Neseniai pasirodęs vizualiai įtraukiantis filmas „Inrestellar“ yra paremtas tikrais moksliniaissąvokų, toks kaip besisukančios juodosios skylės, kirmgraužos ir laiko išsiplėtimas.
Bet jei nesate susipažinę su šiomis sąvokomis, žiūrėdami galite šiek tiek susipainioti.
Filme kosmoso tyrinėtojų komanda keliauja į ekstragalaktinė kelionė per kirmgraužą... Kita vertus, jie patenka į kitą saulės sistemą, kurioje vietoj žvaigždės yra besisukanti juodoji skylė.
Jie lenktyniauja su erdve ir laiku, kad užbaigtų savo misiją. Ši kelionė į kosmosą gali atrodyti šiek tiek paini, tačiau ji pagrįsta pagrindiniais fizikos principais.
Čia yra pagrindiniai 5 fizikos sąvokos jūs turite žinoti, kad suprastumėte tarpžvaigždinį.
Dirbtinė gravitacija
Didžiausia problema, su kuria mes, žmonės, susiduriame ilgų kelionių kosmose metu nesvarumas... Mes gimėme Žemėje, o mūsų kūnas prisitaikė prie tam tikrų gravitacinių sąlygų, tačiau ilgai būnant kosmose pradeda silpti raumenys.
Su šia problema susiduria ir filmo „Tarpžvaigždiniai“ herojai.
Norėdami su tuo susidoroti, mokslininkai kuria dirbtinė gravitacija erdvėlaiviuose... Vienas iš būdų tai padaryti – pasukti erdvėlaivį, kaip filme. Sukimasis sukuria išcentrinę jėgą, kuri stumia objektus prie išorinių laivo sienų. Šis atstūmimas panašus į gravitaciją, tik priešinga kryptimi.
Tai yra dirbtinės gravitacijos forma, kurią patiriate, kai važiuojate nedideliu spinduliu kreivę ir jaučiatės išstumti į išorę nuo centrinio kreivės taško. Besisukančiame erdvėlaivyje sienos jums tampa grindimis.
Besisukanti juodoji skylė erdvėje
Astronomai, nors ir netiesiogiai, pastebėjo mūsų visatoje besisukančių juodųjų skylių... Niekas nežino, kas yra juodosios skylės centre, bet mokslininkai turi tam pavadinimą -singuliarumas .
Besisukančios juodosios skylės iškreipia erdvę aplink jas kitaip nei stacionarios juodosios skylės.
Šis iškraipymo procesas vadinamas „inerciniu trupmeniniu tempimu“ arba objektyvo ištempimo efektu, ir jis turi įtakos juodosios skylės išvaizdai, iškraipydamas erdvę, o dar svarbiau – erdvėlaikį aplink ją. Juodosios skylės, kurią matote filme, pakankalabai artima mokslinei koncepcijai.
- Erdvėlaivis „Endurance“ keliauja į Gargantua - išgalvota supermasyvi juodoji skylė kurių masė 100 milijonų kartų didesnė už Saulę.
- Jis yra 10 milijardų šviesmečių nuo Žemės, o aplink ją sukasi kelios planetos. Gargantua sukasi stulbinančiu 99,8 procento šviesos greičiu.
- Garagantua akreciniame diske yra dujų ir dulkių, kurių temperatūra atitinka Saulės paviršių. Diskas aprūpina Gargantua planetas šviesa ir šiluma.
Sudėtinga juodosios skylės išvaizda plėvelėje atsirado dėl to, kad akrecinio disko vaizdas iškraipomas dėl gravitacinio lęšio. Vaizde atsiranda du lankai: vienas suformuotas virš juodosios skylės, kitas – po ja.
Kurmio skylė
Kirmgrauža arba kirmgrauža, kurią įgula naudojo filme „Interstellar“, yra vienas iš filmo reiškinių, kurių egzistavimas neįrodytas... Tai hipotetiška, bet labai patogu sci-fi istorijų siužetuose, kur reikia įveikti didelį kosminį atstumą.
Tiesiog kirmgraužos yra savotiškos trumpiausias kelias per erdvę... Bet koks masės objektas sukuria erdvėje urvą, o tai reiškia, kad erdvę galima ištempti, deformuoti ir net sulankstyti.
Kirmgrauža yra tarsi raukšlė erdvės (ir laiko) audinyje, jungianti du labai tolimus regionus, o tai padeda kosmoso keliautojams įveikti ilgą atstumą per trumpą laiką.
Oficialus kirmgraužos pavadinimas yra Einšteino-Rozeno tiltas, kurį pirmą kartą pasiūlė Albertas Einšteinas ir jo kolega Nathanas Rosenas 1935 m.
- 2D diagramose kirmgraužos anga pavaizduota kaip apskritimas. Tačiau jei matytume kirmgraužą, ji atrodytų kaip rutulys.
- Sferos paviršiuje gravitaciškai iškreiptas erdvės vaizdas būtų matomas iš kitos „skylės“ pusės.
- Plėvelėje esančios kirmgraužos matmenys yra 2 km skersmens, o transportavimo atstumas – 10 milijardų šviesmečių.
Gravitacinis laiko išsiplėtimas
Gravitacinis laiko išsiplėtimas yra realus reiškinys, stebimas Žemėje. Atsiranda todėl, laiko santykinis... Tai reiškia, kad skirtingoms koordinačių sistemoms jis teka skirtingai.
Kai esate stiprioje gravitacinėje aplinkoje, laikas jums teka lėčiau palyginti su žmonėmis silpnoje gravitacinėje aplinkoje.
Jei esate šalia juodosios skylės, kaip filme, jūsų koordinačių sistema, taigi ir laiko suvokimas, skiriasi nuo kažkieno Žemėje suvokimo. Taip yra todėl, kad juodosios skylės gravitacinė trauka yra stipresnė, kuo arčiau jos esate.
- Pagal Einšteino lygtį laikas lėčiau teka aukštesniuose gravitaciniuose laukuose. Tas pats vyksta planetoje, esančioje netoli juodosios skylės: laikrodis tiksi lėčiau nei erdvėlaivyje, skriejančiame toliau.
- Masės buvimas sulenkia membraną kaip guminį lakštą.
- Jei viename taške susikaupia pakankamai masės, susidaro singuliarumas. Objektai, artėjantys prie singuliarumo, praeina per įvykių horizontą, iš kurio niekada negrįžta.
Jums minutė prie juodosios skylės truks 60 sekundžių, bet jei galėtumėte pažvelgti į laikrodį Žemėje, minutė truktų mažiau nei 60 sekundžių. Tai reiškia kad jūs sensite lėčiau nei žmonės žemėje, ir kuo stipresniame gravitaciniame lauke esate, tuo labiau laikas sulėtėja.
Tai vaidina svarbų vaidmenį filme, kai tyrėjai susiduria su juodąja skyle kitos saulės sistemos centre.
Penktosios dimensijos Visata
Albertas Einšteinas pastaruosius 30 savo gyvenimo metų paskyrė vystymuisi. Visko teorija"kuris apjungtų matematines gravitacijos sąvokas su kitomis trimis pagrindinėmis gamtos jėgomis: stipriąja, silpnąja ir elektromagnetine jėga. Jam, kaip ir kitiems fizikai, nepasisekė.
Kai kurie fizikai mano, kad vienintelis būdas išspręsti šią mįslę yra suvokti savo Visata kaip 5, o ne 4 dimensijos, kaip pasiūlė Einšteinas reliatyvumo teorijoje, kur trimatė erdvė derinama su vienmačiu laiku.
Filme mūsų visata pristatoma 5 dimensijomis, o gravitacija visame tame vaidina svarbų vaidmenį.
Mūsų trimatė visata gali būti laikoma plokščia membrana (arba „brana“), plūduriuojančia keturių dimensijų hipererdvėje.
Anonsas „Tarpžvaigždinis“ 2014 m
Pabandysiu atsakyti į kelis žiūrovų klausimus apie filmą.
1) Kodėl Gargantua juodoji skylė filme atrodo taip?
