интерстелларе”, хотя Торн признает, что размер версии в фильме “преувеличен”. Другой аспект сцены на планете Миллера — это экстремальная временная дилатация на поверхности планеты. Один час на планете — это семь лет на космическом корабле “Стойкость”, который вращается вокруг планеты. Это тоже основано на науке, и Торн включил свои расчеты в книгу “Наука Интерстеллара”. По словам физика, Нолан специально попросил научное объяснение, которое позволило бы ему изобразить такую временную дилатацию, что побудило Торна провести соответствующие расчеты. Физик утверждал, что был “ошеломлен”, обнаружив, что планета могла находиться так близко к черной дыре, как того требовал фильм, не падая в черную дыру — то есть, если черная дыра вращается с определенной скоростью. Это также позволило ему обосновать экстремальную временную дилатацию на планете Миллера, которая находится так близко к Гаргантюа, что искажения гравитации черной дыры создают разницу во времени между поверхностью планеты и ее орбитой. Но что насчет самой черной дыры? “Интерстеллар” правильно предсказал внешний вид черной дыры Если вам нужно еще больше убедиться, что “Интерстеллар” — один из самых научно точных научно-фантастических фильмов, когда-либо снятых, то вот факт: Кристофер Нолан и Кип Торн точно изобразили внешний вид черной дыры, не видев ее никогда. “Интерстеллар” правильно предсказал внешний вид черной дыры с Гаргантюа, гигантским космическим объектом, в который Купер входит в конце фильма. В 2019 году, через пять лет после выхода фильма, The New York Times опубликовала первое в истории изображение черной дыры, и оно оказалось удивительно похоже на то, которое было основано на предсказаниях Торна из фильма. На самом деле, как вспоминал Нолан в недавнем документальном фильме, режиссер позвонил Торну после публикации изображения, сказав: “Хорошо, что ты был прав”. Однако некоторые вольности были приняты, когда речь шла о путешествии Купера в черную дыру. Хотя эти космические объекты остаются в значительной степени загадочными (ближайшая к нашей планете находится примерно в 1500 световых годах), у нас есть довольно хорошее представление о том, что могло бы произойти, если бы человек попытался пересечь порог — известный как горизонт событий — черной дыры. В случае звездных черных дыр человек был бы почти сразу растянут, процесс, который включает в себя растяжение из-за разницы гравитационной силы между головой и ногами. Но в сверхмассивных черных дырах, таких как Гаргантюа, ученые считают, что растяжение не произойдет сразу, и что человек теоретически мог бы пересечь горизонт событий. Будет ли внутри тессеракт с плавающим Мэтью Макконахи? Почти chắc chắn нет. Но поскольку никто на самом деле не знает, как выглядит内部 черной дыры, всегда есть возможность… Это лишь некоторые из вещей, которые делают приверженность научной аутентичности в “Интерстелларе” очевидной. Также стоит отметить цилиндрические космические корабли, используемые для транспортировки людей через галактику, которые были основаны на реальных проектах физика Джерарда К. О’Нила. Хотя недавние исследования показывают, что изображение червоточины в “Интерстелларе” не совсем точно, в целом фильм использует реальную науку для изображения некоторых из своих самых, казалось бы, фантастических элементов. Насколько точен “Интерстеллар”? Реальная наука за уравнением гравитации, черной дырой и временной дилатацией в фильме Фильм “Интерстеллар” достаточно точен с научной точки зрения. Некоторые концепции в фильме, такие как червоточины и временная дилатация, поддерживаются теоретической физикой, но не доказаны окончательно. Другие аспекты фильма, такие как уравнение гравитации, основаны на реальных уравнениях, но не хорошо поняты. “Интерстеллар” — популярный научно-фантастический триллер, охватывающий широкий спектр тем — от бегства с Земли из-за экологических катастроф до червоточин и временной дилатации. Фильм исследует несколько интригующих концепций, некоторые из которых имеют разную степень научной точности. В этой статье мы глубже рассмотрим эти идеи и обсудим, могут ли они существовать в реальности. Обратите внимание, что эта статья содержит спойлеры, поэтому будьте осторожны, если вы еще не видели фильм. Могут ли люди действительно путешествовать через червоточины? Червоточина в “Интерстелларе” — это движущая сила всего сюжета; портал появляется где-то возле Сатурна, созданный, по-видимому, всемогущими пятимерными существами. Червоточина — это своего рода “туннель”, который искривляет пространство-время и позволяет энергии и информации перемещаться с одной стороны на другую. Самое простое объяснение этому дано Ромилли в самом фильме, но вы можете прочитать здесь, чтобы узнать больше. Могут ли существовать червоточины? Ну, наука указывает на теоретическую возможность этого, но мы еще не обнаружили червоточину, что означает, что это все еще гигантская гипотеза. Кроме того, стены червоточины intrinsically нестабильны, поэтому прохождение через нее вызовет ее