Teorijska fizika Kip Torn u filmu Interstellar

Interstellar film, objavljen početkom studenog, s pravom se može smatrati glavnim događajem sezone. I ne samo filmski. Događaji prikazani na slici - svemirski letovi kroz hipersvemir, upadanje u crne rupe i putovanje kroz vrijeme - izazvali su žestoke rasprave i među ljubiteljima znanstvene fantastike iu gotovo znanstvenom krugu. To ne čudi - poznati teoretski fizičar Kip Thorn djelovao je kao konzultant filma. A gdje se radi o modernoj teorijskoj fizici, vrlo često se ispostavlja da se jučer mahnita fantazija danas pokazala respektabilnom znanstvenom teorijom..
* Pazite, u tekstu se nalaze spojleri.

Glavni događaji filma počinju letom glavnih likova kroz crvotočinu koja se odvija pokraj Saturna. Fizički, to je tunel koji povezuje dva udaljena područja prostora-vremena. Ta područja mogu biti u istom svemiru ili mogu povezati različite točke različitih svemira (u okviru koncepta multiverzuma). Ovisno o mogućnosti povratka kroz rupu, oni se dijele na prohodne i neprohodne. Prohodne rupe brzo se zatvaraju i ne dopuštaju potencijalnom putniku da se vrati.

U dvodimenzionalnom vratu crvotočine - rupama iz kojih počinje i završava tunel - imaju oblik kruga. U tri dimenzije (kao u filmu) usta molehilla nalikuju sferi. Takvi se objekti formiraju iz dvije singularnosti u različitim regijama prostora-vremena, koje se u hipersvemiru (prostoru više dimenzije) međusobno kontrahiraju formiranjem rupe. Budući da je jazbina prostorno-vremenski tunel, kroz nju je moguće putovati ne samo u prostoru, već iu vremenu.

U međuzvjezdanom prostoru rupa je bila prohodna i povezivala je različite galaksije u svemiru. Ali da bi se vratili kroz nju, crvotočina mora biti ispunjena tvari s negativnom prosječnom gustoćom mase koja sprečava zatvaranje tunela. Nema elementarnih čestica s takvim svojstvima poznatim znanosti. Međutim, oni vjerojatno mogu biti dio tamne tvari..

Drugi način stvaranja crvotočine je povući jedno područje prostora koje tvori rupu s singularnošću, koja u hipersvemiru doseže drugo područje prostora. U oba slučaja predlaže se održavanje propusnosti jazbine prolaskom tvari kroz nju s negativnom gustoćom mase. Takvi projekti ne proturječe GR.

Nakon letenja kroz crvotočinu, svemirski putnici putuju u egzoplanete, potencijalno podesne za život, prema informacijama iz obavještajnih misija. Da bi planet bio barem potencijalno pogodan za ljudski život, on mora imati stalni svjetlosni, temperaturni i gravitacijski režim poput Zemlje. Tlak u atmosferi trebao bi biti usporediv s tlakom Zemlje, a kemijski sastav bi trebao biti pogodan za život barem za neke zemaljske organizme. Preduvjet - prisutnost vode. Sve to nameće određena ograničenja na masu i volumen planete, kao i na njezinu udaljenost od zvijezde i parametre orbite..

U isto vrijeme, prvi od planeta (Miller) bio je smješten vrlo blizu Gargantua supermasivne crne rupe s masom od 100 milijuna sunaca i 10 milijardi svjetlosnih godina udaljenih od Zemlje. Radijus rupe usporediv je s radijusom Zemljine orbite oko Sunca, a akrecijski disk koji ga okružuje proširio bi se daleko izvan Marsove orbite. Zbog jakog gravitacijskog polja crne rupe, jedan sat proveden na površini Miller-ovog planeta na Zemlji se pokazao kao sedam godina..

Nije ni čudo da je to, prema teorijskoj fizici, posljedica vremenske dilatacije u jakom gravitacijskom polju crne rupe u kojoj se nalazi planet. U posebnoj teoriji relativnosti (STR) - teorija gibanja tijela s blizu-svjetlosnim brzinama - vrijeme se usporava u pokretnim objektima. A u GR, koja je generalizacija STR s gravitacijom, postoji ekvivalentnost inercije i agresije, čija je posljedica gravitacijsko usporavanje vremena.

Nakon neuspješnih misija na egzoplaneti junaka Matthewa McConaugheya (zajedno s robotom), ona se uvlači u Gargantuinu supermasivnu crnu rupu. A ni junak McConaughey, ni njegov robot kad su se približavali rupi provalili su u tisuću malih Matthewsa i robotike od čudovišne gravitacije. Međutim, ovdje moderna fizika ima objašnjenje.

Crna rupa je masivni objekt, čija gravitacijska privlačnost, prema klasičnoj verziji GR, ne dopušta da materija napusti svoje granice. Granica rupe s okolnim prostorom naziva se horizontom događaja. Prolazeći kroz njega, vjeruje se da se tijelo vraća (barem na isti način) ne može.