„Interstellar“ yra pirmasis ilgametražis filmas kino istorijoje, kuriame panaudota juodosios skylės vizualizacija, pagrįsta fiziniu ir matematiniu modeliu. Simuliacijas atliko 30 specialistų komanda (Pavelo Franklino vizualinių efektų skyrius), bendradarbiaudama su Kipu Thorne'u – visame pasaulyje žinomu teoriniu fiziku, žinomu savo darbais gravitacijos teorijos, astrofizikos ir kvantinių matavimų teorijos srityse. Vienas kadras užtruko apie 100 valandų, o iš viso modeliui buvo išleista apie 800 terabaitų duomenų.
Thorne'as ne tik sukūrė matematinį modelį, bet ir parašė specializuotą programinę įrangą (CGI), kuri leido jam sukurti kompiuterinį vizualizacijos modelį.
Štai ką padarė Tornas:
Žinoma, teisinga užduoti klausimą: ar Thorne'o modeliavimas yra pirmasis mokslo istorijoje? Ir ar Thorne'o įvaizdis yra kažkas, kas anksčiau nebuvo matyta mokslinėje literatūroje? Zinoma kad ne.
Jeanas Pierre'as Luminet iš Paryžiaus-Mudono observatorijos, reliatyvistinės astrofizikos ir kosmologijos skyriaus, kuris taip pat visame pasaulyje garsėja savo darbais juodųjų skylių ir kosmologijos srityje, yra vienas pirmųjų mokslininkų, kompiuteriniu modeliavimu gavęs juodosios skylės vaizdą. 1987 m. buvo išleista jo knyga „Juodosios skylės: populiarus įvadas“, kurioje jis rašo:
„Pirmuosius kompiuterinius juodosios skylės, apsuptos akreciniu disku, vaizdus gavau aš (Luminet, J.-P. (1979): Astron. Astrophys.). Subtilesnius skaičiavimus atliko Markas (Marck, J.-A. (1993): Class. Quantum Grav) ir Schwarzschildo metrikai, ir besisukančios juodosios skylės atveju. Tikėtinus vaizdus – tai yra, apskaičiuotus atsižvelgiant į erdvės kreivumą, raudonąjį poslinkį ir fizines disko savybes – galima gauti savavališkame taške net įvykių horizonte. Netgi buvo sukurtas filmas, rodantis, kaip šie iškraipymai kinta jiems judant laikui būdinga trajektorija aplink juodąją skylę (Delesalle, Lachieze-Rey ir Luminet, 1993). Paveikslas yra vienas iš jo kadrų, skirtų judėjimui pakabinta paraboline trajektorija.
Paaiškinimas, kodėl vaizdas atrodo būtent taip:
„Dėl erdvėlaikio kreivumo, esančio šalia juodosios skylės, sistemos vaizdas gerokai skiriasi nuo elipsių, kurias matytume, jei juodąją skylę pakeistume įprastu mažos masės dangaus kūnu. viršutinė disko pusė formuoja tiesioginį vaizdą, o dėl stipraus iškraipymo matome visą diską (juodoji skylė nuo mūsų neuždengia už jos esančių disko dalių) Disko apatinė dalis taip pat matoma dėl reikšmingas šviesos spindulių kreivumas.
Lumine įvaizdis stebėtinai primena Thorne'o rezultatą, kurį jis gavo praėjus daugiau nei 30 metų po prancūzo darbo!
Kodėl tuomet daugelyje kitų vizualizacijų, tiek straipsniuose, tiek populiariuose mokslo filmuose, juodoji skylė dažnai gali būti matoma visai kitaip? Atsakymas paprastas: kompiuterinis juodosios skylės „piešimas“ pagal matematinį modelį yra labai sudėtingas ir daug laiko reikalaujantis procesas, dažnai netelpantis į kuklius biudžetus, todėl autoriai dažniausiai apsieina ne su dizainerio, o su dizainerio darbu. fizikas.
2) Kodėl Gargantua akrecinis diskas nėra toks įspūdingas, kaip galima pamatyti daugelyje nuotraukų ir mokslo populiarinimo filmų? Kodėl juodoji skylė negalėjo būti parodyta ryškesnė ir įspūdingesnė?
Sujungsiu šį klausimą su šiais klausimais:
3) Yra žinoma, kad juodosios skylės akrecinis diskas yra labai intensyvios spinduliuotės šaltinis. Astronautai tiesiog numirtų, jei priartėtų prie juodosios skylės.
Ir tikrai taip. Juodosios skylės yra ryškiausių ir energingiausių radiacijos šaltinių visatoje varikliai. Remiantis šiuolaikinėmis koncepcijomis, kvazarų, kurie kartais šviečia ryškiau nei šimtai galaktikų kartu, širdis yra juodoji skylė. Savo gravitacija jis pritraukia didžiules materijos mases, priversdamas ją subyrėti mažame plote esant neįsivaizduojamai dideliam slėgiui. Ši medžiaga įkaista, joje vyksta branduolinės reakcijos, sklindančios galingos rentgeno ir gama spinduliuotės.
Taip dažnai brėžiamas klasikinis juodosios skylės akrecinis diskas:
Jei Gargantua būtų tokia, tai toks akrecinis diskas savo spinduliuote nužudytų astronautus. Thorne'o juodosios skylės sankaupa nėra tokia tanki ir masyvi, pagal jo modelį disko temperatūra nėra aukštesnė nei saulės paviršiaus. Taip yra daugiausia dėl to, kad Gargantua yra supermasyvi juodoji skylė, sverianti mažiausiai 100 milijonų kartų daugiau nei saulės masė, o jos spindulys yra vieno astronominio vieneto spindulys.
Tai ne tik supermasyvi, bet ir itin masyvi juodoji skylė. Netgi Paukščių Tako centre esanti juodoji skylė, įvairiais vertinimais, turi 4-4,5 milijono Saulės masių.
Nors Gargantua toli gražu nėra rekordininkė. Pavyzdžiui, skylės galaktikoje NGC 1277 masė yra 17 milijardų saulės.
Nuo devintojo dešimtmečio Thorne'ą neramina idėja įsivaizduoti tokį eksperimentą, kurio metu žmonės tyrinėja juodąją skylę. Jau savo knygoje „Juodosios skylės ir laiko klostės. Einšteino drąsus palikimas, išleistas 1990 m., Thorne'as nagrinėja hipotetinį tarpžvaigždinių kelionių modelį, kuriame mokslininkai tiria juodąsias skyles, norėdami kuo arčiau priartėti prie įvykių horizonto, kad geriau suprastų jo savybes.
Tyrėjai pradeda nuo mažos juodosios skylės. Jiems tai visiškai netinka, nes jos sukuriamos potvynio jėgos yra per didelės ir pavojingos gyvybei. Jie pakeičia tyrimo objektą masyvesne juodąja skyle. Tačiau tai jų irgi netenkina. Galiausiai jie patraukia link milžiniškos Gargantua.
Gargantua yra šalia kvazaro 3C273 - tai leidžia palyginti dviejų skylių savybes.
Stebėdami juos, mokslininkai klausia savęs:
„Skirtumas tarp „Gargantua“ ir „3C273“ atrodo stebinantis: kodėl tūkstantį kartų didesnė už savo masę ir dydį „Garnatua“ neturi tokio apvalaus dujų ir milžiniškų kvazarų purkštukų?
Gargantua akrecinis diskas yra gana šaltas, nėra masyvus ir neišskiria tiek energijos, kiek kvazaro. Kodėl?
"Po teleskopinių tyrimų Bretas randa atsakymą: kartą per kelis mėnesius aplink centrinę skylę 3C273 skriejanti žvaigždė priartėja prie horizonto ir yra suplėšyta juodosios skylės potvynio jėgų. Šios šviežios dujos kompensuoja dujas, kurias spurga nuolat tiekia į skylę ir purkštukus, todėl bagelis ir purkštukai palaiko savo dujų atsargas ir toliau ryškiai šviečia.
