Роджер Хайфилд, директор по внешним связям Музея науки, исследует физику голливудского блокбастера «Интерстеллар». Считается, что черные дыры лежат в центре большинства, возможно, всех галактик. Неудивительно, что особенно впечатляющая черная дыра скрывается в центре галактики голливудских звезд – Мэттью МакКонахи, Энн Хэтэуэй, Джессики Честейн, Майкла Кейна, Билла Ирвина, Кейси Аффлека и Джона Литгоу – в блокбастере «Интерстеллар».
Поразительно, что научно-фантастический эпос Кристофера Нолана вращается вокруг Гаргантюа – самой точной симуляции черной дыры, плода замечательного сотрудничества между ведущим ученым Кипом Торном и командой под руководством мастера визуальных эффектов, получившего «Оскар», Пола Франклина. В фойе театра уже ощущалось предвкушение, люди оживленно обсуждали увиденные трейлеры и спорили о возможности путешествий во времени.
Сюжет «Интерстеллара», который изначально разрабатывался братом Нолана, Джонатаном, опирается на эту чудовищную черную дыру, чтобы исследовать тему замедления времени, когда часы могут идти с разной скоростью для разных персонажей. Эта идея глубоко привлекает Нолана. Он использовал ее в своем головокружительном хите «Начало», где время двигалось с разной скоростью в зависимости от состояния сна его персонажей. Необычайные компьютерные видения миров снов Нолана принесли Франклину «Оскар». В зале музея уже были установлены интерактивные стенды, позволяющие посетителям визуализировать эффект замедления времени, сравнивая ход часов на Земле и вблизи черной дыры.
Черные дыры настолько плотны, что их гравитационное притяжение не позволяет ничему вырваться из их хватки. В их центре находится то, что физики называют сингулярностью – точка, по сути, бесконечной плотности, где существующие законы физики перестают действовать (считается, что законы квантовой гравитации вступают в силу в ее ядре, но мы совершенно их не понимаем). Вокруг черной дыры само пространство-время изгибается настолько, что даже свет не может вырваться. Это экстремальное искривление пространства-времени означает, что по мере приближения к черной дыре время для вас будет замедляться по отношению к внешнему миру. Астронавт, которому удалось бы выйти на ближайшую орбиту вокруг быстро вращающейся черной дыры – не упав в нее – мог бы за субъективно короткий период увидеть, как разворачивается огромный промежуток времени. Представьте себе, как годы пролетают на Земле, пока вы наблюдаете за ними из безопасного укрытия, словно сторонний наблюдатель.
Нолан настоял на том, чтобы для «Интерстеллара» он исследовал «реальные возможности», а не чистую фантазию. На сцену выходит Кип Торн, 74-летний профессор теоретической физики имени Фейнмана на пенсии в Caltech, который послужил вдохновением для персонажа, сыгранного в фильме Майклом Кейном. Торн – один из ведущих мировых экспертов в области общей теории относительности, теории гравитации, которую Альберт Эйнштейн представил почти столетие назад, и он когда-то помогал Карлу Сагану с межзвездными путешествиями в его романе и фильме «Контакт». Нолан объединил Торна с Полом Франклином и его 30-членной командой из британской компании визуальных эффектов Double Negative. Встречи проходили в небольшом конференц-зале, где Торн, с доской, исписанной сложными уравнениями, объяснял Франклину и его команде тонкости гравитационного линзирования и искривления пространства-времени.
Чтобы Гаргантюа выглядел научно правдоподобно, Франклин попросил Торна предоставить ему уравнения, которые направляли бы их программное обеспечение для визуальных эффектов точно так же, как физика Эйнштейна моделирует реальный мир. «Это первый случай, когда визуализация черной дыры в фильме началась с уравнений общей теории относительности Эйнштейна», – говорит Торн. Франклин и команда Double Negative, в частности Южени фон Тунзельманн (супервайзер по компьютерной графике) и Оливер Джеймс (главный ученый), использовали «ферму рендеринга», состоящую из тысяч компьютеров, работающих параллельно, для отслеживания лучей света вокруг черной дыры. На создание некоторых отдельных кадров уходило до 100 часов, а в общей сложности фильм обработал ошеломляющие 800 терабайт данных. В офисах Double Negative царила атмосфера напряженной работы, художники и программисты круглосуточно трудились над созданием реалистичного изображения черной дыры.
Получившаяся черная дыра Гаргантюа выглядит как «великая линза в небе с темным сердцем», – говорит Франклин. В зале IMAX царила особая атмосфера, огромный экран позволял полностью погрузиться в мир «Интерстеллара».
Физика, смоделированная в фильме, включает одно из самых известных предсказаний Эйнштейна: путь светового луча может быть искривлен гравитацией массивного объекта, такого как звезда. Когда свет от далеких тел проходит через гравитационное поле гораздо более близких массивных объектов, он изгибается в результате эффекта, известного как «гравитационное линзирование», обеспечивая дополнительное увеличение, подобное естественному телескопу и, как говорит Торн, «искажение изображения, как в кривом зеркале в комнате смеха». Это моделирование искривленного пространства вокруг Гаргантюа создает любопытную, захватывающую и удивительную особенность гравитационного линзирования звездного неба вместе с смоделированным аккреционным диском – материей, вращающейся в черную дыру со скоростью, близкой к скорости света, – который ярко светится. Зрители завороженно наблюдали за тем, как звезды искажаются и деформируются под воздействием гравитации черной дыры.