Postoji nekoliko scenarija za stvaranje takvih objekata. Glavni mehanizam uključuje gravitacijski kolaps nekih vrsta zvijezda ili materije u centrima galaksija. Također, njihovo formiranje nije isključeno ni u vrijeme Velikog praska i tijekom reakcija elementarnih čestica. Postojanje crnih rupa u većini znanstvenika je nesumnjivo.

Intenzitet gravitacijskog polja (drugim riječima, vrijednost ubrzanja slobodnog pada) crne rupe smanjuje se s udaljenosti od nje. To je neprimjetno na velikoj udaljenosti, gdje je polje crne rupe lokalno homogeno i značajno na malim udaljenostima: različiti dijelovi istog proširenog objekta padaju u rupu s različitim ubrzanjima, a objekt se proteže.

Tako djeluje plimna sila crne rupe. Međutim, postoji rupa u zakonu. Sila plime i oseke je izravno proporcionalna masi crne rupe i obrnuto proporcionalna kocki polumjera horizonta događaja. Radijus horizonta događaja rupa raste razmjerno njegovoj masi. Dakle, red veličine, plimna sila obrnuto je proporcionalna kvadratu mase rupe. Za obične crne rupe dobivaju se goleme vrijednosti plimnih sila, dok za supermasivne one nisu toliko velike da su ih koristili međuzvjezdani heroji..

Unutar crne rupe koja se okreće, junak Matthew McConaughey (i njegov robot) otkrio je pet-dimenzionalni svemir. I evo ih, iskreno, sretni - ako se crna rupa nije okretala, putnici bi se nastavili kretati u njegovo središte - singularnost, iu ovom slučaju finale filma bilo bi posve drugačije.

Može se pretpostaviti da je junak McConaughey (i njegov robot) uspio prodrijeti u takvu crnu rupu, izbjeći njezinu singularnost i putovati unutar nje duž posebne putanje koja ga je dovela do novog svemira. U njemu je geometrija bila lokalno raspoređena tako da su četiri dimenzije prostorne i jednokratne. Formalno, to ne proturječi GR.

I premda je osoba, po svemu sudeći, u stanju uočiti samo tri prostorne i jednu vremensku dimenziju, u filmu je glavni lik u novom svemiru bio u stanju ne samo putovati u vremenskoj dimenziji, već i promatrati četverodimenzionalne projekcije u trodimenzionalnom prostoru..

Dok Matthew McConaughey (zajedno s robotom) leti kroz egzoplanete i ulazi u crnu rupu, preostali profesor na terenu koji izvodi Michael Kane pokušava riješiti neku vrstu "gravitacijske jednadžbe" koja bi povezala kvantnu mehaniku i GR u jednu teoriju i time razumjela fiziku crvotočine i crna rupa.

I, moram reći, junak Michael Kane nije sam. Stvaranje univerzalne teorije koja povezuje opću relativnost i kvantnu mehaniku glavni je zadatak najmodernijih matematičkih fizičara - stručnjaka za teoriju struna. Glavni zadatak teorije je ujedinjenje sve četiri poznate interakcije: jaka, slaba, elektromagnetska i gravitacijska. Prva tri su opisana kvantnom teorijom polja (QFT), matematičkim modelom moderne fizike čestica, a posljednja je BRT. U isto vrijeme, GR općenito ne proturječi QFT-u, budući da govori o pojavama na drugim mjerilima duljina i energija. Ali ako se GTR bavi kozmološkim objektima velikih masa, tada je QFT primjenjiv na subatomskoj razini..

Problem je u tome što se obje teorije međusobno sukobljavaju na Planckovoj ljestvici, budući da se kvantne korekcije moraju uzeti u obzir u njima u GR. Dakle, u crnoj rupi kvantni učinci dovode do njegovog isparavanja. Kvantna verzija GR-a, dobivena sličnom QFT metodom, ispostavlja se nereformabilnom, tj. Promatrane vrijednosti ne mogu biti konačne. Rješenje ovog pitanja i najveći dio istraživanja na ovom području. Sama teorija struna (M-teorija) temelji se na pretpostavci postojanja hipotetskih jednodimenzionalnih objekata na Planckovoj ljestvici - strunama, čije se pobude tumače kao elementarne čestice i njihove interakcije..

Kako se to događa i zašto, fizičari to ne mogu shvatiti gotovo pola stoljeća. Dakle, nemojte se obeshrabriti ako vam se cijeli članak čini kao nešto poput kineske diplome (nije jasno, stvarno, zašto ste ga onda čitali do kraja). Osim toga, glavni zaključak iz svega gore navedenog je vrlo jednostavan: uz voljenu seriju "The Big Bang Theory", geekovi iz cijelog svijeta sada imaju omiljeni film..