«Интерстеллар» Кристофера Нолана – это, на первый взгляд, история о любви, времени и выживании. Но если копнуть глубже, то это серьезная попытка воплотить теорию относительности Эйнштейна на 70-миллиметровом экране IMAX, с минимальными отступлениями от науки, насколько это позволял Голливуд. Эта статья рассмотрит основные физические идеи фильма – червоточину, Гаргантюа, гравитационное замедление времени, гравитационный пращ и тессеракт, – а также то, где наука была соблюдена, где ей позволили отойти от реальности и какие философские последствия возникают, когда блокбастер всерьез относится к физике.
Работа над проектом началась не со сценария, а с концепции, разработанной ученым и продюсером Линдой Обст. Ученый поставил два непреложных условия: ничто в фильме не должно противоречить установленным физическим законам, а любые спекуляции должны основываться на реальной науке и быть приемлемыми для серьезных физиков. Это необычное требование для блокбастера. Большинство научно-фантастических фильмов полагаются на правдоподобные, но ненаучные объяснения. «Интерстеллар» потребовал от своих создателей либо работать с уравнениями, либо спорить с человеком, посвятившим свою карьеру их написанию. В результате получился фильм, который, несмотря на некоторые компромиссы, рассматривает общую теорию относительности как активного персонажа, а не просто как фон.
Корабль «Выносливость» достигает другой галактики через то, что Ромилли описывает как «гравитационную аномалию», расположенную возле Сатурна. Это, конечно, червоточина – туннель в пространстве-времени, соединяющий две удаленные точки без прохождения через промежуточное пространство.
Червоточины появляются в общей теории относительности как математические решения уравнений Эйнштейна. Первое решение, мост Эйнштейна — Розена, было скорее курьезом – особенностью решения Шварцшильда, описывающего невращающуюся черную дыру. Проблема в том, что мост Эйнштейна — Розена схлопывается быстрее, чем что-либо, даже свет, может через него пройти. Чтобы сделать червоточину проходимой, ее необходимо поддерживать так называемым экзотическим веществом – веществом с отрицательной плотностью энергии, способным удерживать горловину открытой, противодействуя ее собственной гравитационной тенденции к схлопыванию. Существует ли такое вещество в практически полезных количествах – вопрос открытый.
Фильм честно подходит к этому вопросу. Червоточина не описывается как нечто, созданное людьми. Она представлена как артефакт, оставленный развитой цивилизацией – в конечном итоге выясняется, что это люди из будущего – именно потому, что в обозримом будущем нет реалистичного способа создать ее самостоятельно.
Для визуализации команда Double Negative создала трехпараметрическую метрику червоточины. Режиссер мог регулировать радиус, длину и ширину линзирования, чтобы получить нужный вид. Короткая горловина была выбрана частично для того, чтобы зрителям было легче ориентироваться – более длинная червоточина создала бы множественные искаженные изображения целевой галактики, которые было бы трудно интерпретировать на экране. Это один из многих случаев, когда фильм сознательно идет на хорошо понятный компромисс, а не пытается замаскировать научную неточность.
Гаргантюа – центральный элемент средней части фильма и причина того, что визуальные эффекты стали основой для научной публикации. Она изображена как черная дыра Керра – вращающаяся черная дыра – с массой около ста миллионов солнц.
Сюжет требует экстремального гравитационного замедления времени на планете Миллера. Чтобы это было физически возможно без того, чтобы планета была разорвана или поглощена, Гаргантюа должна вращаться со скоростью, поразительно близкой к теоретическому пределу. Расчеты показали, что требуемая скорость вращения находится в пределах примерно одной десятимиллиардной от предела, установленного решением Керра. Эта почти максимальная скорость вращения важна, потому что в геометрии Керра положение самой внутренней стабильной круговой орбиты смещается внутрь по мере увеличения скорости вращения черной дыры. Максимально вращающаяся Гаргантюа позволяет планетам вращаться прямо за пределами горизонта событий, не падая в нее – именно это и нужно для сюжета.
В системе Гаргантюа нет звезды-компаньона, поэтому планеты получают свой свет и тепло от аккреционного диска черной дыры. В фильме этот диск изображен относительно холодным, около 5500 °C – горячим, но не настолько сильно излучающим, чтобы стерилизовать все вокруг. Реальные аккреционные диски вокруг активных сверхмассивных черных дыр являются экстремальными источниками рентгеновского излучения и уничтожили бы любую жизнь поблизости. «Слабый» диск в фильме – это внутримировое объяснение того, почему на близлежащих планетах может существовать жизнь – система старая, диск давно не получал свежего газа и остыл.
