Физика и философия «Интерстеллара» | jamesm.blog
Кратко: визуализация чёрной дыры в «Интерстелларе» была выполнена настолько строго, что на её основе появилась рецензируемая научная статья совместно с Кипом Торном. Ключевые идеи: прохождение через червоточину, сверхмассивная чёрная дыра Гаргантюа, гравитационное замедление времени, манёвр Пенроуза и пятимерная тессеракт. Фильм следует общей теории относительности там, где Голливуд обычно идёт на упрощения, — но допускает вольности с наукой, когда этого требует сюжет. Гравитационное замедление времени на планете Миллера — самый известный компромисс между точностью и повествованием. Для блокбастера подходить к физике так серьёзно — необычно. И это стоит разобрать.
Немного фильмов, в результате работы над визуальными эффектами которых появляется рецензируемая научная статья. «Интерстеллар» Кристофера Нолана — один из них. Визуализация сверхмассивной чёрной дыры Гаргантюа была выполнена настолько тщательно, что попала в журнал Classical and Quantum Gravity, соавторами статьи стали команда по визуальным эффектам и нобелевский лауреат Кип Торн. Этот факт сам по себе объясняет, чем необычен фильм. На поверхности это история о любви, времени и выживании. Но на глубоком уровне — это серьёзная попытка перенести общую теорию относительности Эйнштейна на экран 70-мм IMAX с минимальным количеством вольностей, на которые готов пойти Голливуд. В этом посте разбираются ключевые физические идеи фильма — червоточину, Гаргантюа, гравитационное замедление времени, манёвр Пенроуза и тессеракт — а также то, где наука была соблюдена, где допущены отклонения и какие философские следствия несёт решение блокбастера всерьёз заняться физикой.
Трейлер «Интерстеллара» Инфографика
Фильм, построенный на физическом техническом задании
Проект начался не со сценария, а с технического задания Кипа Торна и продюсера Линды Обст. Торн, в то время профессор теоретической физики им. Фейнмана в Калтехе, установил два непреложных правила. Ничто в фильме не должно нарушать установленные физические законы. Любые спекуляции должны вытекать из реальной науки и оставаться в рамках того, что серьёзные физики готовы принять. Такое ограничение для блокбастера — большая редкость. Большинство научной фантастики торговали правдоподобно звучащим языком. «Интерстеллар» потребовал от создателей либо работать с уравнениями, либо спорить с человеком, всю жизнь их записывавшим. Результат — фильм, который, несмотря на некоторые уступки, относится к общей теории относительности как к действующему персонажу, а не к декорации.
Червоточина вблизи Сатурна
Корабль «Эндьюранс» добирается до другой галактики через то, что Ромилли описывает как «гравитационную аномалию», расположенную у Сатурна. Это, разумеется, червоточина — туннель в пространстве-времени, соединяющий две далёкие точки без необходимости преодолевать пространство между ними.
Теоретическая основа
Червоточины возникают в общей теории относительности как математические решения уравнений поля Эйнштейна. Самая ранняя версия — мост Эйнштейна — Розена — была курьёзом, особенностью решения Шварцшильда, описывающего неротационную чёрную дыру. Проблема в том, что мост Эйнштейна — Розена схлопывается быстрее, чем что-либо, даже свет, может пройти через него. Чтобы сделать червоточину проходимой, нужно проткнуть её так называемой экзотической материей — материей с отрицательной плотностью энергии, способной удерживать горло от самосжатия под действием собственной гравитации. Существует ли такая материя в каком-либо практически полезном виде — мягко говоря, открытый вопрос. Фильм справляется с этим честно. Червоточина не описывается как сооружение людей. Она представлена как артефакт, оставленный развитой цивилизацией — в итоге оказавшейся будущими людьми, — именно потому, что реалистичного краткосрочного пути к самостоятельному созданию червоточины не существует.
«Червоточина DNeg»
Для визуализации команда Double Negative построила метрику червоточины с тремя параметрами. Режиссёр мог регулировать радиус, длину и ширину линзирования, чтобы добиться нужного визуального эффекта. Короткое горло было выбрано частично для того, чтобы зритель не терял ориентации — более длинная червоточина породила бы множество искажённых изображений целевой галактики, которые было бы трудно разобрать на экране. Это один из многих случаев, когда фильм сознательно и осознанно идёт на компромисс, вместо того чтобы скрывать физику за рукопожатиями.
Позволят ли червоточины быстрое межзвёздное путешествие? — PBS Space Time
Гаргантюа: первая кинематографическая чёрная дыра
Гаргантюа — центральная часть второй половины фильма и причина того, что конвейер визуальных эффектов породил настоящую научную статью. Она показана как чёрная дыра Керра — вращающаяся — с массой около ста миллионов Солнц.