Bretas paaiškina, kad žvaigždės taip pat gali priartėti prie Gargantua. Tačiau kadangi Gargantua yra daug didesnė nei 3C273, jos potvynio jėgos virš įvykių horizonto yra per silpnos, kad suplėšytų žvaigždę. Gargantua praryja žvaigždes visas, neaptaškydamas jų vidų į aplinkinį bagelį. Ir be spurgos Gargantua negali sukurti purkštukų ir kitų kvazarų savybių.
Kad aplink juodąją skylę egzistuotų didžiulis spinduliuojantis diskas, turi būti statybinė medžiaga, iš kurios jis gali susidaryti. Kvazare tai yra tankūs dujų debesys, esantys labai arti žvaigždės juodosios skylės. Čia yra klasikinis akrecijos disko formavimo modelis:
Tarpžvaigždinis rodo, kad ten esantis didžiulis susikaupimo diskas tiesiog neturi iš ko atsirasti. Sistemoje nėra tankių debesų ar šalia esančių žvaigždžių. Jei kažkas buvo, vadinasi, visa tai seniai suvalgyta.
Gargantua pasitenkina mažo tankio tarpžvaigždinių dujų debesimis, sukuriančiais silpną, „žemos temperatūros“ kaupimosi diską, kuris neišspinduliuoja taip intensyviai kaip klasikiniai kvazarų ar dvejetainių diskų. Todėl Gargantua disko spinduliuotė astronautų neužmuš.
Thorne'as žurnale „Tarpžvaigždinis mokslas“ rašo:
"Tipiškas akrecinis diskas turi labai intensyvius rentgeno, gama ir radijo spindulius. Toks stiprus, kad sukels bet kurį astronautą, kuris nori būti šalia. Filme parodytas Gargantua diskas yra labai silpnas diskas." Silpnas "yra, Žinoma, ne pagal žmogaus standartus, o pagal tipiškus kvazarų standartus. Užuot įkaitintas iki šimtų milijonų laipsnių, kaip kvazaro akrecijos diskai, Gargantua diskas yra tik keli tūkstančiai laipsnių įkaitusi, maždaug saulės paviršius. spinduliai. Tokie diskai gali egzistuoja vėlesniuose juodųjų skylių evoliucijos etapuose. Todėl Gargantua diskas visiškai skiriasi nuo paveikslo, kurį dažnai matote įvairiuose populiariuose astrofizikos šaltiniuose.
Ar Kipas Thorne'as yra vienintelis, kuris pareiškė, kad aplink juodąsias skyles egzistuoja šaltos akrecijos diskai? Zinoma kad ne.
Mokslinėje literatūroje ilgą laiką buvo tiriami juodųjų skylių šaltojo akrecijos diskai:
Remiantis kai kuriais pranešimais, Paukščių Tako Šaulio A * (Sgr A *) centre esanti supermasyvi juodoji skylė turi tą patį šalto akrecijos diską:
Aplink mūsų centrinę juodąją skylę gali būti neaktyvi šalto priaugimo diskas likę (dėl mažo klampumo) iš Sgr A * „turbulentinės jaunystės“, kai akrecijos greitis buvo didelis. Dabar šis diskas „siurbia“ karštas dujas, neleisdamas joms įkristi į juodąją skylę: dujos nusėda diske gana dideliais atstumais nuo juodosios skylės.
c) artimos žvaigždės ir neaktyvus akrecijos diskas Sgr A*: užtemimai ir blyksniai
Sergejus Najakšinas1 ir Rašidas Sunyajevas. // 1. Max-Planck-Institut fur Astrophysik, Karl-Schwarzschild-Str. Garching, Vokietija 2. Kosmoso tyrimų institutas, Maskva, Russi
Arba Swan X-1:
Atlikta daugybės RXTE observatorijos stebėjimų, susijusių su juodųjų skylių Cygnus X-1, GX339-4 ir GS1354-644 mažo spektro būsenoje, besikaupiančių 1996-1998 m., spektrinė ir laiko analizė. Visiems trims šaltiniams buvo nustatyta koreliacija tarp chaotiško kintamumo būdingų dažnių ir spektrinių parametrų – Comptonized spinduliuotės spektro nuolydžio ir atspindėto komponento santykinės amplitudės. Ryšys tarp atspindėto komponento amplitudės ir komponizacijos spektro nuolydžio rodo, kad atspindinti terpė ( šalto priaugimo diskas) yra pagrindinis minkštųjų fotonų tiekėjas Comptonization regione.
c) Pranešimas SPIE organizacijos konferencijoje „Astronominiai teleskopai ir instrumentai“, 2000 m. kovo 21–31 d., Miunchenas, Vokietija
Sąveika tarp žvaigždžių ir an Neaktyvus akrecijos diskas Galaktikos branduolyje // Vladimır Karas. Astronomijos institutas, Mokslų akademija, Praha, Čekija ir
c) Karolio universitetas, Matematikos ir fizikos fakultetas, Praha, Čekija // Ladislav Subr. Karolio universitetas, Matematikos ir fizikos fakultetas, Praha, Čekija
„Ramios“ juodosios skylės yra panašios į skylę Andromedos ūke – vienoje pirmųjų atrastų supermasyvių juodųjų skylių. Jo masė yra apie 140 milijonų saulės masių. Tačiau jie tai nustatė ne dėl stiprios spinduliuotės, o dėl būdingo žvaigždžių judėjimo šioje srityje. Šių galaktikų branduoliui būdinga „kvazarinė“ spinduliuotė. Ir astrofizikai padarė išvadą, kad materija tiesiog nepatenka į šią juodąją skylę. Ši situacija būdinga „tylioms“ galaktikoms, tokioms kaip Andromedos ūkas ir Paukščių Takas.
Galaktikos su aktyviomis juodosiomis skylėmis vadinamos aktyviosiomis arba Seiferto galaktikomis. Seiferto galaktikos apima apie 1% visų pastebėtų spiralinių galaktikų.
Kaip Andromedos ūke buvo rasta supermasyvi juodoji skylė, gerai iliustruoja BBC populiariosios mokslo juostos „Supermasyvios juodosios skylės“.
4) Yra žinoma, kad juodosios skylės turi mirtinų potvynio jėgų. Ar jie nesuplėšys ir astronautų, ir Millerio planetos, kuri filme yra per arti įvykių horizonto?
Net lakoniškoje Vikipedijoje rašoma apie vieną svarbią supermasyvios juodosios skylės savybę:
„Potvynių ir atoslūgių jėgos netoli įvykių horizonto yra žymiai silpnesnės, nes centrinis singuliarumas yra taip toli nuo horizonto, kad hipotetinis astronautas, keliaujantis į juodosios skylės centrą, nepajus ekstremalių potvynių jėgų, kol nepasiners į ją labai giliai.
Su tuo sutinka visi moksliniai ir populiarūs šaltiniai, aprašantys supermasyvių juodųjų skylių savybes.
Taško, kuriame potvynio jėgos pasiekia tokį dydį, kad jos sunaikina į ją patekusį objektą, vieta priklauso nuo juodosios skylės dydžio. Supermasyvioms juodosioms skylėms, pvz., esančioms Galaktikos centre, šis taškas yra jų įvykių horizonte, todėl hipotetinis astronautas gali kirsti jų įvykių horizontą nepastebėdamas jokių deformacijų, tačiau peržengęs įvykių horizontą, jis nukrenta į centrą. juodoji skylė jau neišvengiama... Mažose juodosiose skylėse, kurių Schwarzschildo spindulys yra daug arčiau singuliarumo, potvynio jėgos nužudys astronautą dar jam nepasiekus įvykių horizonto.
c) Schwarzschildo juodosios skylės // Bendrasis reliatyvumas: įvadas fizikai. - Cambridge University Press, 2006. - P. 265. - ISBN 0-521-82951-8.
Žinoma, Gargantua masė buvo pasirinkta taip, kad jos nesudraskytų astronautų potvyniai.