Для визуализации Гаргантюа команда Double Negative разработала рендерер DNGR – Double Negative Gravitational Renderer. Вместо отслеживания отдельных лучей он отслеживал пучки лучей через искривленное пространство-время, интегрируя геодезические уравнения для черной дыры Керра. Результат поразил даже ученых. Аккреционный диск выглядит как гало, опоясывающее горизонт событий сверху и снизу, потому что гравитационное линзирование изгибает изображение дальней стороны диска над и под него. Эта отличительная форма – не художественная вольность, а то, что предсказывает общая теория относительности.
В фильме опущены два эффекта, которые присутствовали бы в реальности. Настоящая вращающаяся черная дыра Керра демонстрировала бы сильную асимметрию из-за релятивистского эффекта Доплера – сторона диска, вращающаяся к наблюдателю, была бы намного ярче удаляющейся стороны. Фильм сглаживает этот эффект. Гравитационный сдвиг частоты также влияет на цвет диска. Эти эффекты были приглушены, чтобы изображение было читаемым для широкой аудитории, но геометрическая структура изображения остается верной физике.
Самая эмоционально сильная физика в фильме – замедление времени на планете Миллера. Один час, проведенный на поверхности, стоит экипажу – и Куперу на Земле – более семи лет. Это коэффициент гравитационного замедления времени около 60 000. Время на планете, глубоко в гравитационной яме Гаргантюа, течет намного медленнее, чем для наблюдателя, находящегося далеко от черной дыры.
Первая реакция ученого, когда Нолан попросил его об этом, заключалась в том, что стабильная орбита не может дать такого экстремального коэффициента. Он вернулся, провел расчеты и пришел к более точному выводу. Это возможно, но только если Гаргантюа вращается почти на своем теоретическом пределе. Фильм тихо сохраняет это ограничение. Изображение Гаргантюа на протяжении всего фильма – ее размер, аккреционный диск, орбитальная механика – соответствует черной дыре, вращающейся почти на пределе Керра.
Цифра «семь лет за час» – это не просто число. Это двигатель эмоциональной нагрузки фильма. Купер смотрит 23 года видеосообщений от своей семьи за один присест после возвращения с планеты Миллера. Его дочь стареет от ребенка до женщины старше его. Физика искривленного пространства-времени становится, на два с половиной часа экранного времени, физикой горя. Именно это делает «Интерстеллар» достойным внимания как с научной, так и с кинематографической точки зрения. Замедление времени – это не макгаффин. Это центральная трагедия.
Чтобы покинуть окрестности Гаргантюа и достичь третьей кандидатской планеты, экипаж использует маневр гравитационного праща вокруг черной дыры. Это кинематографический эффект, но он также основан на реальном физическом явлении: процессе Пенароуза. Вращающаяся черная дыра окружена областью, называемой эргосферой, между горизонтом событий и статической границей. Внутри эргосферы само пространство-время увлекается вращением черной дыры. Космический корабль на тщательно выбранной траектории может извлечь часть этой вращательной энергии, покинув эргосферу с большей энергией, чем он вошел. Энергия берется откуда-то – вращение черной дыры замедляется на соответствующую крошечную долю. В «Интерстелларе» это позволяет «Выносливости» достичь планеты Эдмундса после отклонения к планете Миллера. Фильм не объясняет это на экране. Он просто позволяет маневру произойти, в соответствии с реальной релятивистской механикой. Это небольшой, но характерный выбор.
Самый спорный элемент фильма с научной и философской точки зрения – заключительный акт. Купер падает в Гаргантюа, вытаскивается из нормального четырехмерного пространства-времени и оказывается в пятимерной структуре – тессеракте – из которой он может общаться с прошлым, манипулируя гравитацией.
Основа здесь опирается на теорию браны, ветвь теоретической физики, связанную со струнной теорией и М-теорией. Идея заключается в том, что четырехмерное пространство-время, в котором мы живем, является «браной», встроенной в многомерный «объем». Большинство физических явлений – свет, материя, сильные и слабые ядерные силы – ограничены браной. Гравитация, в некоторых версиях теории, является исключением. Она может просачиваться в объем, поэтому кажется такой слабой по сравнению с другими силами. Если эта картина верна, то существа, способные действовать в объеме, теоретически могут манипулировать гравитацией способами, которые кажутся невозможными изнутри браны. Они могли бы, например, отправлять информацию назад во времени, действуя на брану извне. Это лазейка, которую использует фильм. Купер не может отправлять слова или изображения в прошлое. Он может отправлять только гравитацию – то, что, по гипотезе, не ограничено нашей браной.
Тессеракт представлен как инструмент, созданный будущими людьми, работающими в объеме, который преобразует доступ к высшим измерениям в трехмерную среду, в которой Купер может перемещаться. Время представлено как физическое измерение. Каждый момент в спальне Мерф представлен как отдельный срез пространства. Это не новая идея в физике – теория относительности рассматривает время как измерение с 1908 года. Фильм просто серьезно относится к этой перспективе и строит из нее декорацию.
