Теоретична физика Kip Torn във филма Interstellar
Филмът междузвезден, пуснат в началото на ноември, с право може да се счита за основното събитие на сезона. И не само кино. Събитията, показани в картината - космически полети през хиперпространството, попадане в черни дупки и пътуване във времето - предизвикаха разгорещени дискусии както сред любителите на научната фантастика, така и в близките научни кръгове. Това не е изненадващо - известният теоретик-физик Кип Торн действа като консултант на филма. И когато става въпрос за съвременната теоретична физика, много често се оказва, че вчера неистов фантазия се оказва уважавана научна теория днес..
* Внимавайте, в текста има спойлери.
Основните събития на филма започват с полета на главните герои чрез червеева дупка, развиваща се до Сатурн. Физически, това е тунел, свързващ две отдалечени пространства-време. Тези области могат да бъдат или в една и съща вселена, или да свържат различни точки от различни вселени (в рамките на концепцията за мултивселената). В зависимост от възможността за връщане през дупката, те се разделят на проходими и непроходими. Непроходимите дупки бързо се затварят и не позволяват на потенциалния пътник да се върне обратно.
В двумерното гърло на дупката - дупките, от които започва и свършва тунелът - имат формата на кръг. В три измерения (както във филма) устата на къртица прилича на сфера. Такива обекти се формират от две особености в различни области на пространството-време, които в хиперпространството (пространство с по-високо измерение) се сключват един с друг с образуването на дупка. Тъй като дупката е пространствено-временен тунел, е възможно да се пътува през нея не само в пространството, но и във времето.
В Interstellar дупката е проходима и свързва различни галактики във Вселената. Но за да се върне през нея, червеят трябва да бъде запълнен с материя с отрицателна средна плътност на масата, която не позволява на тунела да се затвори. Няма елементарни частици с такива свойства, известни на науката. Те обаче вероятно могат да бъдат част от тъмната материя..
Друг начин за създаване на дупка-червей е да се изтегли една област от пространството, която образува дупка със сингулярност, която в хиперпространството достига до друго пространство от пространството. И в двата случая се предлага да се поддържа пропускливостта на дупката чрез преминаване на веществото през нея с отрицателна плътност на масата. Такива проекти не противоречат на GR.
След като излетят през дупката, космическите пътници пътуват до екзопланети, потенциално пригодни за живеене, според информация от разузнавателните мисии. За да бъде планетата поне потенциално подходяща за човешкия живот, тя трябва да има стабилна светлина, температура и гравитационни режими. Налягането в атмосферата трябва да бъде сравнимо с това на земята, а химичният състав трябва да бъде подходящ за живота поне за някои сухоземни организми. Предпоставка - наличието на вода. Всичко това налага определени ограничения върху масата и обема на планетата, както и разстоянието до звездата и параметрите на орбитата..
В същото време, първата от планетите (Милър) се намираше много близо до свръхмасивната черна дупка на Гаргантюа с маса от 100 милиона слънца и на 10 милиарда светлинни години от Земята. Радиусът на дупката е сравним с радиуса на земната орбита около Слънцето, а акреционният диск около него ще се простира далеч отвъд орбитата на Марс. Поради силното гравитационно поле на черната дупка един час, прекаран на повърхността на планетата на Милър, се оказва на седем години на Земята..
Не е чудно, че според теоретичната физика това се дължи на ефекта от времевата дилатация в силното гравитационно поле на черната дупка, в която се намира планетата. В специалната теория на относителността (СТО) - теорията за движението на тела с близки скорости - времето се забавя в движещите се обекти. А в GR, което е обобщение на STR с гравитацията, има еквивалентност на инерцията и агресията, далечната последица от която е гравитационното забавяне на времето.
След неуспешни мисии на екзопланетите на героя Матю Макконъхи (заедно с робота) тя влезе в супермасивната черна дупка на Гаргантюа. И нито героят Макконъхи, нито роботът му, когато се приближаваха към дупката, се проснаха на хиляда малки Матюс и роботика от чудовищната гравитация. Съвременната физика обаче има обяснение.
Черна дупка е масивен обект, гравитационното привличане на което според класическата версия на ГР не позволява на материята да напусне своите граници. Границата на дупката с околното пространство се нарича хоризонт на събитията. Преминавайки през него, се смята, че тялото се връща (поне по същия начин) не може.