Verta paminėti, kad 1990-ųjų Thorn Gargantua yra šiek tiek masyvesnė nei tarpžvaigždinė:
„Skaičiavimai parodė, kad kuo didesnė skylė, tuo mažesnė trauka reikalinga, kad raketa išlaikytų ją 10001 įvykių horizonto perimetru. Kad būtų skausminga, bet pakenčiama 10 Žemės g stūmos jėga, skylės masė turėtų būti 15 trilijonų saulės masių. Artimiausia iš šių skylių vadinama Gargantua, esanti 100 000 šviesmečių nuo mūsų galaktikos ir 100 milijonų šviesmečių nuo Mergelės galaktikų spiečiaus, aplink kurią sukasi Paukščių Takas. Tiesą sakant, jis yra netoli kvazaro 3C273, 2 milijardai šviesmečių nuo Paukščių Tako ...
Eidami į Gargantua orbitą ir atlikdami įprastus matavimus, įsitikinsite, kad jos masė iš tikrųjų yra lygi 15 trilijonų saulės masių ir kad ji sukasi labai lėtai. Iš šių duomenų apskaičiuojate, kad jo horizonto apimtis yra 29 šviesmečiai. Galiausiai, ji tikisi, kad tai bus skylė, kurią galėsite tyrinėti patirdami leistinas potvynio jėgas ir pagreitį!
Savo 2014 m. knygoje „Tarpžvaigždinis mokslas“, kur Kipas Thorne'as aprašo mokslinius darbo prie filmo aspektus, jis jau cituoja 100 milijonų saulės masių skaičių, tačiau pažymi, kad tai yra mažiausia masė, kuri gali būti „patogi“ Juodosios skylės potvynio jėgų atžvilgiu.
5) Kaip Millerio planeta galėjo egzistuoti taip arti juodosios skylės? Ar jis suplėšys jį potvynio jėgomis?
Astronomas Philas Plainte'as, žinomas pravarde „Blogas astronomas“ dėl savo nežaboto skepticizmo, tiesiog negalėjo aplenkti tarpžvaigždinio. Be to, prieš tai jis savo nuobodžiu skepticizmu piktybiškai sunaikino daugybę sensacingų filmų, pavyzdžiui, „Gravitacija“.
„Labai laukiau Interstellar.. Bet tai, ką pamačiau, buvo baisu. Tai visiška nesėkmė. Man ne viskas labai labai patiko“– rašo jis savo straipsnyje lapkričio 6 d.
Philas moksliškai sako, kad filmas yra visiška nesąmonė. Tai net hipotetinėje sistemoje negali atitikti šiuolaikinių mokslo idėjų. Jis ypač važinėjo aplink Millerio planetą. Pasak jo, planeta gali stabiliai suktis aplink tokią juodąją skylę, tačiau jos orbita turėtų būti bent tris kartus didesnė už pačią Gargantua. Laikrodis veiks lėčiau nei Žemėje, bet tik 20 proc. Planetos, esančios netoli juodosios skylės, stabilumas, kaip parodyta filme, yra neįmanomas išradimas. Be to, jį visiškai suplėšys juodosios skylės potvynio jėgos.
Tačiau lapkričio 9 d. Plaint pasirodo su nauju straipsniu. Jis jai skambina Tolesni veiksmai: tarpžvaigždinė Mea Culpa... Neišmatuojamas mokslo kritikas nusprendė atgailauti.
„Aš vėl suklydau. Bet nepaisant mano klaidų masto, visada stengiuosi jas pripažinti. Galų gale, pats mokslas verčia mus pripažinti savo klaidas ir iš jų mokytis!
Philas Plaintas pripažino, kad padarė klaidų savo svarstymuose ir padarė klaidingas išvadas:
„Savo apžvalgoje kalbėjau apie Millerio planetą, skriejančią netoli juodosios skylės. Planetoje praleista valanda prilygsta septyneriems Žemės metams. Mano tvirtinimas buvo toks, kad su tokiu laiko išsiplėtimu stabili planetos orbita būtų neįmanoma.
Ir tai tiesa... nesisukančiai juodajai skylei. Mano klaida buvo. kad nenaudojau teisingų lygčių juodajai skylei, kuri greitai sukasi! Tai labai pakeičia erdvės ir laiko vaizdą šalia juodosios skylės. Dabar suprantu, kad stabili šios planetos orbita aplink juodąją skylę gali egzistuoti ir taip arti įvykių horizonto, kad galimas filme nurodytas laiko išsiplėtimas. Apskritai aš klydau.
Savo pirminėje analizėje taip pat įrodinėjau, kad gravitaciniai potvyniai suplėšys šią planetą. Pasitariau su pora astrofizikų, kurie taip pat sakė, kad Gargantua potvyniai tikriausiai turėtų sunaikinti planetą, tačiau matematiškai tai dar nepatvirtinta. Jie vis dar sprendžia šią problemą – kai tik ji bus išspręsta, paskelbsiu sprendimą. Aš pats negaliu pasakyti, ar aš buvau teisus, ar neteisus analizuodamas – ir net jei buvau teisus, mano svarstymai vis tiek buvo tik apie nesisukančią juodąją skylę, todėl šiuo atveju jie negalioja.
Norint išspręsti tokią problemą, reikia aptarti daugybę matematinių uždavinių. Bet aš tiksliai nežinau, kiek Milerio planeta buvo toli nuo Gargantua, todėl labai sunku pasakyti, ar potvyniai ją sunaikins, ar ne. Dar neskaičiau fiziko ir Kipo Thorne'o filmo „Tarpžvaigždinis mokslas“ vykdomojo prodiuserio knygos – manau, kad ji šiek tiek paaiškins šią problemą.
Tačiau klydau dėl orbitos stabilumo – ir dabar jaučiu pareigą atšaukti šį savo teiginį apie filmą.
Taigi, apibendrinant: fizinis vaizdas prie juodosios skylės, parodytas filme, iš tikrųjų atitinka mokslą. Padariau klaidą, už kurią atsiprašau.
Jorko universiteto fizikas teorinis Ikjyotas Singhas Kohlis savo puslapyje pateikė lygčių sprendimus, įrodydamas, kad Millerio planetos egzistavimas yra visiškai įmanomas.
Jis rado sprendimą, kuriame planeta egzistuos filme parodytomis sąlygomis. Tačiau jis taip pat aptarė potvynių ir atoslūgių jėgų, kurios tariamai turėtų sugriauti planetą, problemą. Jo sprendimas rodo, kad potvynio jėgos yra per silpnos, kad ją sulaužytų.
Jis netgi pagrindė milžiniškų bangų buvimą planetos paviršiuje.
Singho Kohli svarstymai su lygčių pavyzdžiais čia:
Štai kaip Miller Thorne planeta randama jo knygoje:
Yra taškų, kuriuose orbita bus nestabili. Tačiau Thorne'as taip pat rado stabilią orbitą:
Potvynių jėgos planetą neplėšia, o deformuoja:
Jei planeta sukasi aplink potvynio jėgų šaltinį, tada jos nuolat keis savo kryptį, įvairiais būdais deformuodamos ją skirtinguose orbitos taškuose. Vienoje padėtyje planeta bus plokščia iš rytų į vakarus ir pailgėjusi iš šiaurės į pietus. Kitame orbitos taške jis suspaustas iš šiaurės į pietus ir ištemptas iš rytų į vakarus. Kadangi Gargantua gravitacija yra tokia didelė, besikeičiančios vidinės deformacijos ir trintis įkaitins planetą, todėl ji bus labai karšta. Tačiau, kaip matėme filme, Millerio planeta atrodo visai kitaip.
Todėl būtų teisinga manyti, kad planeta visada yra viena puse pasukta į Gargantua. Ir tai natūralu daugeliui kūnų, kurie sukasi aplink stipresnį gravituojantį objektą. Pavyzdžiui, mūsų Mėnulis, daugelis Jupiterio ir Saturno palydovų visada yra pasukti į planetą tik viena puse.