обрушение на вас. Шансы найти естественную червоточину невероятно малы, поэтому для существования проходимой червоточины она должна быть создана какой-то формой развитой цивилизации с возможностью перемещать целые звезды. Это действительно ошеломляюще, но теоретическая физика все еще допускает возможность существования червоточин. Нам просто нужно, чтобы пятимерные существа заметили нас сначала. Вердикт: Червоточины были штампом научной фантастики на протяжении десятилетий и, вероятно, останутся таковыми. Путешествие через нее практически невозможно. (Примечание: падение в черную дыру определенно убьет вас.) Могут ли существовать роботы, такие как ТАРС? Самой сложной частью создания робота, такого как ТАРС или КЕЙС, была бы его искусственный интеллект, а не двигательные движения или дизайн. На самом деле, простой дизайн монолитного представления ТАРСа получил широкое признание. Частично из-за того, что это дань монолиту в “2001: Космическая одиссея”, но в основном из-за его забавных шуток. Жесткий и прямоугольный робот мог бы работать в теории, но для движения конечностей так, как это показано в фильме, потребовалось бы огромное количество крутящего момента; например, перенос доктора Бренд и выполнение сальто через море потребовало бы огромного количества энергии. Реальный робот в такой ситуации, вероятно, имел бы колеса и когти вместо рук в виде Лего. Кроме силы, есть часы программирования, которые потребовались бы для всего, от словарного запаса до настроек юмора, что просто невозможно в одном продукте сегодня, по крайней мере, не в такой отточенной и детерминированной версии, как ТАРС. Не говоря уже о всех датчиках, схемах, проводах и гидравлике, которые все нужно было бы уместить в элегантную мобильную единицу. Для существования робота, такого как ТАРС, десятки гигантских технологических компаний должны были бы посвятить тысячи людей полный рабочий день для работы над одним продуктом — возможно, на протяжении десятилетий. Фильм объясняет это тем, что это модифицированный военный робот, что имеет смысл в контексте, но, вероятно, не было бы идеальным спутником в пилотируемой межзвездной миссии. Вердикт: Искусственный интеллект быстро развивается (думайте о моделях класса GPT и гуманоидных роботах, таких как Atlas от Boston Dynamics), но один полностью воплощенный компаньон, такой же остроумный, автономный и физически способный, как ТАРС, все еще далеко за пределами того, что построила любая компания. Монолитный, плоский дизайн также вряд ли будет форм-фактором выбора. Как уравнение “гравитации” помогает массовому исходу человечества? Уравнение, над которым работает Мерф как ее единственная цель, чтобы “спасти человечество”, в фильме просто называется “уравнением гравитации”. Ну, в реальной жизни тоже есть уравнение гравитации, хотя они не совсем одинаковы. В фильме Мерф и профессор Бренд пытаются разгадать доску, полную цифр, чтобы “решить гравитацию”, что означало бы успех плана А, который представляет собой план эвакуации, помогающий мировому населению покинуть планету с помощью гравитационных ракет. Она в конечном итоге находит решение после получения информации о “бесконечной гравитации” внутри черной дыры. Одним из уравнений на доске является версия знаменитого уравнения Эйнштейна, которое представляет собой дифференциальное уравнение гравитации, объясняющее все, от Большого взрыва до черных дыр, и практически любую гравитационную аномалию между ними. Записанное уравнение выглядит так: Gμν + Λgμν = (8πG / c4) Tμν: левая часть кодирует, как искривляется пространство-время, а правая часть описывает материю и энергию, вызывающие искривление. “G” в последнем члене — это гравитационная постоянная Ньютона, именно ту величину команда Бренда отчаянно пытается узнать, как контролировать. Открытие гравитационных волн LIGO, обнаруженных 14 сентября 2015 года (сигнал GW150914) и объявленных в феврале 2016 года, подтвердило одно из ключевых предсказаний Эйнштейна о гравитации. Сигнал поступил от двух сталкивающихся черных дыр примерно в 1,3 миллиарда световых лет отсюда. Кип Торн, который служил научным консультантом “Интерстеллара”, разделил Нобелевскую премию по физике 2017 года за свои решающие вклады в это открытие. То, над чем работает Мерф в фильме, по сути, является концептуализированным уравнением Эйнштейна, которое помогает “создать свою собственную гравитацию”, что позволило бы поднять целые города в космос. Почти поэтично, что это работа Эйнштейна, которая в конечном итоге спасает человечество в фильме, вместе с небольшим вкладом Мерф и некоторым транс-мерным взаимодействием, конечно. Вердикт: Уравнения существуют в какой-то форме, но они не помогут нам покинуть Землю в ближайшее время. Итак, что такое “уравнение” в “Интерстелларе”? На экране уравнение, над которым Мерф и профессор Бренд одержимы, никогда не записывается как одна строка; это доска, полная тензорного исчисления. Но Кип Торн, научный консультант фильма, объяснил, что оно представляет собой попытку объединить