Физика и философия Начала все начинается не с сценария, а с научного описания Кайпа Торна и продюсера Лайны Обст. Торн, тогда как профессор теоретической физики в Калифорнийском университете в Техасе, поставил два непереносимых условия: ничего в фильме не должно нарушать установенные законы физики, а любая дополнительная гипотеза должна базироваться на реальной науке и соответствовать тому, что серьезные физики готовы обсудить. Такой подход редок для массового кино — большинство научно-фантастических фильмов полагаются на звучащие правдоподобно вычурные фразы. Начало строилось на том, чтобы либо решать уравнения, либо спорить с человеком, который всю жизнь писал их.
Фильм представляет собой попытку вывести общую теорию относительности на экран 70мм IMAX с минимальными упрощениями. Центральные физические идеи — это пробуждение (ворчел), сверхмассивная чёрная дыра Гаргантуа, гравитационное замедление времени, метод Пенроуза и пятимерный Тессеракт — раскрываются последовательно, показывая, где наука соблюдена, где искажена, и какие философские выводы скрываются за этими научными концепциями.
Пробуждение у Яндекса находится у Сатурна. Экипаж попадает в другую галактику через то, что Ромилли называет «гравитационным аномалией». Это, конечно, ворчел — полый туннель в пространстве-времени, соединяющий две удалённые точки без прохождения через пространство между ними.
В общей теории относительности ворчела появляются как математические решения уравнений Эйнштейна. Самая ранняя версия — перепона Эйнштейна-Розена — была лишь любопытной моделью, описывающей неподвижную чёрную дыру. Проблема в том, что такой ворчел схлопывается быстрее света. Чтобы сделать его проходимым, нужно заполнить его так называемой экзотической материей — веществом с отрицательной энергетической плотностью, способным удерживать горло от сгорания. Существует ли в природе такое вещество в практически полезной форме, остаётся открытым вопросом.
Фильм подходит к этому честно. Ворчел не описывается как штука, которую построили люди. Его представляют как артефакт, оставшийся продвинутой цивилизацией — в конце оказывается, что это будущие люди — потому что реалистичного пути к инженерии такого вещества в ближайшее время не существует.
Для визуализации команда Double Negative создала трёхпараметрическую метрику ворчела. Режиссёр мог менять радиус, длину и ширину линзирования, чтобы добиться нужного вида. Был выбран короткий горлышко, в первую очередь чтобы зритель не запутался — длинный ворчел дал бы несколько искажённых образов галактики-приёмника, что зрительно было бы трудно воспринять. Это первый из многих случаев, когда фильм делает осознанную, хорошо понятую компромиссную позицию вместо того, чтобы прикрывать физику ладонью.
Гаргантуа — центральный элемент середины фильма и причина того, что визуальные эффекты привели к настоящей научной статье. Это изображена как вращающаяся чёрная дыра — Керр, с массой около ста миллионов солнечных масс.
Почему она должна вращаться со сверхбыстрой скоростью?
Сюжет требует экстремального гравитационного замедления времени на планете Миллера. Чтобы это стало физически возможным без разрушения планеты или её поглощения, Гаргантуа должна вращаться почти с максимальной скоростью, допустимой теорией Керра. Расчёты Торна показывают, что нужный вращение находится в пределах примерно одного на десять миллиардов от лимита. Такая близость к максимуму важна: в геометрии Керра положение внутренней стабильной орбиты смещается наружу при ускорении чёрной дыры. Максимально вращающаяся Гаргантуа позволяет планетам орбитировать буквально у самого горла, не падая внутрь — и именно это нужно сюжету.
Анемический диск аккреции
В системе Гаргантуа нет сопутствующей звезды, поэтому планеты получают свет и тепло от диска аккреции. Фильм изображает его как относительно слабый диск температурой около 5500 градусов Цельсия — горячий, но не настолько яростный, чтобы стерилизовать всё вокруг. Реальные диски аккреции вокруг сверхмассивных чёрных дыр активных объектов являются мощными источниками рентгеновского излучения, способными убить любую биологию в солнечной системе. «Слабый» диск в фильме — это объяснение, почему жизненные планеты могут находиться рядом — система старая, диск давно перестал питаться свежим газом и остыл.