Thorne'as taip pat aptarė kitą svarbų dalyką:
„Jei pažvelgtumėte į Millerio planetą iš Manno planetos, pamatytumėte, kaip ji sukasi aplink Gargantua su 1,7 valandos orbitos periodu ir per tą laiką įveikia beveik milijardą kilometrų. Tai maždaug pusė šviesos greičio! Dėl sulėtėjusio „Ranger“ ekipažo laiko šis laikotarpis sutrumpėja iki dešimtosios sekundės. Tai labai greita! Ir argi tai nėra daug greitesnis už šviesos greitį? Ne, nes sistemoje, kurioje pranešama apie sūkurį panašią judančią erdvę aplink Gargantua, planeta juda lėčiau nei šviesa.
Mano moksliniame filmo modelyje planeta visada viena puse pasukta į juodąją skylę ir sukasi didžiuliu greičiu. Ar išcentrinės jėgos suplėšys planetą dėl tokio greičio? Ne: ją vėl gelbsti besisukantis erdvės sūkurys. Planeta nejaus destruktyvių išcentrinių jėgų, nes pati erdvė sukasi su ja tuo pačiu greičiu.
6) Kaip Milerio planetos paviršiuje gali atsirasti tokios milžiniškos bangos?
Thorne'as į šį klausimą atsako taip:
„Padariau reikiamus fizikinius skaičiavimus ir radau dvi galimas mokslines interpretacijas.
Abu šie sprendimai reikalauja, kad planetos sukimosi ašis būtų nestabili. Planeta turėtų svyruoti tam tikrame diapazone, kaip parodyta paveikslėlyje. Tai atsitinka veikiant Gargantua gravitacijai.
Kai apskaičiavau šio svyravimo laikotarpį, gavau maždaug valandos reikšmę. Ir tai sutapo su laiku, kurį pasirinko Chrisas – jis dar nežinojo apie mano mokslinę interpretaciją!
Mano antrasis modelis yra cunamis. Gargantua potvynio jėgos gali deformuoti Millerio planetos plutą per tą patį laikotarpį (1 valanda). Šios deformacijos gali sukelti labai stiprius žemės drebėjimus. Jie gali sukelti cunamius, kurie gerokai viršys visus Žemėje matytus.
7) Kaip tokie neįtikėtini „Endurence“ ir „Ranger“ manevrai įmanomi Gargantua orbitoje?
1) Ištvermė juda stovėjimo orbita, kurios spindulys lygus 10 Gargantua spindulio, o įgula, einanti į Millerio stotį, juda C / 3 greičiu. Millerio planeta juda 55% S greičiu.
2) Reindžeris turi sumažinti greitį nuo C / 3 iki mažesnio, kad sumažintų orbitą ir priartėtų prie Millerio taško. Sulėtėja iki s / 4 ir pasiekia planetos apylinkes (žinoma, čia reikia griežtai skaičiuoti, kad ten patektum. Bet kompiuteriui tai ne problema)
Tokio reikšmingo greičio pokyčio mechanizmą aprašo Thorne'as:
„Žvaigždės ir mažos juodosios skylės sukasi aplink milžiniškas juodąsias skyles, tokias kaip Gargantua. Būtent jie gali sukurti lemiamas jėgas, kurios nukreips Rangerį iš jo žiedinės orbitos ir nusiųs į Gargantua. Panašią gravitacijos pagalbą NASA dažnai naudoja Saulės sistemoje, nors ji naudoja planetų, o ne juodųjų skylių gravitaciją. Šio manevro detalės neatskleidžiamos „Interstellar“, tačiau pats manevras minimas, kai kalbama apie neutroninės žvaigždės panaudojimą greičiui sulėtinti.
Neutroninę žvaigždę pavaizduoja Thornas paveikslėlyje:
Pasimatymas su neutronine žvaigžde leidžia keisti greitį:
„Toks požiūris gali būti labai pavojingas; Reindžeris turi priartėti pakankamai arti neutroninės žvaigždės (arba mažos juodosios skylės), kad pajustų stiprią gravitaciją. Jei stabdoma žvaigždė ar juodoji skylė, kurios spindulys yra mažesnis nei 10 000 km, tada žmones ir reindžerį suplėšys potvynio jėgos. Todėl neutroninė žvaigždė turėtų būti bent 10 000 km dydžio.
Aptariau šį klausimą su Nolanu kurdamas scenarijų ir pasiūliau pasirinkti juodąją skylę arba neutroninę žvaigždę. Nolanas pasirinko neutroninę žvaigždę. Kodėl? Nes jis nenorėjo suklaidinti publikos dviem juodosiomis skylėmis.
„Juodosios skylės, vadinamos IMBH (Intermediate-Mass Black Holes), yra dešimt tūkstančių kartų mažesnės už Gargantua, bet tūkstantį kartų sunkesnės už įprastas juodąsias skyles. Cooperiui reikia tokio nukreipiklio. Manoma, kad kai kurie IMBH formuojasi rutuliniuose klasteriuose, o kai kurie randami galaktikų šerdyje, kuriose taip pat yra milžiniškų juodųjų skylių. Artimiausias pavyzdys yra Andromedos ūkas, arčiausiai mūsų esanti galaktika. Andromedos šerdyje slypi skylė, panaši į Gargantua – apie 100 milijonų saulės masių. Kai IMBH eina per bet kurį regioną, kuriame yra tanki žvaigždžių populiacija, „dinaminės trinties“ poveikis sulėtina IMBH greitį, ir jis krenta vis žemiau, arčiau ir arčiau milžiniškos juodosios skylės. Dėl to IMBH atsiduria netoli supermasyvios juodosios skylės. Taigi gamta galėtų Cooperiui suteikti tokį gravitacinio nukreipimo šaltinį.
Pamatykite tikrąjį „gravitacinio timpa“ pritaikymą tarpplanetinių erdvėlaivių pavyzdyje – pavyzdžiui, peržiūrėkite „Voyagers“ istoriją.
Mokslas
Neseniai pasirodęs vizualiai įtraukiantis filmas „Inrestellar“ yra paremtas tikromis mokslinėmis koncepcijomis, tokiomis kaip besisukančios juodosios skylės, kirmgraužos ir laiko išsiplėtimas.
Bet jei nesate susipažinę su šiomis sąvokomis, žiūrėdami galite šiek tiek susipainioti.
Filme kosmoso tyrinėtojų komanda keliauja į ekstragalaktinė kelionė per kirmgraužą... Kita vertus, jie patenka į kitą saulės sistemą, kurioje vietoj žvaigždės yra besisukanti juodoji skylė.
Jie lenktyniauja su erdve ir laiku, kad užbaigtų savo misiją. Ši kelionė į kosmosą gali atrodyti šiek tiek paini, tačiau ji pagrįsta pagrindiniais fizikos principais.
Čia yra pagrindiniai 5 fizikos sąvokos Norėdami suprasti „Interstellar“, turite žinoti:
Dirbtinė gravitacija
Didžiausia problema, su kuria mes, žmonės, susiduriame ilgų kelionių kosmose metu nesvarumas... Mes gimėme Žemėje, o mūsų kūnas prisitaikė prie tam tikrų gravitacinių sąlygų, tačiau ilgai būnant kosmose pradeda silpti raumenys.
Su šia problema susiduria ir filmo „Tarpžvaigždiniai“ herojai.
Norėdami su tuo susidoroti, mokslininkai kuria dirbtinė gravitacija erdvėlaiviuose... Vienas iš būdų tai padaryti – pasukti erdvėlaivį, kaip filme. Sukimasis sukuria išcentrinę jėgą, kuri stumia objektus prie išorinių laivo sienų. Šis atstūmimas panašus į gravitaciją, tik priešinga kryptimi.
Tai yra dirbtinės gravitacijos forma, kurią patiriate, kai važiuojate nedideliu spinduliu kreivę ir jaučiatės išstumti į išorę nuo centrinio kreivės taško. Besisukančiame erdvėlaivyje sienos jums tampa grindimis.
Besisukanti juodoji skylė erdvėje
Astronomai, nors ir netiesiogiai, pastebėjo mūsų visatoje besisukančių juodųjų skylių... Niekas nežino, kas yra juodosios skylės centre, bet mokslininkai turi tam pavadinimą -singuliarumas .
Besisukančios juodosios skylės iškreipia erdvę aplink jas kitaip nei stacionarios juodosios skylės.
