Интерстеллар: наука за кадром - Кип Торн

Глава 15. Внешний вид червоточины в «Интерстеллар»

По решению Кристофера Нолана червоточина в «Интерстеллар» имеет диаметр в несколько километров. Угловой диаметр червоточины (в радианах) при наблюдении с Земли равен ее диаметру, деленному на расстояние от Земли, которое составляет около девяти астрономических единиц, или 1,4 х 109 км (радиус орбиты Сатурна). Отсюда угловой диаметр червоточины — примерно 2 км / (1,4∙ 109 км) = 1,4∙10-9 радиан, или 0,0003 секунды дуги. Радиотелескопы планово достигают такого углового разрешения с помощью интерферометрии. Наземным оптическим телескопам, использующим технологию под названием «адаптивная оптика», а также космическому телескопу «Хаббл» (по состоянию на 2014 год) доступны лишь угловые разрешения в сто раз слабее. Двойные телескопы в обсерватории Кека на Гавайях с помощью интерферометрии достигают угловых разрешений, которые в десять раз слабее, чем угловой диаметр червоточины, и вполне вероятно, что в эпоху «Интерстеллар» оптическая интерферометрия между более удаленными один от другого телескопами позволит достичь лучших разрешений, чем 0,0003 секунды дуги.

Глава 17. Планета Миллер

Если вы знакомы с математической записью ньютоновских законов тяготения, вас может заинтересовать их модификация, предложенная астрофизиками Богданом Пачинским и Полом Виита [Paczynski and Wiita 1980]. В этой модификации гравитационное ускорение невращающеися черной дыры вместо ньютоновского закона обратных квадратов, g = GM/r2 выражается как g = GM/(r — rh). Здесь М — это масса дыры, r — радиус снаружи дыры, на котором ощущается ускорение g, a rh = 2GM/c2 — радиус горизонта невращающеися дыры. Это на удивление хорошее приближение к гравитационному ускорению, которое прогнозирует общая теория относительности[98]. Попробуйте с помощью этой модифицированной формулы сделать количественный вариант рис. 17.2[99] и определить радиус планеты Миллер. Результат будет верен лишь приблизительно, поскольку описание гравитации Гаргантюа по Пачинскому — Виита не учитывает вовлечение пространства в вихревое движение из-за вращения черной дыры.

Глава 25. Уравнение профессора

Смысл различных математических символов, входящих в уравнение профессора (рис. 25.7), раскрыт на остальных пятнадцати досках, фотографии которых можно найти на сайте Interstellar.withgoogle. com в разделе, посвященном этой книге. Уравнение выражает «действие» 5 (классический предел «квантового эффективного действия») в виде интеграла лагранжевых функций L. Эти функции связаны с геометрическими свойствами пространства — времени («метриками») пятимерного балка и нашей четырехмерной браны, с набором полей, действующих в балке (которые обозначены как Q, σ, λ, ξ и φ, а также с «полями стандартной модели», действующими в нашей бране (включая электрические и магнитные поля). Поля и пространственно-временные метрики варьируются, чтобы найти экстремум (максимум, минимум или седловую точку) действия S. Условия экстремума представляют собой систему уравнений Эйлера — Лагранжа, которые определяют эволюции полей; это стандартная процедура вариационного исчисления. Профессор и Мёрф делают предположения относительно полей балка φi, неизвестных функций U(Q), Hij(Q2), М (поля стандартной модели) а также неизвестных констант Wij, которые входят в лагранжевы функции. На рис. 25.8 я записываю на доске список этих предположений. Затем для каждого набора предположений профессор и Мёрф варьируют поля и метрики пространства — времени, выводят уравнения Эйлера — Лагранжа, а затем выполняют компьютерное моделирование, исследуя прогнозы этих уравнений относительно гравитационных аномалий.

Глава 27. Кромка кратера

Это примечание — для читателей, которые хорошо знакомы с математической записью ньютоновского закона тяготения и законов сохранения энергии и углового момента. Я предлагаю вам самостоятельно вывести нижеследующую формулу для вулканоподоб-ной поверхности, исходя из 1) приблизительной формулы Пачин-ского — Виита для гравитационного ускорения Гаргантюа g = GM/(r—rh) (см. техническое примечание к главе 17 выше) и 2) законов сохранения энергии и углового момента. Собственно формула в системе обозначений из примечания к главе 17 с добавлением величины L — углового момента «Эндюранс» выглядит так:

V(r) = — GM/(r -rh) + L2/(2r2).