Прорыв в визуализации
Чтобы нарисовать Гаргантуа, Double Negative разработал рендерер под названием DNGR — Double Negative Gravitational Renderer. Вместо трассировки одиночных лучей он трассировал пакеты лучей через изогнутое пространство-время, интегрируя уравнения геодезиса для чёрной дыры Керра. Результат оказался таким удивительным, что даже Торн удивился. Диск аккреции выглядит как ореол, обвивающий сверху и снизу горло, потому что гравитационное линзирование переносит изображение дальней стороны диска через верх и низ. Такая форма — не художественный приём, а предсказание общей теорией относительности.
Фильм упускает два эффекта, которые должны быть в реальности. Настоящая вращающаяся чёрная дыра Керра показывала бы сильную асимметрию из-за релятивистского доплеровского усиления — сторона диска, движущаяся к наблюдателю, была бы слепо яркой, а отдалённая — почти невидимой. Фильм сглаживает это. Гравитационные сдвиги частоты также влияют на цвет диска. Ихом снизили, чтобы сохранить образ ясным для зрителя, но геометрическая структура изображения соответствует физике.
Как понять изображение чёрной дыры — Veritasium
Самый эмоционально разрушительный физический элемент фильма — замедление времени на планете Миллера. Час, проведённый на её поверхности, стоит экипажу и дочери Купера на Земле более семи лет. Это коэффициент гравитационного замедления времени порядка шестидесяти тысяч. Время на планете, глубоко в гравитационном колодце Гаргантуа, течёт в разы медленнее, чем для наблюдателя, удалённого от чёрной дыры.
Почему это почти невозможно?
Первая реакция Торна, когда Нолан спросил о таком замедлении, состояла в том, что ни одна стабильная орбита не может дать такой коэффициент. Он ушёл, посчитал, и вернулся с более точным заключением: это слегка возможно, но только при условии, что Гаргантуа вращается почти с максимальной скоростью.
Что это значит драматически?
Цифра семи года на каждый час — не просто число. Это двигатель эмоционального заряда фильма. Купер смотрит на двадцать три года семейных видеосообщений за один присест после возвращения с планеты Миллера. Его дочь становится ребёнком, а потом женщиной старше его. Физика искривлённого пространства-времени становится на два и полчаса экрана физикой скорби. Именно поэтому Начало стоит рассматривать как науку и как кино.
Замедление времени — не просто приём. Это центральная трагедия.
Для выхода из окрестностей Гаргантуа и достижения третьей планеты-кандидата экипаж использует манёвр Пенроуза — кинематическую дорожку вокруг чёрной дыры. Это кинематографический приём, но он также опирается на реальный фрагмент релятивистской физики: процесс Пенроуза. Вращающаяся чёрная дыра окружена областью — эргосферой, находящейся между горлом и статическим пределом. Внутри неё пространство-время тащится за вращением чёрной дыры. Корабль по кротко выбранной траектории может вытянуть часть этой вращательной энергии, выйдя из эргосферы с большей энергией, чем пришёл. Энергия берётся от самого вращения чёрной дыры, которое замедляется на соответствующую долю.
В Начале это позволяет экипажу достичь планеты Эдмунда после остановки на планете Миллера. Фильм не объясняет это в кадре. Он просто позволяет манёвру совершиться так, как это предписывает реальная часть общей теории относительности. Это небольшой, но характерный выбор.
Тессеракт и БULK
Самый спорный элемент фильма с научной и философской точек зрения — финальная часть. Купер падает в Гаргантуа, вытягивается из обычного четырёхмерного пространства-времени и оказывается в пятимерном конструкте — Тессеракте — откуда может общаться с прошлым, манипулируя гравитацией.
Брейн-космология
Здесь срабатывает идея брейн-космологии, ветвь теоретической физики, связанная со струнной теорией и M-теорией. Идея состоит в том, что четырёхмерное пространство-время, в котором мы живём, может быть «брейном», вложенным в более высокомерный «бulk». Большинство физических явлений — свет, материя, сильные и слабые силы — конфайннуты на брейне. Гравитация, в некоторых версиях теории, является исключением. Она может протекать в бulk, отсюда и её слабая сила по сравнению с другими.
Если это так, то существа, способные функционировать в бulk, могут, в принципе, манипулировать гравитацией так, как кажется невозможным изнутри брейна. Их можно, например, отправить информацию назад во времени, действуя на брейн снаружи. Именно этот замысел использует фильм.
Купер не может послать слова или образы обратно к Мурф. Он может лишь послать гравитацию — то, что, по гипотетическому описанию, не ограничено нашим брейном.
