Интерстеллар: наука за кадром - Кип Торн

На следующем этапе Эжени фон Танзелманн и ее команда заменили диск с цветными областями (рис. 9.7) более реалистичным тонким аккреционным диском, см. рис. 9.9. Этот диск выглядел куда привлекательнее, однако возникли проблемы: Крис не хотел смущать массового зрителя несимметричностью диска и тени черной дыры, а также плоским левым краем тени и замысловатым узором звездного поля возле этого края (об этом шла речь в главе 8). Поэтому Крис и Пол решили замедлить Гаргантюа до скорости в 0,6 от предельной, что сделало все эти странности менее заметными. (От эффекта Доплера, вызванного движением диска по направлению к нам слева и от нас справа, Эжени уже отказалась. Иначе диск стал бы еще более асимметричным: ярко-синим слева и тускло-красным справа, что окончательно запутало бы зрителей!)

Рис. 9.8. Лучи света (красные линии), формирующие для камеры изображения области аккреционного диска, которая находится позади Гаргантюа: одно изображение — над тенью дыры, другое — под ней Рис. 9.9. Гаргантюа с более реалистичным бесконечно тонким аккреционным диском вместо цветного диска с рис. 97 (Изображение от команды Эжени фон Танзелманн из студии Double Negative.) Рис. 9.10. Гаргантюа и ее аккреционный диск с планетой Миллер над левым краем диска. Из-за большой яркости диска звёзды и туманности позади дыры едва заметны (Кадр из «Интерстеллар», с разрешения «Уорнер Бразерс».) 

Затем художники студии Double Negative снабдили диск текстурой и рельефом, которые были бы присущи настоящему слабому аккреционному диску, сделав его слегка и неравномерно утолщенным. Они сделали диск более горячим (более ярким) вблизи Гаргантюа и более холодным (тусклым) вдали от нее. Кроме того, вдали диск утолстили, поскольку к экваториальной плоскости его стягивают силы приливной гравитации, которые тем слабее, чем больше расстояние до черной дыры. И наконец, добавили фон, состоящий из множества слоев (пыль, туманности, звезды), и наложили дымку и блики, имитирующие поведение света в линзах камеры. В результате получились чудесные, просто волшебные кадры для фильма (рис. 9.10 и 9.11).

И, разумеется, Эжени и ее команда заставили газ, из которого состоит диск, вращаться по орбите вокруг Гаргантюа (иначе он устремился бы в дыру). В комбинации с гравитационным линзированием орбитальное движение газа дало выразительные эффекты перетекания, заметные на рис. 9.11.

Какое счастье было увидеть эти кадры! Впервые в истории черная дыра и ее диск показаны в голливудском фильме такими, какими мы увидим их на самом деле, когда освоим межзвездные перелеты. И впервые я, физик со стажем, видел реалистичный, гравитационно линзированный диск, огибающий дыру сверху и снизу, а не прячущийся за ее тенью.

Если диск Гаргантюа, несмотря на свое великолепие, столь слаб да еще и лишен джета, действительно ли окрестности Гаргантюа безопасны? Амелия Брэнд считает, что да…

Рис. 9.11. Часть диска Гаргантюа вблизи и пролетающий над ним космолет «Эндюранс». Темная область с разрозненными отсветами на переднем плане — это окаймленная диском тень Гаргантюа (Кадр из «Интерстеллар», с разрешения «Уорнер Бразерс».) 

10. Случай — краеугольный камень эволюции

Когда в фильме выяснилось, что планета Миллер непригодна для жизни, Амелия Брэнд выступила за то, чтобы отправиться к очень далекой от Гаргантюа планете Эдмунде, а не к более близкой планете Манн: «Случай — это краеугольный камень эволюции, — говорит она Куперу. — Но когда ты на орбите черной дыры, мало что может случиться: дыра засасывает и астероиды, и кометы — и все, что иначе могло бы произойти с тобой. Нужно двигаться дальше».

Этот момент — один из немногих в «Интерстеллар», где персонажи понимают науку превратно. Кристофер Нолан знал, что аргумент Амелии ошибочен, и все же решил оставить эту реплику из первоначального сценария Джоны. Ученые тоже могут ошибаться.

Хоть Гаргантюа и рада засосать в себя астероид, комету, планету, звезду или даже черную дыру поменьше, удается ей это нечасто. Почему?

Любой объект, находящийся вдали от Гаргантюа, обладает большим угловым моментом[45], если только он не летит прямо к Гаргантюа.