Šis iškraipymo procesas vadinamas „inerciniu trupmeniniu tempimu“ arba objektyvo ištempimo efektu, ir jis turi įtakos juodosios skylės išvaizdai, iškraipydamas erdvę, o dar svarbiau – erdvėlaikį aplink ją. Juodosios skylės, kurią matote filme, pakankalabai artima mokslinei koncepcijai.
- Erdvėlaivis „Endurance“ keliauja į Gargantua - išgalvota supermasyvi juodoji skylė kurių masė 100 milijonų kartų didesnė už Saulę.
- Jis yra 10 milijardų šviesmečių nuo Žemės, o aplink ją sukasi kelios planetos. Gargantua sukasi stulbinančiu 99,8 procento šviesos greičiu.
- Garagantua akreciniame diske yra dujų ir dulkių, kurių temperatūra atitinka Saulės paviršių. Diskas aprūpina Gargantua planetas šviesa ir šiluma.
Sudėtinga juodosios skylės išvaizda plėvelėje atsirado dėl to, kad akrecinio disko vaizdas iškraipomas dėl gravitacinio lęšio. Vaizde atsiranda du lankai: vienas suformuotas virš juodosios skylės, kitas – po ja.
Kurmio skylė
Kirmgrauža arba kirmgrauža, kurią įgula naudojo filme „Interstellar“, yra vienas iš filmo reiškinių, kurių egzistavimas neįrodytas... Tai hipotetiška, bet labai patogu sci-fi istorijų siužetuose, kur reikia įveikti didelį kosminį atstumą.
Tiesiog kirmgraužos yra savotiškos trumpiausias kelias per erdvę... Bet koks masės objektas sukuria erdvėje urvą, o tai reiškia, kad erdvę galima ištempti, deformuoti ir net sulankstyti.
Kirmgrauža yra tarsi raukšlė erdvės (ir laiko) audinyje, jungianti du labai tolimus regionus, o tai padeda kosmoso keliautojams įveikti ilgą atstumą per trumpą laiką.
Oficialus kirmgraužos pavadinimas yra „Einšteino-Roseno tiltas“, kurį pirmą kartą pasiūlė Albertas Einšteinas ir jo kolega Nathanas Rosenas 1935 m.
- 2D diagramose kirmgraužos anga pavaizduota kaip apskritimas. Tačiau jei matytume kirmgraužą, ji atrodytų kaip rutulys.
- Sferos paviršiuje gravitaciškai iškreiptas erdvės vaizdas būtų matomas iš kitos „skylės“ pusės.
- Plėvelėje esančios kirmgraužos matmenys yra 2 km skersmens, o transportavimo atstumas – 10 milijardų šviesmečių.
Gravitacinis laiko išsiplėtimas
Gravitacinis laiko išsiplėtimas yra realus reiškinys, stebimas Žemėje. Atsiranda todėl, laiko santykinis... Tai reiškia, kad skirtingoms koordinačių sistemoms jis teka skirtingai.
Kai esate stiprioje gravitacinėje aplinkoje, laikas jums teka lėčiau palyginti su žmonėmis silpnoje gravitacinėje aplinkoje.
Visata kupina daugybės paslapčių. Įvairių struktūra ir ypatumai, tarpplanetinių kelionių galimybė patraukia ne tik mokslininkų, bet ir mokslinės fantastikos gerbėjų dėmesį. Natūralu, kad patraukliausia yra tai, kas turi unikalių savybių, kuri dėl įvairių aplinkybių nebuvo pakankamai ištirta. Tokie objektai apima juodąsias skyles.
Juodosios skylės turi labai didelį tankį ir neįtikėtinai didelę gravitacijos jėgą. Net šviesos spinduliai negali iš jų ištrūkti. Štai kodėl mokslininkai gali „pamatyti“ juodąją skylę tik dėl jos veikimo aplinkinėje erdvėje. Netoli juodosios skylės materija įkaista ir juda labai dideliu greičiu. Ši dujinė medžiaga vadinama akreciniu disku, kuris atrodo kaip plokščias šviečiantis debesis. Mokslininkai stebi rentgeno spindulius iš akrecinio disko per rentgeno teleskopus. Jie taip pat fiksuoja didžiulį žvaigždžių judėjimo greitį savo orbitose, kurį lemia didžiulė nematomo didžiulės masės objekto gravitacija. Astronomai išskiria tris juodųjų skylių klases:
Juodosios skylės su žvaigždžių mase
Vidutinės masės juodosios skylės
Supermasyvios juodosios skylės.
Žvaigždžių mase laikoma nuo trijų iki šimto Saulės masių. Supermasyvios juodosios skylės vadinamos, turinčios nuo šimtų tūkstančių iki kelių milijardų saulės masių. Paprastai jie randami galaktikų centre.
Antrasis kosminis greitis arba pabėgimo greitis yra minimumas, kurį reikia pasiekti norint įveikti gravitacinį trauką ir peržengti tam tikro dangaus kūno orbitą. Žemei pabėgimo greitis siekia vienuolika kilometrų per sekundę, o juodosios skylės – daugiau nei trys šimtai tūkstančių, štai kokia stipri jos gravitacija! 
Juodosios skylės riba vadinama įvykių horizontu. Jo viduje pagautas daiktas nebegali palikti šios zonos. Įvykio horizonto dydis yra proporcingas juodosios skylės masei. Norėdami parodyti, koks didžiulis yra juodųjų skylių tankis, mokslininkai pateikia tokius skaičius – juodoji skylė, kurios masė 10 kartų didesnė už Saulės masę, būtų maždaug 60 km skersmens, o juodosios skylės, kurios masė mūsų Žemės – tik 2 cm. Tačiau tai tik teoriniai skaičiavimai, nes juodųjų skylių, kurios nepasiekė trijų Saulės masių, mokslininkai dar nenustatė. Viskas, kas patenka į įvykių horizontą, juda singuliarumo link. Singuliarumas, paprasčiau tariant, yra vieta, kur tankis linkęs į begalybę. Neįmanoma nubrėžti geodezinės linijos, įeinančios į ją per gravitacinį singuliarumą. Juodajai skylei būdingas erdvės ir laiko struktūros kreivumas. Tiesi linija, kuri fizikoje reiškia šviesos judėjimo kelią vakuume, tampa kreive šalia juodosios skylės. Kokie fiziniai dėsniai veikia šalia singuliarumo taško ir tiesiai jame, vis dar nežinoma. Pavyzdžiui, kai kurie tyrinėtojai kalba apie vadinamųjų kirmgraužų arba erdvėlaikio tunelių buvimą juodosiose skylėse. Tačiau ne visi mokslininkai sutinka pripažinti tokių kirmgraužių tunelių egzistavimą.
Kosminių kelionių, erdvėlaikio tunelių tema yra mokslinės fantastikos rašytojų, scenaristų ir režisierių įkvėpimo šaltinis. 2014 metais įvyko filmo „Tarpžvaigždinė“ premjera. Prie jo kūrimo dirbo visa grupė mokslininkų. Jų lyderiu tapo žinomas mokslininkas, gravitacijos teorijos, astrofizikos žinovas – Kipas Stephenas Thorne'as. Šis filmas laikomas vienu moksliškiausių mokslinės fantastikos filmų ir, atitinkamai, kelia jam aukštus reikalavimus. Buvo daug diskusijų apie tai, kiek įvairūs filmo momentai atitinka mokslinius faktus. Net buvo išleista knyga „Tarpžvaigždinis mokslas“, kurioje profesorius Stephenas Thorne'as moksliškai paaiškina įvairias filmo scenas. Jis kalbėjo apie tai, kiek filme yra paremta tiek moksliniais faktais, tiek mokslinėmis prielaidomis. Tačiau yra ir tik išgalvota fantastika. Pavyzdžiui, Gargantua juodoji skylė vaizduojama kaip šviečiantis diskas, kuris lenkiasi aplink šviesą. Tai neprieštarauja mokslo žinioms, nes matosi ne pati juodoji skylė, o tik akrecinis diskas, o šviesa negali judėti tiesia linija dėl galingos gravitacijos ir erdvės kreivumo.