Тессеракт как инструмент, а не мистика
Было бы легко прочитать сцену с Тессерактом как переход в чистую мистику. Фильм делает что-то более тонкое. Тессеракт представлен как инструмент, построенный будущими людьми, функционирующими в бulk, который переводит доступ к высшим измерениям в трёхмерную среду, которую Купер может навигировать. Время выложено как физическая ось. Каждый момент жизни Мурф изображён как отдельный слой пространства. Это не новая идея в физике — относительность трактует время как измерение с 1908 года. То, что делает фильм, — взять этот взгляд на дело и построить на основе этого набор.
«Они» — это мы
Разгадка в том, что существа бulk — это потомки выживших людей, становится философской кульминацией. Это не божество из ниоткуда. Это замкнутый цикл времени. Человечество спасается человечеством, а его будущие версии сдают руку своему прошлому. Именно этот ход делает Начало фильмом о выживании как виде, а не просто как отдельные люди. Существа бulk — не боги. Это будущее человечество, которое не забыло своего начала.
Планетарная физика
Две посещённые планеты в системе Гаргантуа поднимают свои собственные вопросы. Планета Миллера — глобальный океан с периодическими волнами высотой в километры. Фильм приписывает это приливным силам Гаргантуа. Это общее согласие с физикой — планета настолько близко к чёрной дыре, что находится у Рохового предела, где приливные силы иначе бы разорвали тело. Более строгая проработка дала бы планете почти мгновенно приливную блокировку — одинаковое лицо постоянно устремлённое к Гаргантуа — что изменило бы узор приливов. Фильм упускает это нарочно, чтобы сценка с огромными волнами, крушащимися по множеству, осталась живой.
Планета Манна — замёрзший мир с необычной атмосферой из замёрзших облаков. Её физика менее чётко обоснована, чем у Миллера, но служит другой функции в сюжете — место, где амбиции и изоляция корродируют характер человека, а холодный ландшафт выступает как поверхность для этого.
Где наука встретилась с рассказом
Интересный вопрос о Начале — не в том, где фильм ошибся в физике, а в том, где Нолан и Торн договорились исказить её, и зачем?
Несколько принципов, похоже, руководили компромиссами. Геометрия сохранялась вместо фотометрии. Форма Гаргантуа, форма ворчела, изгибные эффекты на диске аккреции — по сути, это верно. Цвет, яркость и доплеровская асимметрия сглажены для визуальной наглядности. Причинность сохранена. Купер не может послать информацию назад во времени напрямую. Замысел Тессеракта проходит через гравитацию, которая, по рамкам брейн-космологии, является единственным каналом, способным пересекать измерения. Спекуляции были чётко обозначены. Ворчел, Тессеракт и существа бulk явно привязаны в сюжете к более продвинутой цивилизации. Фильм не притворяется, что человечество 2067 года их изобрело. Компромиссы изолированы в этих элементах, а не размазаны по всему фильму. Жёсткая физика сохранена там, где это возможно. Гравитационное замедление времени — двигатель сюжета. Метод Пенроуза, геометрия Керра, визуализация чёрной дыры — это реальная общая теория относительности, показанная массовой аудитории без разбавления.
На фоне физики Начало делает заявление о человеческом положении во вселенной, которая, на первый взгляд, ничего для нас не должна. Земля умирает. Болезнь сужает окна. Фронтир-менталитет NASA похоронен в ближайшем будущем фильма под карьерой отчаяния. Фильм обращает это не как притчу о климатических изменениях, а как аргумент о том, не является ли цивилизацией та, которая перестаёт посмотреть в окно. Линия Купера о том, что человечество родилось на Земле, но никогда не должно там умирать, не приторна. И философский ход под капотом более интересен, чем реплики, которые его несут.
Предпосылка фильма в том, что вселенная даёт нам общую теорию относительности, а общая теория относительности даёт нам путь выхода. Время замедляется. Пространство изгибается. Высшие измерения, если они существуют, проникают в гравитацию. Ни один из этих феноменов не изобретён для нас. Но каждый из них, взятый в свои руки, открывает дверь. Аргумент вот в чём: физика — не враг человеческого значения. Это субстрат, на котором человеческое значение может быть построено, включая значение, перенесённое отцы, пытающегося спасти дочь за пределами искривлённого пространства-времени, которое по праву делает такой поступок невозможным.