Большой угловой момент порождает центробежные силы, которые легко берут верх над гравитационным притяжением Гаргантюа, даже если объект, следуя орбите, подходит близко к черной дыре.

На рис. 10.1 изображен пример типичной орбиты. Объект под воздействием мощной гравитации Гаргантюа движется к дыре. Но, прежде чем он достигает горизонта, центробежные силы возрастают настолько, что отбрасывают объект назад. Так происходит снова и снова, практически бесконечно.

Единственное, что может этому помешать, — случайная встреча с каким-нибудь другим массивным телом (небольшой черной дырой, звездой или планетой). Объект огибает это другое тело по траектории гравитационной пращи (см. главу 7), и его перебрасывает на новую орбиту вокруг Гаргантюа, с изменением углового момента. У новой орбиты, как и у прежней, угловой момент почти всегда велик, и центробежные силы опять спасают объект от падения в Гаргантюа. Но крайне редко происходит так, что новая орбита влечет объект прямо или почти прямо к Гаргантюа с малым угловым моментом. В этом случае центробежные силы оказываются слишком слабы, и тогда объект проходит сквозь горизонт Гаргантюа.

Рис. 10.1. Типичная орбита объекта, движущегося вокруг быстровращающейся черной дыры вроде Гаргантюа (Модель Стива Драско.) 

Астрофизики смоделировали одновременное орбитальное движение миллионов звезд вокруг гигантской черной дыры, подобной Гаргантюа. Гравитационные пращи постепенно меняют все орбиты, изменяя таким образом распределение звездной плотности (количество звезд на заданный объем). При этом звездная плотность вблизи Гаргантюа не уменьшается — она растет. Плотность астероидов и комет также будет расти. Случайные бомбардировки астероидами и кометами участятся. Окрестности Гаргантюа станут более опасными для обособленных форм жизни, включая людей, что при условии выживания достаточного количества особей ускорит эволюцию.

Познакомившись с Гаргантюа и ее опасными окрестностями, уделим теперь немного внимания Земле и Солнечной системе, а именно — свалившемуся на землян бедствию и сложнейшей задаче спасения человечества с помощью межзвездного перелета.

III.

ЗЕМЛЯ В БЕДЕ

11. Болезнь растений

Когда в 2007 году Джонатан (Джона) Нолан приступил к работе над сценарием, он выбрал временем действия эпоху, когда человеческая цивилизация представляет собой бледную тень нынешнего величия и самому существованию человечества угрожает эпифития — распространение среди растений гибельной для них болезни. Кристофер Нолан, брат Джоны, заступив на вахту режиссера, принял и развил эту идею.

Однако мы с Линдой Обст и Джоной немного беспокоились о научном правдоподобии мира Купера, каким его нарисовал Джона: как могло человечество прийти в упадок и все же во многих отношениях оставаться привычным для нас? И какова, с точки зрения науки, вероятность того, что эпифития поставит под угрозу существование всех съедобных растений?

Я мало что знаю о заболеваниях растений, поэтому мы обратились за советом к специалистам. 8 июля 2008 года я организовал в «Афинеуме», университетском клубе Калтеха, обед. Хорошая еда, отличное вино. Джона, Линда, я и четыре биолога из Калтеха, каждый из которых силен в своей области: Эллиот Мееровиц, эксперт по растениям; Джаред Лидбеттер, эксперт по микробам, вызывающим болезни растений; Мэл Саймон, эксперт по клеточному строению растений и воздействию микробов на клеточном уровне; Дэвид Балтимор, нобелевский лауреат с широчайшими познаниями в общей биологии. (Калтех — первостатейное учебное заведение.

В течение трех последних лет лондонская «Тайме» называла Калтех лучшим университетом в мире; притом он достаточно компактен (здесь числится всего 300 профессоров, 1000 учащихся и 1200 выпускников), чтобы я был знаком с калтеховскими экспертами в самых разных областях науки. Найти и пригласить нужных нам специалистов было несложно.)

Когда обед начался, я поставил в центре круглого стола микрофон и записал нашу непринужденную беседу, длившуюся два с половиной часа. Эта глава большей частью состоит из фрагментов аудиозаписи, я лишь подправил несколько фраз, а их авторы завизировали мою редакцию.

В итоге мы все пришли к выводу, что мир Купера научно возможен, хоть вероятность такого развития событий и невелика. Крайне маловероятен, но возможен, поэтому я и пометил эту главу значком