Почему она должна вращаться так быстро
Сюжет требует экстремального гравитационного замедления времени на планете Миллера. Чтобы это было физически возможно без разрушения или поглощения планеты, Гаргантюа должна вращаться с частотой, поразительно близкой к теоретическому максимуму. Расчёты Торна помещают требуемое вращение примерно в одну часть из десяти миллиардов от предела, допустимого решением Керра. Такое почти максимальное вращение имеет значение, потому что в геометрии Керра положение внутренней стабильной круговой орбиты смещается внутрь по мере увеличения скорости вращения чёрной дыры. Почти максимально вращающийся Гаргантюа позволяет планетам находиться на орбите вплотную за горизонтом событий, не падая внутрь, — именно то, что требует сюжет.
«Бледный» аккреционный диск
В системе Гаргантюа нет звезды-компаньона, поэтому планеты получают свет и тепло от аккреционного диска чёрной дыры. В фильме этот диск показан относительно холодным, около 5500 °C — горячо, но не настолько яростно излучающе, чтобы стерилизовать всё вокруг. Реальные аккреционные диски вокруг активных сверхмассивных чёрных дыр — мощнейшие источники рентгеновского излучения, и они выжгли бы любую биологию поблизости. «Бледный» диск фильма — это объяснение внутри игрового мира, почему обитаемые планеты могут находиться рядом: система старая, диск давно не получал свежего газа и остыл.
Прорыв в визуализации
Чтобы отрендерить Гаргантюа, Double Negative создали рендерер DNGR — Double Negative Gravitational Renderer. Вместо трассировки отдельных лучей он трассировал пучки лучей через искривлённое пространство-время, интегрируя уравнения геодезических для чёрной дыры Керра. Результат работы рендерера оказался настолько впечатляющим, что удивил даже Торна. Аккреционный диск выглядит как ореол, охватывающий сверху и снизу горизонт событий, потому что гравитационное линзирование искривляет изображение дальней стороны диска поверх и под ним. Эта характерная форма — не художественная вольность, а то, что предсказывает общая теория относительности на самом деле. Фильм действительно опускает два эффекта, которые присутствовали бы в реальности. Настоящая вращающаяся чёрная дыра Керра показала бы сильную асимметрию из-за релятивистского доплеровского сгущения — сторона диска, вращающаяся к наблюдателю, была бы значительно ярче удаляющейся. Фильм сглаживает это. Гравитационные частотные сдвиги также влияют на цвет диска. Они были ослаблены, чтобы изображение оставалось читаемым для широкой аудитории, но геометрическая структура изображения верна физике.
Как понять изображение чёрной дыры — Veritasium
Один час — семь лет
Самая эмоционально разрушительная физика в фильме — гравитационное замедление времени на планете Миллера. Час, проведённый на поверхности, стоит экипажу — и дочери Купера на Земле — более семи лет. Это коэффициент гравитационного замедления времени порядка 60 000. Время на планете, глубоко в гравитационной яме Гаргантюа, идёт несравнимо медленнее, чем время для наблюдателя, находящегося далеко от чёрной дыры.
Почему это почти невозможно
Первая реакция Торна, когда Нолан попросил о таком, — что стабильной орбиты, дающей такой коэффициент, не существует. Он ушёл, посчитал и вернулся с более точным вердиктом. Это на грани возможно, но только если Гаргантюа вращается почти на теоретическом максимуме. Фильм аккуратно сохраняет это ограничение незримо. Изображение Гаргантюа на протяжении всего фильма — его размер, аккреционный диск, орбитальная механика — согласуется с чёрной дырой, вращающейся почти на максимальном пределе Керра.
Что это значит для драматургии
Цифра «семь лет за час» — не просто число. Это двигатель эмоциональной нагрузки фильма. Купер смотрит двадцать три года видеосообщений из семьи за один сеанс, вернувшись с планеты Миллера. Его дочь стареет от ребёнка до женщины старше его. Физика искривлённого пространства-времени становится на два с половиной часа экранного времени физикой горя. Именно поэтому «Интерстеллар» стоит воспринимать серьёзно и как науку, и как кино. Замедление времени — не сюжетный приём-обманщик. Это центральная трагедия.