Первое слагаемое здесь соответствует гравитационной энергии «Эндюранс» (на единицу массы), второе — его окружной кинетической энергии, а сумма V(r) и радиальной кинетической энергии v2/2 (где r — радиальная скорость) будет равняться полной энергии «Эндюранс» (на единицу массы). Кромка кратера соответствует такому радиусу r, где V(r) достигает максимума. Предлагаю вам с помощью этих идей и уравнений доказать мои утверждения из главы 27 — утверждения о траектории «Эндюранс», нестабильности траектории на кромке кратере и о старте к планете Эдмундс.

Глава 30. Передача сообщений в прошлое

В балке, так же как и в нашей бране, положения в пространстве — времени, в которые можно передавать сообщения и вообще что-либо перемещать, ограничены законом, который гласит: ничто не может двигаться быстрее света. Чтобы изучить последствия этого закона, мы, физики, используем пространственно-временные схемы, на которых в точке каждого события располагается «световой конус будущего». Свет идет от этого события по световому конусу, а все остальное — то, что движется медленнее света, — попадает из точки события или на конус, или внутрь него. См., например, Gravity: An Introduction to Einstein's General Relativity [Hartle 2003]. На рис. НТП.1 показан рисунок световых конусов будущего внутри тессеракта и на его гранях (в Кипверсий). Это математическое описание искривления пространства — времени, на которое я ссылаюсь в примечании 97 к главе 30. Физики называют такой рисунок световых конусов «каузальной структурой пространства — времени» внутри тессеракта. На рис. НТП.1 также показана мировая линия (фиолетовая кривая) гравитационно-волнового сообщения (силы), которое Купер отправил через тессеракт в спальню Мёрф, а также мировая линия луча света (красный пунктир), идущего из спальни через грани тессеракта, благодаря чему Купер видит, что происходит в спальне. Это пространственно-временная версия чисто пространственной схемы на рис. 30.5.

Можете разобраться, почему гравитационно-волновое сообщение движется со скоростью света и тем не менее перемещается назад как относительно времени спальни, так и относительно времени Купера? И постарайтесь понять, как луч света, двигаясь со световой скоростью, перемещается, напротив, вперед относительно обоих времен. Сравните это с описанием картины Эшера (рис. 30.6) в главе 30.

Прежде всего благодарю за приглашение в Голливуд и мое знакомство с потрясающим миром кинобизнеса моего партнера Линду Обст, а также Кристофера Нолана, Эмму Томас, Джонатана Нолана, Пола Франклина и Стивена Спилберга.

Я благодарен Линде за дружбу и сотрудничество, давшие начало замыслу «Интерстеллар», и за то, как она вела этот проект через все испытания и беды, пока фильм не попал в руки к Кристоферу Нолану, который его так преобразил.

За знакомство с миром визуальных эффектов и возможность участвовать в визуализации червоточины, черной дыры Гаргантюа и ее аккреционного диска я благодарю Пола Франклина, Оливера Джеймса и Эжени фон Танзелманн, и также благодарю Оливера и Эжени за приятное сотрудничество.

За мудрые замечания и предложения относительно рукописи этой книги я благодарю Линду Обст, Джеффа Шрива, Эмму Томас, Кристофера Нолана, Джордана Голдберга, Пола Франклина, Оливера Джеймса, Эжени фон Танзелманн и Кэрол Роуз. За настойчивое стремление к тому, чтобы каждой строке этой книги были присущи точность и логика, я благодарю Лесли Хуанга и Дона Рифкина. За ценную помощь и/или советы по иллюстрациям спасибо Джордану Голдбергу, Эрику Леваю, Джеффу Шриву, Джулии Драскин, Джо Лопсу, Лии Хэллоран и Энди Томпсону. Спасибо Пэту Холлу, который помогал получать разрешения на использование иллюстраций.

За помощь в создании этой книги я благодарю Дрейка Макфили, Джеффа Шрива, Эми Черри и моих голливудских адвокатов Эрика Шермана и Кена Зиффрена (да, практически каждому, кто работает в Голливуде, необходим адвокат или агент, даже захолустному ученому).

А также за внимательность и поддержку при работе над фильмом и книгой я благодарю мою жену и подругу жизни Кэроли Уинстейн.