Fizyka teoretyczna Kip Rozdarty w filmie Międzygwiezdnym

Film Interstellar, wydany na początku listopada, można słusznie uznać za główne wydarzenie sezonu. I nie tylko filmowy. Wydarzenia pokazane na zdjęciu - loty kosmiczne przez hiperprzestrzeń, popadanie w czarne dziury i podróże w czasie - wywołały gorące dyskusje zarówno wśród miłośników fantastyki naukowej, jak i środowisk naukowych. Nic dziwnego - słynny fizyk teoretyczny Kip Thorn działał jako konsultant filmu. A jeśli chodzi o współczesną fizykę teoretyczną, bardzo często okazuje się, że wczoraj szalona fantazja okazuje się dziś poważną teorią naukową..
* Uważaj, w tekście znajdują się spoilery.

Główne wydarzenia filmu zaczynają się od lotu głównych bohaterów przez tunel czasoprzestrzenny rozwijający się obok Saturna. Fizycznie jest to tunel łączący dwa odległe obszary czasoprzestrzeni. Obszary te mogą znajdować się w tym samym wszechświecie lub mogą łączyć różne punkty różnych wszechświatów (w ramach koncepcji wieloświata). W zależności od możliwości powrotu przez otwór, dzielą się one na przejezdne i nieprzejezdne. Otwory nieprzejezdne szybko się zamykają i nie pozwalają potencjalnemu podróżnikowi wrócić.

W dwuwymiarowej szyjce tunelu - otwory, z których zaczyna się i kończy tunel - mają kształt koła. W trzech wymiarach (jak w filmie) ujście kretowiska przypomina kulę. Takie obiekty są utworzone z dwóch osobliwości w różnych obszarach czasoprzestrzeni, które w hiperprzestrzeni (przestrzeni o wyższym wymiarze) kurczą się ze sobą tworząc dziurę. Ponieważ nora jest tunelem czasoprzestrzennym, można nią podróżować nie tylko w przestrzeni, ale także w czasie.

W Międzygwiezdnej dziura była przejezdna i łączyła różne galaktyki we Wszechświecie. Aby jednak wrócić, tunel czasoprzestrzenny musi być wypełniony materią o ujemnej średniej gęstości masy, która uniemożliwia zamknięcie tunelu. Nie ma cząstek elementarnych o takich właściwościach znanych nauce. Jednak mogą one być prawdopodobnie częścią ciemnej materii..

Innym sposobem utworzenia tunelu czasoprzestrzennego jest pociągnięcie jednego obszaru przestrzeni, który tworzy dziurę o osobliwości, która w hiperprzestrzeni osiąga inny obszar przestrzeni. W obu przypadkach proponuje się utrzymanie przepuszczalności nory przez przepuszczanie przez nią materii z ujemną gęstością masy. Takie projekty nie są sprzeczne z GR.

Po przelocie przez tunel czasoprzestrzenny podróżni podróżują do egzoplanet, potencjalnie znośnych, zgodnie z informacjami z misji wywiadowczych. Aby planeta mogła być przynajmniej potencjalnie odpowiednia dla ludzkiego życia, musi mieć podobne do Ziemi stałe światło, temperaturę i reżimy grawitacyjne. Ciśnienie w atmosferze powinno być porównywalne z ziemskim, a skład chemiczny powinien być odpowiedni do życia przynajmniej dla niektórych organizmów lądowych. Warunek - obecność wody. Wszystko to nakłada pewne ograniczenia na masę i objętość planety, a także jej odległość do gwiazdy i parametry orbity..

W tym samym czasie pierwsza z planet (Miller) znajdowała się bardzo blisko supermasywnej czarnej dziury Gargantua o masie 100 milionów słońc i 10 miliardów lat świetlnych od Ziemi. Promień otworu jest porównywalny z promieniem orbity Ziemi wokół Słońca, a otaczający go dysk akrecyjny rozciągałby się daleko poza orbitę Marsa. Z powodu silnego pola grawitacyjnego czarnej dziury jedna godzina spędzona na powierzchni planety Millera okazuje się być siedmioma latami na Ziemi..

Nic dziwnego, zgodnie z fizyką teoretyczną wynika to z efektu dylatacji czasu w silnym polu grawitacyjnym czarnej dziury, w której znajduje się planeta. W specjalnej teorii względności (STR) - teoria ruchu ciał o prędkościach bliskich światłu - czas w obiektach ruchomych jest spowalniany. A w GR, który jest uogólnieniem STR z grawitacją, istnieje równoważność bezwładności i agresji, której dalszą konsekwencją jest grawitacyjne spowolnienie czasu.

Po nieudanych misjach na egzoplanetach bohatera Matthew McConaugheya (razem z robotem) wjeżdża do supermasywnej czarnej dziury Gargantuy. Ani bohater McConaughey, ani jego robot, gdy zbliżają się do dziury, nie włamali się do tysiąca małych Matthews i robotyki z potwornej grawitacji. Jednak współczesna fizyka ma również wyjaśnienie.

Czarna dziura jest masywnym obiektem, którego przyciąganie grawitacyjne, zgodnie z klasyczną wersją GR, nie pozwala materii opuścić jej granic. Granica otworu z otaczającą przestrzenią nazywana jest horyzontem zdarzeń. Przechodząc przez to ciało, uważa się, że nie wróci (przynajmniej w ten sam sposób).