Манёвр Пенроуза
Чтобы покинуть окрестности Гаргантюа и добраться до третьей кандидатной планеты, экипаж использует манёвр гравитационного манёвра вокруг чёрной дыры. Это кинематографическая приправа, но она также укоренена в реальной релятивистской физике: процессе Пенроуза. Вращающаяся чёрная дыра окружена областью, называемой эргосферой, расположенной между горизонтом событий и статическим пределом. Внутри эргосферы само пространство-время увлекается за вращение чёрной дыры. Космический аппарат на тщательно выбранной траектории может извлечь часть этой вращательной энергии, покидая эргосферу с большей энергией, чем принёс с собой. Энергия откуда-то берётся — вращение чёрной дыры замедляется на соответствующую ничтожную долю. В «Интерстелларе» именно это позволяет «Эндьюрансу» достичь планеты Эдмунда после объезда Миллера. Фильм не объясняет ничего из этого на экране. Он просто позволяет манёвру произойти, в соответствии с реальной релятивистской механикой. Это небольшой, но характерный выбор.
Тессеракт и многомерное пространство
Самый спорный элемент фильма — как научно, так и философски — заключительная часть. Купер падает в Гаргантюа, вытаскивается из обычного четырёхмерного пространства-времени и оказывается в пятимерной конструкции — тессеракте, из которого он может общаться с прошлым, манипулируя гравитацией.
Теория бран
Здесь используется теория бран — раздел теоретической физики, связанный со струнной теорией и М-теорией. Идея в том, что четырёхмерное пространство-время, в котором мы живём, может быть «браной», погружённой в многомерное «многомерное пространство». Большинство физических явлений — свет, материя, сильный и слабый ядерные силы — ограничены браной. Гравитация, в некоторых версиях теории, — исключение. Она может просачиваться в многомерное пространство, именно поэтому кажется такой слабой по сравнению с другими силами. Если эта картина верна, то существа, способные действовать в многомерном пространстве, в принципе могут манипулировать гравитацией способами, которые кажутся невозможными изнутри браны. Они могли бы, например, передавать информацию назад во времени, воздействуя на брану извне. Это лазейка, которую использует фильм. Купер не может отправить слова или изображения обратно Мёрф. Он может отправлять только гравитацию — то самое, что, по гипотезе, не ограничено нашей браной.
Тессеракт как инструмент, а не мистика
Было бы легко прочитать сцену тессеракта как прыжок в чистую мистику. Фильм делает нечто более тонкое. Тессеракт представлен как инструмент, построенный будущими людьми, действующими в многомерном пространстве, который переводит многомерный доступ в трёхмерную среду, которую Купер может освоить. Время представлено как физическое измерение. Каждый момент в спальне Мёрф показан как отдельный срез пространства. Это не фундаментально новая идея в физике — относительность рассматривает время как измерение с 1908 года. То, что делает фильм, — это настолько серьёзно подходит к этой перспективе, чтобы построить декорацию из неё.
«Они» — это мы
Раскрытие того, что существа из многомерного пространства — потомки выживших людей, — философский венец. Это не деус экс машина — это замкнутая временная петля. Человечество спасает человечество, и будущие возможности приходят на помощь своему прошлому. Именно этот ход делает «Интерстеллар» фильмом о выживании как вида, а не только о выживании отдельных людей. Существа из многомерного пространства — не боги. Это будущее человечество, которое не забыло, откуда оно пришло.
Физика планет
Два посещённых мира в системе Гаргантюа поднимают свои вопросы. Планета Миллера — глобальный океан с периодическими километровыми волнами. Фильм объясняет это приливными силами Гаргантюа. Это в целом правдоподобно — планета настолько близко к чёрной дыре, что находится вблизи предела Роша, где приливные силы иначе разорвали бы тело. Более строгое рассмотрение предполагало бы, что планета приливно-захвачена практически мгновенно — одна и та же сторона постоянно обращена к Гаргантюа, — что значительно изменило бы картину приливов. Фильм опускает это ради постановки двух огромных волн, надвигающихся на декорацию. Планета Манна — замёрзший мир с необычной атмосферой замёрзших облаков. Её физика менее конкретно обоснована, чем у Миллера, но она выполняет другую функцию в истории — место, где амбиции и изоляция разлагают человека, а холодный пейзаж служит фоном.
Где наука встретилась с повествованием
Интересный вопрос об «Интерстелларе» — не «где фильм ошибся в физике?», а «где Нолан и Торн согласились пойти на вольности и почему?» Несколько принципов, по-видимому, направляли компромиссами.
Геометрия была сохранена в ущерб фотометрии. Форма Гаргантюа, форма червоточины, эффекты искривления на аккреционном диске — в целом верны. Цвет, яркость и доплеровская асимметрия были упрощены для визуальной читаемости.
Причинность была сохранена. Купер не может передавать информацию назад во времени напрямую. Лазейка тессеракта работает через гравитацию, которая в рамках теории бран — единственный канал, способный пересекать измерения.