общую теорию относительности Эйнштейна с квантовой механикой, долгожданную теорию квантовой гравитации. Конкретно, Бренд пытается смоделировать гравитационные аномалии (падающий дрон, узоры пыли в спальне Мерф) как утечку из более высокомерной “оболочки”, и выяснить, как контролировать гравитационную постоянную G, чтобы NASA могла поднять целые космические станции с Земли. Ключевым недостающим ингредиентом являются данные изнутри горизонта событий черной дыры (квантовая информация о том, как ведет себя пространство-время, где общая теория относительности разрушается). Вот почему Куперу приходится упасть в Гаргантюа: ТАРС собирает квантовые данные из сингулярности, а Купер передает их Мерф в виде морзянки на секундной стрелке ее часов. Вооружившись этими данными, взрослая Мерф наконец может закрыть уравнение и разблокировать контролируемую гравитацию. В реальной физике это именно та информация, которой у физиков нет. У нас есть общая теория относительности (которая описывает гравитацию в больших масштабах) и квантовая теория поля (которая описывает другие три силы в крошечных масштабах), но нет экспериментально подтвержденной теории, объединяющей их. Существуют кандидаты (теория струн, петлевая квантовая гравитация, причинно-динамическая триангуляция), но ни одна из них не имеет решения в стиле Мерф, которое позволило бы нам поднять города на орбиту. Временная дилатация и планета с приливной волной Это, вероятно, самый большой вопрос в фильме. Как кто-то на космическом корабле может постареть на 23 года, 4 месяца и 8 дней, в то время как люди на земле находятся там всего 3,5 часа? Давайте сначала попробуем понять некоторые основы временной дилатации. Допустим, мы находимся на поверхности планеты Миллера с Ромилли на космическом корабле, вращающемся вокруг черной дыры Гаргантюа. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, часы, находящиеся глубоко внутри сильного гравитационного поля, тикают медленнее, чем часы, находящиеся далеко от любого массивного объекта, что именно происходит в фильме. Доктор Бренд и Купер приземляются на планету Миллера, опасно близко к Гаргантюа, где огромная гравитация черной дыры значительно замедляет местный ход времени. Гигантские приливные волны, с которыми они сталкиваются, не вызваны быстрым вращением самой планеты; это приливные выпуклости, вызванные Гаргантюа, и планета качается взад и вперед через них, вращаясь вокруг черной дыры. Ромилли, однако, вращается вокруг Гаргантюа на расстоянии, что делает эффект гравитации черной дыры на него гораздо меньше. Обратите внимание, что время замедляется только относительно между двумя группами людей; если мы предположим, что космический корабль “Стойкость”, на котором находится Ромилли, имеет одинаковый гравитационный потенциал, что и Земля, то 23 года также пройдут для людей на Земле. Никто на самом деле не испытывает ничего в замедленном темпе. Если бы Купер носил камеру GoPro на голове все 3,5 часа и каким-то образом смог бы транслировать это видео на Землю мгновенно в одном кадре (что на самом деле невозможно из-за того, что информация не может путешествовать быстрее скорости света), его дочь Мерф просто увидела бы 3,5-часовое видео, а не замедленное. Если бы он транслировал это в прямом эфире на Periscope, Мерф получила бы несколько бит каждые несколько дней или даже недель, и прямая трансляция была бы в сверхмедленном замедлении. Для уровня временной дилатации, показанной в фильме (один час на планете соответствует примерно семи земным годам), Кип Торн работал цифры в обратном порядке. Эффект в основном гравитационный, а не связанный с движением: Гаргантюа должна была быть почти максимально вращающейся черной дырой, а планета Миллера должна была находиться чуть за пределами ее горизонта событий. Даже так, чтобы поддерживать стабильную орбиту на этом радиусе, планета все равно должна была двигаться вокруг Гаргантюа со скоростью более половины скорости света. Находиться так близко к черной дыре имело бы огромные негативные последствия для планеты, и она, вероятно, не смогла бы существовать в своем нынешнем виде из-за невероятных гравитационных сил. Вердикт: Математика немного не та, но позволяя некоторую творческую свободу, поскольку это научно-фантастический фильм, эффекты временной дилатации точны. “Интерстеллар” (который отметил свое 10-летие переизданием в формате IMAX 70 мм в декабре 2024 года) остается одним из самых физически верных научно-фантастических фильмов, когда-либо снятых. Кип Торн, научный консультант фильма, профессор теоретической физики в Калифорнийском технологическом институте и лауреат Нобелевской премии по физике 2017 года, написал целую книгу на эту тему под названием “Наука Интерстеллара”, в которой подробно описываются относительность, червоточины и сцены тессеракта. Многие вопросы, возникающие в фильме, объясняются, а его участие перемещает фильм из области научной фантастики в область возможности, несмотря на его метафизические элементы… но это тема для другого дня.