Gargantua juodojoje skylėje yra kirmgrauža, kuri yra kirmgrauža arba tunelis, einantis per erdvę ir laiką. Tokių tunelių egzistavimas juodosiose skylėse yra tik mokslinė prielaida, su kuria daugelis mokslininkų nesutinka. Grožinė literatūra – tai galimybė keliauti tokiu tuneliu ir grįžti atgal.
Gargantua juodoji skylė yra Interstellar kūrėjų fantazija, kuri iš esmės atitinka tikrus kosminius objektus. Todėl ypač aršiems kritikams noriu priminti, kad filmas vis dėlto yra mokslinė fantastika, o ne mokslas. Tai parodo mus supančio pasaulio grožį ir didybę, primena, kiek turime dar neišspręstų problemų. O reikalauti iš mokslinės fantastikos filmo tikslaus moksliškai įrodytų faktų atspindžio yra kiek nedera ir naivu.
Mano vardas Andrejus Kolokoltsevas. Pagal savo darbo pobūdį jau seniai domėjausi pasakojimais apie tai, kaip iškilūs režisieriai, prodiuseriai, studijos susitvarko su tam tikrų vizualinių filmų kūrimu. Pirmajai publikacijai pasirinkau filmą, kuris man tapo audiovizualiniu atradimu ir tikra emocine trauka (žiūrint filmą IMAX ekrane, per televizorių namuose prarandama 2/3 įspūdžių). Neiššoksite iš nuostabos, nes jau viską perskaitėte pavadinime – tai Christopherio Nolano filmas „Tarpžvaigždinis“. Nepaisant to, kad susidomėjimas juo jau seniai išblėso, noriu jūsų dėmesiui pateikti nemokamą originalaus Mike'o Seymouro straipsnio „Tarpžvaigždinis: juodojo meno viduje“ vertimą, datą 2014 m. lapkričio 18 d. Šiame straipsnyje pasakojama apie tai, kaip buvo kuriama „Gargantua“ ir kitų filmo scenų vizualizacija – manau, kad ji skaitytojams bus įdomi ir po 1,5 metų.
Tarpžvaigždinis režisierius Christopheris Nolanas paaiškina kvantinės fizikos pagrindus Matthew McConaughey
Specialiųjų efektų ir kompiuterinės grafikos skyriaus darbuotojai labai dažnai susiduria su poreikiu sukurti vizualizaciją to, ko dar niekas nematė. Prie to prisideda šiuolaikinės kino pramonės reikalavimas, kad visa tai atrodytų tikra, nors iš tikrųjų niekas nežino, kaip tai gali atrodyti. Christopherio Nolano filme „Tarpžvaigždinis“ specialiųjų efektų vadovas Paulas Franklinas ir „Double Negative“ komanda turėjo sukurti daiktų vizualizaciją ne iš mūsų dimensijos, be to, kuo artimesnę ne tik kvantinei fizikai ir reliatyvistinei mechanikai, bet ir mūsų bendrai. suprasti kvantinę gravitaciją.
Pasisekė, kad tarp pagrindinės „Double Negative“ komandos buvo Oliveris Jamesas, vyresnysis mokslinis bendradarbis, Oksforde įgijęs optikos ir atominės fizikos išsilavinimą ir giliai išmanantis Einšteino reliatyvistinius dėsnius. Kaip ir Franklinas, jis dirbo su vyriausiuoju prodiuseriu ir moksliniu patarėju Kipu Thorne'u. Thorne'as turėjo apskaičiuoti sudėtingas matematines lygtis ir nusiųsti jas Jamesui, kad jis išverstų į aukštos kokybės atvaizdus. Filmo reikalavimai iškėlė Jamesui užduotį ne tik vizualizuoti skaičiavimus, paaiškinančius šviesos lanko kelius, bet ir vizualizuoti šviesos spindulių, keičiančių savo dydį ir formą, skerspjūvius, keliaujant per juodąją skylę.
Jameso kodas buvo tik dalis bendro sprendimo. Jis dirbo kartu su meno komandos lyderiu ir CGI efektų vadovu Eugene'u von Tanzelmannu, kuris pridėjo akrecijos diską ir taip pat sukūrė galaktiką ir ūką, kurie iškraipo, kai šviesa praeina pro juodąją skylę. Ne mažiau sudėtinga buvo užduotis pademonstruoti, kaip kas nors patenka į keturmatę tesseraktą, sujungtą su mažos mergaitės kambario trimate erdve – ir visa tai taip, kad žiūrovas suprastų, kas apskritai vyksta ekrane.
Šiame straipsnyje aptarsime kai kuriuos „Double Negative“ sukurtus pagrindinius kadrus, taip pat iki jų atliktus mokslinius tyrimus. Atkreipkite dėmesį, kad šioje medžiagoje galimi spoileriai.
Juodosios skylės kūrimas
Ko gero, vienas reikšmingiausių Nolano indėlių siekiant maksimalaus realizmo tikslo yra Gargantua juodosios skylės vaizdavimas. Thorno pagalba filmo kūrėjai stengėsi parodyti šviesos elgesį juodojoje skylėje ir kirmgraužoje. Dėl šio iššūkio „Dvigubas neigiamas“ reikėjo sukurti visiškai naują fizinį atvaizdavimo įrenginį.Juodosios skylės, besisukančios 0,999 didžiausio galimo sukimosi greičio, apskritos pusiaujo orbitos fotoaparato vaizdas. Kamera yra r = 6,03 GM / c ^ 2 atstumu, kur M yra juodosios skylės masė, G ir c yra atitinkamai Niutono konstanta ir šviesos greitis. Juodosios skylės įvykių horizontas yra r = 1,045 GM / c ^ 2 atstumu.
„Kipas man aiškino reliatyvistinį erdvės kreivumą aplink juodąją skylę, – sako Paulas Franklinas. – Laike susukta gravitacija nukreipia šviesą nuo savęs ir sukuria reiškinį, vadinamą Einšteino lęšiu, gravitacinį lęšį aplink juodąją skylę. Ir tą akimirką galvojau, kaip sukurti tokį įvaizdį ir ar yra panašaus grafinio efekto pavyzdžių, kuriais galėtume remtis?
„Pažiūrėjau į paprasčiausias mokslo bendruomenės sukurtas simuliacijas, – priduria Franklinas, – ir pagalvojau, gerai, šio daikto judėjimas toks sudėtingas, kad turėsime sukurti savo versiją nuo nulio. Tada Kipas labai glaudžiai bendradarbiavo su Oliveriu Jamesu, mūsų vyriausiuoju mokslininku, ir jo skyriumi. Jie naudojo Kipo skaičiavimus, kad gautų visus šviesos ir spindulių sekimo kelius aplink juodąją skylę. Be to, Oliveris nagrinėjo neatidėliotinus klausimus, kaip visa tai atgaivinti naudojant mūsų naują atvaizdavimo priemonę DnGR (dvigubas neigiamas bendrasis reliatyvumas).
Naujajam atvaizduotojui reikėjo nustatyti visus svarbiausius skaitmeninės juodosios skylės parametrus. „Galėjome nustatyti greitį, masę ir skersmenį“, – aiškina Franklinas. „Iš esmės tai yra vieninteliai trys parametrai, kuriuos galite pakeisti juodojoje skylėje – tai yra viskas, ką turime išmatuoti. Mes praleidome nepaprastai daug laiko dirbdami su tuo, kaip apskaičiuoti šviesos spindulių kelius aplink juodąją skylę. Visas darbas vyko gana intensyviai – šešis mėnesius vaikinai rašė programinę įrangą. Turėjome ankstyvą juodosios skylės versiją, skirtą filmo parengimo laikotarpiui.
Ramybės esanti juodoji skylė įsibėgėja iki 0,999 galimo sukimosi greičio; tada kamera artėja prie juodosios skylės nuo 10 GM / c ^ 2 spindulio iki spindulio r = 2,60 GM / c ^ 2 ir toliau juda apskrita pusiaujo orbita. Didžiulis juodosios skylės šešėlis iškraipomas į stačiakampę formą dėl fotoaparato vaizdo pavertimo plokščiu ekranu.