Istnieje kilka scenariuszy tworzenia takich obiektów. Główny mechanizm polega na zapadnięciu grawitacyjnym niektórych rodzajów gwiazd lub materii w centrach galaktyk. Również ich tworzenie nie jest wykluczone nawet w czasach Wielkiego Wybuchu i podczas reakcji cząstek elementarnych. Istnienie czarnych dziur u większości naukowców nie budzi wątpliwości.

Intensywność pola grawitacyjnego (innymi słowy, wartość przyspieszenia swobodnego spadania) czarnej dziury zmniejsza się wraz z odległością od niej. Jest to niezauważalne na dużej odległości, gdzie pole czarnej dziury jest lokalnie jednorodne i znaczące w małych odległościach: różne części tego samego przedłużonego obiektu wpadają do otworu z różnymi przyspieszeniami, a obiekt rozciąga się.

Tak działa siła pływowa czarnej dziury. Istnieje jednak luka. Siła pływowa jest wprost proporcjonalna do masy czarnej dziury i odwrotnie proporcjonalna do sześcianu promienia horyzontu zdarzeń. Promień horyzontu zdarzenia dziury rośnie proporcjonalnie do jego masy. Zatem, w kolejności wielkości, siła pływowa jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu masy otworu. Dla zwykłych czarnych dziur uzyskuje się ogromne wartości sił pływowych, podczas gdy dla supermasywnych nie są one tak duże, z czego skorzystali bohaterowie międzygwiezdni..

W wirującej czarnej dziurze bohater Matthew McConaughey (i jego robot) odkryli pięciowymiarowy wszechświat. I tutaj, szczerze mówiąc, mają szczęście - jeśli czarna dziura nie obraca się, podróżni będą nadal przemieszczać się do jej środka - osobliwości, aw tym przypadku finał filmu będzie zupełnie inny.

Można przypuszczać, że bohaterowi McConaugheyowi (i jego robotowi) udało się przebić taką czarną dziurę, uniknąć jej osobliwości i podróżować do niej po specjalnej trajektorii, która doprowadziła go do nowego wszechświata. W niej geometria została rozmieszczona lokalnie, tak że cztery wymiary są przestrzenne i jednorazowe. Formalnie nie jest to sprzeczne z GR.

I chociaż osoba najwyraźniej jest w stanie dostrzec tylko trzy wymiary przestrzenne i jeden czas, w filmie główny bohater nowego wszechświata był w stanie nie tylko podróżować w wymiarze czasowym, ale także obserwować czterowymiarowe projekcje w przestrzeni trójwymiarowej..

Podczas gdy Matthew McConaughey (wraz z robotem) przelatuje przez egzoplanety i wpada w czarną dziurę, pozostały profesor na ziemi, przeprowadzony przez Michaela Kane'a, próbuje rozwiązać pewnego rodzaju „równanie grawitacyjne”, które łączyłoby mechanikę kwantową i GR z jedną teorią, a tym samym zrozumieć fizykę tunelu czasoprzestrzennego i czarna dziura.

I muszę powiedzieć, że bohater Michael Kane nie jest sam. Stworzenie uniwersalnej teorii łączącej ogólną teorię względności i mechanikę kwantową jest głównym zadaniem większości współczesnych fizyków matematycznych - specjalistów teorii strun. Głównym zadaniem teorii jest unifikacja wszystkich czterech znanych interakcji: silna, słaba, elektromagnetyczna i grawitacyjna. Pierwsze trzy są opisane przez kwantową teorię pola (QFT), matematyczny model współczesnej fizyki cząstek, ostatni to GRT. Jednocześnie GR ogólnie nie zaprzecza QFT, ponieważ mówi o zjawiskach na innych skalach długości i energii. Ale jeśli GTR zajmuje się obiektami kosmologicznymi o ogromnych masach, to QFT ma zastosowanie na poziomie subatomowym..

Problem polega na tym, że obie teorie kolidują ze sobą w skali Plancka, ponieważ korekcje kwantowe muszą być brane pod uwagę w GR. Tak więc w czarnej dziurze efekty kwantowe prowadzą do jej odparowania. Wersja kwantowa GR, uzyskana za pomocą podobnej metody QFT, okazuje się być nienaormalizowalna, to znaczy nie jest możliwe, aby obserwowane wartości były skończone. Rozwiązanie tego problemu i poświęciło większość badań w tej dziedzinie. Sama teoria strun (M-teoria) opiera się na założeniu istnienia hipotetycznych obiektów jednowymiarowych na skali Plancka - strun, których wzbudzenia są interpretowane jako cząstki elementarne i ich interakcje..

Jak to się dzieje i dlaczego, fizycy nie mogą tego zrozumieć przez prawie pół wieku. Więc nie zniechęcaj się, jeśli cały artykuł wydawał ci się czymś w rodzaju chińskiego dyplomu (tak naprawdę nie jest jasne, dlaczego przeczytałeś go do końca). Ponadto główny wniosek z powyższego jest dość prosty: oprócz ukochanej serii „The Big Bang Theory” geekowie z całego świata mają teraz ulubiony film.