Спекуляции были чётко размечены. Червоточина, тессеракт и существа из многомерного пространства явно приписаны в сюжете более развитой цивилизации. Фильм не притворяется, что человечество в 2067 году их изобрело. Компромиссы ограничены этими элементами, а не расплыты по всему фильму.
Твёрдая физика была сохранена там, где возможно. Гравитационное замедление времени — двигатель сюжета. Гравитационный манёвр Пенроуза, геометрия Керра, визуализация чёрной дыры — это настоящая общая теория относительности, показанная публике без разбавления.
Наука об «Интерстелларе» — лекция Кипа Торна
Философия выживания
Под слоем физики «Интерстеллар» делает утверждение о положении человека во вселенной, которая на первый взгляд ничего нам не должна. Земля умирает. Чума наступает. Фронтерский дух НАСА в близком будущем фильма похоронен под программой смирения. Фильм рассматривает это не как притчу об изменении климата, а как аргумент о том, перестаёт ли цивилизация быть цивилизацией, если перестаёт смотреть наружу. Реплика Купера о том, что человечество родилось на Земле, но не предназначено там умирать, — не тонкая. И культивирование фильмом архетипа инженера-исследователя тоже. Но философский ход под ней интереснее речей, которые его несут. Предпосылка фильма: вселенная даёт нам общую теорию относительности, а общая теория относительности даёт нам выход. Время растягивается. Пространство искривляется. Высшие измерения, если они существуют, просачивают гравитацию. Ни одно из этих явлений не было изобретено для нашего блага. Но каждое из них, воспринятое серьёзно, открывает дверь. Аргумент по сути такой: физика — не враг человеческого смысла. Это субстрат, на котором человеческий смысл может быть построен, включая смысл, несёмый отцом, пытающимся спасти свою дочь через искривлённое пространство-время, которое должно сделать такое невозможным.
Кип Торн — физика культового фильма «Интерстеллар» — Stanford
Что фильм сделал правильно в отношении самой науки
Помимо конкретных уравнений, «Интерстеллар» моделирует редкость в кинематографе: учёные, ведущие себя как учёные. Бранд и Ромилли спорят без мелодраматизма. Купер, несмотря на то что он прокси-аватар зрителя, уступает людям с соответствующей подготовкой, когда это действительно важно. Математический прорыв в конце представлен так, каким он был бы в реальной жизни — результат долгой и мучительной работы над одним уравнением, а не вспышка таинального гения. Фильм также верно передаёт цену научной работы. Отец Бранда десятилетиями врал о перспективах решения проблемы гравитации, потому что правда была невыносимой. Профессиональная культура вокруг секрета мрачная, измученная и тихо героическая. Это ближе к реальному опыту в большой науке, чем привычный кинематографический портрет лёгкого чудо-ребёнка с эврикой.
Заключительная мысль
Тискнет оценивать «Интерстеллар» по физической ведомости — столько-то баллов за правильную геометрию Керра, минус столько за отсутствие приливного захвата на планете Миллера. Это мимо точки. Достижение фильма в том, что он взял общую теорию относительности — теорию, которую большинство людей встречают как абстракцию или не встречают вовсе, — и превратил её во что-то видимое, эмоциональное и значимое. Он сделал это, не насмехаясь над аудиторией и не насмехаясь над физикой. Компромиссы честны. Спекуляции размечены. Ключевые идеи выживают после контакта с экраном. Это редкость. Именно поэтому физики продолжают обучать с помощью фрагментов фильма, и именно поэтому целое поколение зрителей вышло из кинотеатров в 2014 году с рабочей интуицией замедления времени, которую ни один учебник им не дал. Для голливудского блокбастера — это серьёзное достижение.
Дополнительное чтение
Дальнейшие авторитетные источники:
—
Наука об «Интерстелларе» — Википедия
Наука об «Интерстелларе» | Наука об «Интерстелларе» | | |—|—| | Автор | Кип Торн | |—|—| | Язык | Английский | |—|—| | Тема | Физика, космология | |—|—| | Жанр | Нон-фикшн | |—|—| | Издатель | W. W. Norton & Company | |—|—| | Дата публикации | 7 ноября 2014 | |—|—| | Место публикации | США | |—|—| | Тип медиа | | |—|—| | Страницы | 336 с. | |—|—| | ISBN | 978-0393351378 | |—|—| | Предшествующая книга | Чёрные дыры и складки времени (1994) | |—|—|
«Наука об „Интерстелларе“» — научно-популярная книга американского теоретического физика и нобелевского лауреата Кипа Торна, с предисловием Кристофера Нолана. Книга была впервые опубликована 7 ноября 2014 года издательством W. W. Norton & Company.[1][2] Это его вторая полноразмерная книга для непрофессионалов после «Чёрных дыр и складок времени», вышедшей в 1994 году. «Наука об „Интерстелларе“» — сопроводительный текст к фильму Нолана 2014 года «Интерстеллар» с Мэтью Макконахи, Энн Хэтэуэй и Джессикой Честейн.