Има няколко сценария за формирането на такива обекти. Основният механизъм включва гравитационния колапс на някои видове звезди или материи в центровете на галактиките. Също така, тяхното формиране не е изключено дори по време на Големия взрив и по време на реакции на елементарни частици. Съществуването на черни дупки в повечето учени е без съмнение.
Интензивността на гравитационното поле (с други думи стойността на ускорението на свободното падане) на черната дупка намалява с разстояние от нея. Това е незабележимо на голямо разстояние, където полето на черната дупка е локално хомогенно и значимо на малки разстояния: различните части на един и същ разширен обект попадат в дупката с различни ускорения, а обектът се простира..
Така действа приливната сила на черната дупка. Въпреки това, има една вратичка. Приливната сила е правопропорционална на масата на черната дупка и обратно пропорционална на куба на радиуса на хоризонта на събитието. Радиусът на хоризонта на събитието се увеличава пропорционално на неговата маса. Следователно, по ред на величината, приливната сила е обратно пропорционална на квадрата на масата на дупката. За обикновените черни дупки се получават огромните стойности на приливните сили, докато при свръхмасивните те не са толкова големи, за които са се възползвали междузвездните герои..
Във въртяща се черна дупка герой Матю Макконъхи (и неговият робот) откриха петизмерна вселена. И тук те са, честно казано, късмет - ако черната дупка не се върти, пътешествениците ще продължат да се придвижват в центъра - сингулярността, и в този случай финалът на филма ще бъде съвсем различен.
Може да се предположи, че герой Макконъхи (и неговият робот) успяват да проникнат в такава черна дупка, да избягват неговата сингулярност и да пътуват вътре в нея по специална траектория, която го води до нова вселена. В нея геометрията е локално подредена така, че четирите измерения са пространствени и еднократни. Формално, това не противоречи на GR.
И въпреки че човек, очевидно, е способен да възприема само три пространствени и едно времеви измерения, във филма главният герой в новата вселена е способен не само да пътува във времево измерение, но и да наблюдава четириизмерните проекции в триизмерното пространство..
Докато Матю Макконъхи (заедно с робота) лети през екзопланети и в черна дупка, останалият професор на земята, изпълняван от Майкъл Кейн, се опитва да реши нещо като "гравитационно уравнение", което да свърже квантовата механика и ГР с една теория и така да разбере физиката на червеи черна дупка.
И, трябва да кажа, героят Майкъл Кейн не е сам. Създаването на универсална теория, свързваща общата теория на относителността и квантовата механика, е основната задача на повечето съвременни математически физици - специалисти по теория на струните. Основната задача на теорията е обединяването на всичките четири известни взаимодействия: силно, слабо, електромагнитно и гравитационно. Първите три са описани от квантовата теория на полето (QFT), математически модел на съвременната физика на частиците, последният е GRT. В същото време, GR обикновено не противоречи на QFT, тъй като говори за явления на други скали на дължини и енергии. Но ако GTR се занимава с космологични обекти на огромни маси, то QFT е приложим на субатомно ниво..
Проблемът е, че двете теории са в конфликт помежду си по скалата на Планк, тъй като квантовите корекции трябва да бъдат взети под внимание в тях в GR. Така че в черна дупка квантовите ефекти водят до неговото изпаряване. Квантовата версия на GR, получена чрез подобен QFT метод, се оказва неренормируема, т.е. не е възможно да се направят наблюдаваните стойности крайни. Решаването на този проблем и посвещаването на по-голямата част от изследванията в тази област. Самата струнна теория (М-теория) се основава на предположението за съществуването на хипотетични едномерни обекти в скалата на Планк - струни, чиито възбуждания се интерпретират като елементарни частици и техните взаимодействия..
Как се случва това и защо, физиците не могат да го разберат почти половин век. Така че не се обезсърчавайте, ако цялата статия ви се струва, че е нещо като китайска диплома (не е ясно, наистина, защо го прочетете до края). В допълнение, основният извод от всичко по-горе е съвсем прост: в допълнение към любимата серия "The Big Bang Theory", отрепки от цял свят сега имат любим филм..