«Это первый случай, когда визуализация черной дыры в фильме началась с уравнений общей теории относительности Эйнштейна». Сначала они думали, что в их программировании есть ошибка, но когда она сохранялась в симуляциях Double Negative, Торн убедился, что неожиданно сложный ореол возле тени Гаргантюа реален, а не артефакт. Он ожидает, что по крайней мере две статьи появятся из новых деталей, которые они обнаружили в уравнениях Эйнштейна: одна в британском журнале Classical and Quantum Gravity для астрофизиков и одна для сообщества компьютерной графики. После премьеры фильма Торн получил множество писем от ученых, которые выражали свое восхищение точностью и научной обоснованностью визуализации черной дыры.
Долгосрочный научный соратник и друг Торна, Стивен Хокинг, утверждал, что долгосрочное выживание нашего вида зависит от развития межзвездных путешествий. Это центральная тема, исследуемая в «Интерстелларе», но, конечно, посещение другой звезды без тысяч лет пути – непростая задача. В качестве примера расстояний, свету требуется около 25 000 лет, чтобы достичь Земли от зияющей пасти черной дыры, находящейся в центре нашей собственной галактики, с массой примерно в три-четыре миллиона раз больше массы Солнца, но в 30 раз меньше Гаргантюа. Хокинг часто говорил о необходимости колонизации других планет, чтобы обеспечить выживание человечества в случае глобальной катастрофы.
Физика запрещает путешествия быстрее скорости света, но может позволить радикальные сокращения пути: червоточины – гипотетические туннели через пространство-время – предсказанные общей теорией относительности Эйнштейна, которые могут соединять отдаленные части вселенной. Их происхождение восходит к десятилетиям назад, к работе Людвига Фламма в Венском университете в начале прошлого века, а затем к работе самого Эйнштейна и Натана Розена в Принстоне. Фламм, Эйнштейн и Розен обнаружили решение уравнений общей теории относительности Эйнштейна, описывающее мост между двумя местами/временами (областями того, что ученые называют пространством-временем). Этот так называемый «мост Эйнштейна-Розена» – то, что мы теперь называем червоточиной – мог бы проложить путь к возможности преодоления огромных расстояний по вселенной, даже путешествиям во времени. В зале музея были установлены интерактивные модели червоточин, позволяющие посетителям визуализировать их структуру и принципы работы.
Оказалось, что червоточина Эйнштейна-Розена не может существовать достаточно долго, чтобы свет мог пересечь ее из одной части вселенной в другую. По сути, гравитация закрывает этот межзвездный портал. Это стало головной болью, когда покойный астроном Карл Саган решил написать научно-фантастический роман «Контакт», чтобы отправиться с Земли к точке вблизи звезды Вега. В процессе работы над книгой Саган обратился к Торну в Caltech, которого он знал с 1970 года. Саган даже организовал Торну свидание вслепую с Линдой Обст, которая позже стала продюсером фильма «Контакт» (и «Интерстеллара»). Торн сказал, что для этого нужна червоточина, а не черная дыра, и привлек своих студентов к разработке того, какие виды материи и энергии понадобятся для этого межзвездного путешествия. Торн, Майкл Моррис и Улви Юртсевер предположили, что с помощью флуктуаций в квантовой теории – одного из аспектов странной теории, которая управляет субатомным миром в терминах вероятностей, а не определенностей – может быть возможно путешествовать между разными местами и временами.
В процессе исследований они сообщили, что для того, чтобы червоточина оставалась открытой, ее горло должно быть пронизано какой-то формой экзотической материи или полем, которое из-за квантовых флуктуаций может оказывать отрицательное давление или отрицательную энергию и, таким образом, иметь связанную с ним антигравитацию. Торн предположил, что только развитая цивилизация может создать и поддерживать проходимую червоточину, «даже если это разрешено законами физики». После лекции Торна в музее к нему подошла молодая девушка и спросила, возможно ли когда-нибудь путешествовать через червоточины. Торн улыбнулся и ответил: «Возможно, когда-нибудь, но это потребует огромных усилий и новых открытий в области физики».
На одном из научных мероприятий Торн сказал, что законы физики, вероятно, запрещают собрать достаточно экзотической материи внутри червоточины человеческого размера, чтобы поддерживать ее открытой, но окончательной истории еще предстоит написать. Все еще есть исследователи, изучающие, возможно ли поместить достаточно экзотической материи в пасть червоточины, чтобы поддерживать ее зияние – и сегодня это так. В зале музея были развешаны плакаты с изображениями различных типов экзотической материи и их потенциальных свойств.
Таким образом, червоточины, хотя и, вероятно, запрещены физическими законами, все еще являются предметом серьезных и уважаемых научных исследований и, следовательно, также серьезной научной фантастики. Торн теперь написал книгу, сопровождающую фильм Нолана, «Наука «Интерстеллара», в которой он рассматривает червоточины, черные дыры и многое другое. С «Интерстелларом» у нас есть еще один замечательный пример, наряду с «Контактом» и «Гравитацией», того, где мечты и воображение Голливуда процветают благодаря реальной науке. После показа фильма многие зрители выходили из зала с горящими глазами, полные вдохновения и желания узнать больше о космосе и физике.