Обзор [изменить]
Кип Торн был научным консультантом и исполнительным продюсером фильма. В этой книге он объясняет научные концепции, стоящие за космологическими идеями фильма.[3] Книга состоит из семи частей с предисловием Кристофера Нолана и одной дополнительной главой, посвящённой зарождению «Интерстеллара». Торн начинает с вводной информации о Вселенной, пространстве-времени, физических законах, относительности, приливных силах и чёрных дырах. Следующий раздел посвящён сверхмассивной чёрной дыре Гаргантюа, объясняя её внешний вид и то, как она была создана с помощью CGI, а также гравитационным манёврам и научно неточному высказыванию персонажа в фильме. Затем Торн переходит к Земле, рассматривая уничтожающую урожай чуму, развитие технологий межзвёздных путешествий и ещё одно научно неточное утверждение в фильме. Следующая часть посвящена червоточине, объясняя основы работы червоточин, как червоточина из «Интерстеллара» была отрендерена через CGI, и метод, которым червоточина могла быть обнаружена во вселенной «Интерстеллара» через детекцию гравитационных волн. Затем Торн исследует формирование планет вокруг сверхмассивной чёрной дыры и то, как показанные в фильме планеты могли бы образоваться в реальной жизни. Следующий раздел касается более продвинутых и экстремальных физических явлений, показанных в фильме, включая большие дополнительные измерения, искажение гравитационной постоянной и различные типы сингулярностей внутри чёрной дыры, включая сингулярности БКЛ, инфляцию массы и ударные сингулярности. Заключительная часть посвящена кульминации фильма, включая падение Купера в чёрную дыру Гаргантюа, сцену тессеракта и четырёхмерное пространство, и эвакуацию колоний людей с Земли.
См. также [изменить]
Связанные статьи [изменить]
Похожие книги [изменить]
— «Параллельные миры» Михаила Коку
— «Элегантная Вселенная» Брайена Грина
— «Ткань космоса» Брайена Грина
— «Ткань реальности» Дэвида Дойча
— «Вселенная в ореховой скорлупе» Стивена Хокинга
Ссылки [изменить]
— ↑ Thorne, Kip S (2014). The Science of Interstellar. Foreword by Christopher Nolan. W. W. Norton & Company. ISBN 9780393351378. OCLC 891611098.
— ↑ «The Science of Interstellar by Kip S. Thorne, Christopher J. Nolan (Foreword)». goodreads.com. Retrieved 2015-02-21.
— ↑ Thorne, Kip (November 29, 2014). «"Our universe would be destroyed": Inside the science of "Interstellar"». salon.com.
—
Наука об «Интерстелларе»
Исследование теоретической физики за миссией «Эндьюранс». Гаргантюа — сверхмассивная вращающаяся чёрная дыра. Она вращается со скоростью 99,8% от скорости света. Ключевая концепция: гравитационное линзирование. Мощная гравитация искривляет свет вокруг дыры, создавая тот самый «эффект ореола». (Нажмите на изображение или заголовок, чтобы прочитать полный анализ)
За горизонтом событий. 3D-тень пятимерной реальности. Ключевая концепция: любовь — единственное, что преодолевает время и пространство. Сферическое искажение пространства-времени вблизи Сатурна. Короткий путь: она складывает трёхмерное пространство через четырёхмерное «многомерное пространство». «Вот это относительность»: физика «Интерстеллара» В «Интерстелларе» относительность — это не просто наука, это главный антагонист. На основе работ нобелевского лауреата Кипа Торна, фильм использует теории Эйнштейна, чтобы показать, что время не абсолютно. Пока пространство и время связаны как четырёхмерная ткань, экстремальная гравитация (общая теория относительности) и путешествия на высокой скорости (специальная теория относительности) могут растягивать или сжимать эту ткань, создавая трагические «временные разрывы» между Купером и его дочерью Мёрф.
Поле уравнения: Gμν + Λgμν = κTμν
Из-за сильной гравитации вблизи Гаргантюа время идёт медленнее относительно Земли. Цена: 1 час на планете Миллера = 7 лет на Земле. Командир миссии: KillKaizel