Наука у фільмі - Інтерстеллар кротові нори, чорнідірки, простір-час

Візуально-захоплюючий фільм "Інтрестеллар", що нещодавно вийшов на екрани, ґрунтується на реальних наукових поняттях, таких якобертові чорні дірки, кротові нори і розширення часу.

У фільмі група космічних дослідників вирушає в позагалактичну подорож крізь кротову нору . На іншому боці вони потрапляють в іншу Сонячну систему з чорною дірою, що обертається, замість зірки.

Вони перебувають у гонці з простором та часом, щоб виконати свою місію. Така космічна подорож може здатися трохи заплутаною, але вона ґрунтується на основних принципах фізики.

Ось основні5 понять фізики, які потрібно знати, щоб зрозуміти "Інтерстелар":

Штучна гравітація

Найбільшою проблемою, з якою стикаємося ми, люди, за тривалих космічних подорожей, єневагомість. Ми народилися на Землі, і наше тіло пристосувалося до певних гравітаційних умов, але коли ми знаходимося в космосі тривалий час, наші м'язи починають слабшати.

З цією проблемою стикаються герої у фільмі "Інтерстелар".

Щоб упоратися з цим, вчені створюють штучну гравітацію в космічних кораблях. Одним із способів зробити це – розкрутити космічний корабель, як у фільмі. Обертання створює відцентрову силу, яка відштовхує об'єкти до зовнішніх стінок корабля. Це відштовхування схоже на гравітацію лише у зворотному напрямку.

Таку форму штучної гравітації ви відчуваєте, коли їдете довкола кривої малого радіусу і вам здається, що вас відштовхує назовні, від центральної точки кривої. У космічному кораблі, що обертається, стіни для вас стаютьпідлогою.

Чорна діра, що обертається в космосі

Астрономи, хоч і опосередковано, спостерігали в нашому Всесвіті чорні діри, що обертаються. Ніхто не знає, що знаходиться в центрі чорної дірки, але вчені мають для цього назву –сингулярність.

Чорні діри, що обертаються, спотворюють простір навколо себе по-іншому на відміну від нерухомих чорних дір.

Цей процес спотворення називається "захоплення інерційних систем відліку" або ефект Лензе-Тіррінга, і воно впливає на те, як виглядатиме чорна діра, спотворюючи простір, і що важливіше простір-час навколо неї. Чорна діра, яку ви бачите у фільмі, досить сильно наближена до наукового поняття.

Космічний корабель "Ендюранс" прямує до Гаргантюа -вигаданої надмасивної чорної діримасою в 100 мільйон разів більше Сонця.
Вона знаходиться на відстані 10 мільярдів світлових років від Землі, і навколо неї обертається кілька планет. Гаргантюа обертається з разючою швидкістю 99,8 відсотків від швидкості світла.
Акреційний диск Гарагантюа містить газ та пил з температурою поверхні Сонця. Диск забезпечує планети Гаргантюа світлом і теплом.

Складний вигляд чорної діри у фільмі пов'язаний з тим, що зображення акреційного диска викривлено гравітаційним лінзуванням. На зображенні з'являється дві дуги: одна утворюється над чорною діркою, а інша під нею.

Кротова нора

Кротова нора або червоточина, яку використовує екіпаж в "Інтерстеларі" - це одне з явищ у фільмі,існування якого не доведено. Вона гіпотетична, але дуже зручна у сюжетах науково-фантастичних історій, де треба подолати велику космічну відстань.

Просто кротовінори – це свого родунайкоротший шлях крізь простір. Будь-який об'єкт із масою створює норку у просторі, що означає, що простір можна розтягувати, деформувати і навіть складати.

Червоточина - це як складка на тканині простору (і часу), яка з'єднує дві дуже далекі області, що допомагає космічним мандрівникам подолати велику відстань за короткий період часу.

Офіційна назва кротової нори - "міст Ейнштейна-Розена", оскільки вперше вона була запропонована Альбертом Ейнштейном та його колегою Натаном Розеном у 1935 році.

У двовимірних діаграмах гирло кротової нори показане у вигляді кола. Однак, якби ми могли побачити кротову нору, вона виглядала б як сфера.
На поверхні сфери було б видно гравітаційно спотворений вид простору з іншого боку "нори".
Розміри кротової нори у фільмі: 2 км у діаметрі та відстань перенесення - 10 мільярдів світлових років.

Гравітаційне уповільнення часу

Гравітаційне уповільнення часу – це реальне явище, яке спостерігається на Землі. Воно виникає тому, що час щодо . Це означає, що воно тече по-різному різних систем координат.

Коли ви перебуваєте в сильному гравітаційному середовищі,час тече повільніше для васпорівняно з людьми, які перебувають у слабкому гравітаційному середовищі.

Якщо ви знаходитесь біля чорної діри, як у фільмі, ваша система координат, а отже сприйняття часу відрізняється від сприйняття того, хто знаходиться на Землі. Це тому, що гравітаційне тяжіння чорної діри тим сильніше, чим ближче ви до неї перебуваєте.

Згідно з рівнянням Ейнштейна час тече повільніше у вищихгравітаційних полях. Те саме відбувається на планеті, близької до чорної діри: годинник цокає повільніше, ніж на космічному кораблі, що обертається далі.
Присутність маси викривляє мембрану, як гумовий лист.
Якщо достатньо маси концентрується в одній точці, формується сингулярність. Об'єкти, що наближаються до сингулярності, проходять через обрій подій, з якого вони ніколи не повертаються.

Для вас хвилина біля чорної діри триватиме 60 секунд, але якби ви могли подивитись на годинник на Землі, хвилина тривала б менше 60 секунд. Це означає, що ви старітимете повільніше людей на Землі, і чим сильніше гравітаційне поле, в якому ви знаходитесь, тим сильніше сповільнюється час.

Це відіграє важливу роль у фільмі, коли дослідники зустрічаються з чорною діркою у центрі іншої Сонячної системи.

П'ятимірний Всесвіт

Альберт Ейнштейн останні 30 років свого життя присвятив розробці "теорії всього", яка поєднувала б математичні поняття гравітації з іншими трьома фундаментальними силами природи: сильну силу, слабку силу і електромагнітну силу. Йому, як утім, та іншим фізикам це не вдалося.

Деякі фізики вважають, що єдиний спосіб розгадати цю загадку - це сприймати нашВсесвіт, як 5-мірний, а не 4-мірний, як пропонував Ейнштейн у теорії відносності, де поєднується тривимірне простір з одновимірним часом.

У фільмі наш Всесвіт представлений у 5-ти вимірах, і гравітація відіграє важливу роль у всьому цьому.

Наш тривимірний Всесвіт можна представити у вигляді плоскої мембрани (або "брани"), що плаває в чотиривимірному гіперпросторі.