Раскрытие того, что существа в объеме – это потомки выживших людей, является философским завершением. Это не deus ex machina – это замкнутый временной цикл. Человечество спасено человечеством, с возможностями будущего, помогающими своему прошлому «я». Это то, что делает «Интерстеллар» фильмом о выживании как вида, а не только как отдельных личностей. Существа в объеме – не боги. Это будущее человечество, которое не забыло, откуда оно родом.
Две посещенные планеты в системе Гаргантюа поднимают свои собственные вопросы. Планета Миллера – это глобальный океан с периодическими километровыми волнами. Фильм приписывает это приливным силам Гаргантюа. Это в целом правдоподобно – планета находится так близко к черной дыре, что находится около предела Роша, где приливные силы в противном случае разорвали бы тело. Более строгий подход потребовал бы, чтобы планета почти мгновенно была приливно заблокирована – одна и та же сторона постоянно обращена к Гаргантюа – что значительно изменило бы структуру волн. Фильм игнорирует это ради постановки двух огромных волн, обрушивающихся на декорации.
Планета Манна – это замерзший мир с необычной атмосферой из замороженных облаков. Ее физика менее конкретно обоснована, чем у Миллера, но она служит другой цели в сюжете – место, где амбиции и изоляция развращают человека, а холодный пейзаж служит холстом для этого.
Интересный вопрос об «Интерстелларе» не в том, «где фильм ошибся в физике?», а в том, «где Нолан и ученый согласились ее изменить и почему?». Несколько принципов, по-видимому, руководили компромиссами. Геометрия была сохранена в ущерб фотометрии. Форма Гаргантюа, форма червоточины, эффекты искривления аккреционного диска – все это в основном правильно. Цвет, яркость и асимметрия Доплера были упрощены для визуальной читаемости. Причинность была сохранена. Купер не может отправлять информацию назад во времени напрямую. Лазейка тессеракта проходит через гравитацию, которая, согласно теории браны, является единственным каналом, способным пересекать измерения. Спекуляции были четко обозначены. Червоточина, тессеракт и существа в объеме явно приписываются в сюжете более продвинутой цивилизации. Фильм не притворяется, что человечество в 2067 году изобрело их. Компромиссы были изолированы от этих элементов, а не размазаны по всему фильму. Жесткая физика была сохранена, когда это было возможно. Гравитационное замедление времени является движущей силой сюжета. Гравитационный пращ, геометрия Керра, рендеринг черной дыры – все это реальная общая теория относительности, показанная аудитории, не разбавленная упрощениями.
«Интерстеллар» делает утверждение о положении человека во вселенной, которая сама по себе нам ничего не должна. Земля умирает. Засуха приближается. Ориентация NASA на исследование в фильме была похоронена в будущем под учебной программой капитуляции. Фильм рассматривает это не как притчу об изменении климата, а как аргумент в пользу того, что цивилизация, которая перестает смотреть в будущее, перестает быть цивилизацией. Линия Купера о том, что человечество родилось на Земле, но не должно умирать там, не тонка. Так же и восхваление архетипа инженера-исследователя. Но философский ход под этим еще более интересен. Предпосылка фильма заключается в том, что вселенная дает нам общую теорию относительности, и общая теория относительности дает нам способ выбраться. Время замедляется. Пространство искривляется. Высшие измерения, если они существуют, пропускают гравитацию. Ни одно из этих явлений не было изобретено для нашей пользы. Но каждое из них, если к нему отнестись серьезно, открывает дверь. Аргумент заключается в следующем: физика – не враг человеческого смысла. Это субстрат, на котором можно построить человеческий смысл, включая смысл, который несет отец, пытающийся спасти свою дочь через искривленное пространство-время, которое должно сделать это невозможным.
«Интерстеллар» моделирует то, чего редко можно увидеть в кино: ученых, ведущих себя как ученые. Бренд и Ромилли не ссорятся мелодраматично. Купер, несмотря на то, что является суррогатом аудитории, прислушивается к мнению людей, обладающих соответствующей подготовкой, когда это важно. Процесс математического прорыва в конце представлен как то, что он есть в реальной жизни – результат долгой и утомительной работы над одним уравнением, а не внезапного гения. Фильм также правильно показывает цену научной работы. Отец Бренда десятилетиями лгал о перспективах решения проблемы гравитации, потому что правда была бы невыносимой. Профессиональная культура вокруг этой тайны мрачная, измотанная и тихо героическая. Это ближе к реальному опыту в крупной науке, чем обычный кинематографический портрет беззаботного гения.