Šie ankstyvieji vaizdai buvo naudojami kaip didžiuliai paveikslai laivo išorės fonui, todėl filmuodami aktoriai turėjo į ką žiūrėti. Tai yra, nebuvo naudojamas nei vienas žalias ekranas, tik vėliau „Double Negative“ darbuotojai ankstesnius naudotus vaizdus pakeitė galutiniais, pakoreguodami kai kuriuos žvaigždžių spiečius. „Dauguma astronautų užkulisiuose, kuriuos matote filmo išleidimo metu, – pažymi Franklinas, – yra filmuoti realiame gyvenime. Turėjome daug kadrų, kurie nebuvo įtraukti į bendrą kadrų su vaizdiniais efektais sąrašą, nors buvo atliktas didžiulis darbas juos kuriant.
Šie „tiesioginiai“ filmuota medžiaga tapo įmanoma dėl „Double Negative“ ir mokslų daktaro Hoyte'o Van Hoytem bendradarbiavimo. Gautiems fono vaizdams apšviesti buvo naudojami prožektoriai, kurių bendras šviesos srautas buvo 40 000 liumenų vienoje scenoje.
Tas pats modeliavimas yra tik didesnis. Čia aiškiai matoma per gravitacinį lęšį sklindančios žvaigždėto dangaus šviesos struktūra. Juodosios skylės pakraštyje horizontas juda link mūsų greičiu, artimu šviesos greičiui.
„Remiantis scena, mums reikėjo perkelti ir perkonfigūruoti prožektorius“, - tęsia Franklinas. Vaikinai taip sunkiai dirbo, nes prožektoriai yra didžiuliai gremėzdiški objektai – kiekvienas svėrė apie 270 kilogramų. Turėjome du specialiai pagamintus narvus, pritvirtintus prie didelės elektrinės gervės su galimybe ją atitinkamai perkelti išilgai ir skersai paviljono, galėjome panaudoti prožektoriams dėti. Per radiją vaikinams su prožektoriais aiškinau, kaip juos sukalibruoti, pakeliui kalbėjausi su žmogumi, kuris vairavo krautuvus, važiavusius per aikštelę, kuri buvo tankiai pilna žmonių.
Kurti bangas
Filme Cooperis (Matthew McConaughey), Amelia (Anne Hathaway), Doyle'as (Wesas Bentley) ir dirbtinio intelekto robotas CASE aplanko visiškai vandeniu padengtą planetą, kurioje bangos pasiekia nepaprastą dydį dėl labai arti Gargantua. Trisdešimties metrų bangas žiūrovai jau matė kituose filmuose, tačiau, pasak istorijos, to nepakako – pagal scenarijų bangos turėjo būti daugiau nei kilometro aukščio. Kad žiūrovas pajustų šį aukštį, „Double Negative“ turėjo permąstyti standartinį vandens kūrimo metodą. „Kai paimate tokio mastelio objektus, – aiškina Franklinas, – visos savybės, kurias siejate su bangomis, pvz., lūžiai ir garbanos viršuje, tiesiog išnyksta, nes tampa nematomos tokio vandens telkinio atžvilgiu, t. banga tampa panašesnė į judantį kalną iš vandens. Štai kodėl daug laiko praleidome dirbdami su išankstiniu atvaizdavimu ir galvodami, kaip panaudoti tokias bangų skales ir jų nuplaunamą nedidelį erdvėlaivį „Ranger“. Svarbiausias momentas scenoje, kai banga aplenkia Rangerį ir iškelia jį aukštai virš paviršiaus. Ir matai, kaip laivas juda aukštyn išilgai bangos, tampa vis mažiau ir staiga visiškai ant jo pasiklysta. Tai buvo esminis momentas norint suvokti, kas vyksta.
Anne Hatway kaip Amelija vandens planetoje
„Double Negative“ atlikėjai manipuliavo bangomis suaktyvindami deformatorius, efektyviai performuodami juos kiekviename pagrindiniame kadre. „Tai suteikė mums pagrindinę bangos formą, – sako Franklinas, – bet norėdami, kad tai atrodytų tikra, turime ant paviršiaus pridėti putų, interaktyvių purslų, vandens sūkurių ir purslų. Tam panaudojome savo vidinę plėtrą, pavadintą Squirt Ocean. Ir, žinoma, vėliau Houdini buvo daug papildomo darbo.
Rėmeliai buvo sukurti didelės raiškos IMAX formatu. Šis reikalavimas šiek tiek apribojo laiką, skirtą visoms galimoms dvigubo neigiamo elemento iteracijoms. „Žiūrėjau dalį su bangos animacija, pasakiau: „puiku, pridėkime visa kita“, – juokiasi Franklinas“, o tada turėjau laukti apie pusantro mėnesio, kol visa tai sugrįš. ilgas procesas vyko dėl IMAX leidimo ... Kaip suprantate, mes negalėjome gaišti laiko, nes paprastai visas procesas buvo padalintas į daugybę iteracijų, o tą kartą turėjome daugiausia tris.
Robotas CASE, išgelbėjęs Ameliją nuo potvynio bangos, ir jo atitikmuo TARS iš tikrųjų buvo 80 kilogramų sveriančios metalinės lėlės, kurias valdė islandų menininkas Billas Irwinas. Christopheris Nolanas norėjo, kad filme būtų kuo daugiau tikrų elementų, o užuot tiesiog nupiešę, kaip daugelis žmonių, „Double Negative“ turėjo susidoroti su atlikėjo pašalinimu už roboto.
Kai CASE persikonfigūruoja vaikščioti vandeniu, o tada rieda link Amelijos, sugriebia ją ir nuneša, rėmas sujungia du sprendimus: praktišką ir skaitmeninį. „Šiame kadre, – sako Franklinas, – buvo pastatytas nedidelis vandens įrenginys, pritvirtintas prie keturračio. Tai yra, galėtume važiuoti „per“ vandenį ir gauti nuostabių interaktyvių purslų ir purslų. Taip pat keturratyje turėjome specialų keltuvą su roboto rankomis, kuriuo galėjome gabenti Anne Hatway dupelgangerį. Tai yra, visa ši konstrukcija nuėjo ir „nupjovė“ vandenį, o mums tereikėjo jį pašalinti iš vaizdo ir pakeisti skaitmenine roboto versija.
„Double Negative“ bandė kiek įmanoma apriboti akimirkų skaičių, kai skaitmeniniai robotai daro neįprastus dalykus. Šios akimirkos buvo bėgimas vandeniu, roboto išlaipinimas laive, bėgimas ledynu ir kai kurios akimirkos be gravitacijos. „Tai, ką mes pastebėjome jau seniai, yra tai, kad skaitmenines akimirkas galite priversti veikti tik tada, kai jas derinate su tikromis“, – sako Franklinas. Mes jau matome tikrąją roboto versiją, o ne skaitmeninę. Tai reiškia, kad scena baigiasi kadrais su tikrove, ir tai padeda pajusti sceną kaip tikrai tikrą.
Tesrakto viduje
Filme kažkas „jie“ pasirodo esąs „mes“, tik pakankamai pažengę, kad padėtų Cooperiui užmegzti ryšį su savo dukra, kuri buvo Žemėje daug metų anksčiau. Kadangi kvantinių ir reliatyvistinių dėsnių visatoje kelionė laiku neįmanoma, istorija išsprendžia šį klausimą taip, kad Cooperis palieka mūsų trimatę erdvę ir patenka į aukštesnės eilės hipererdvę. Jei mūsų visata būtų rodoma kaip 2D diskas arba membrana, tada hipererdvė būtų dėžė, supanti tą membraną trimis matmenimis. Galima galvoti apie tai, kad kiekvienam matmeniui reikia 1 matmeniu mažiau, kad jis būtų rodomas. Taigi trimatė erdvė nupiešta kaip 2D diskas, o trimatė aplinka aplink šį diską (fizikai tai vadina brana) yra vienu matmeniu virš membranos.
Kipo Thorne'o vaizdas, paaiškinantis, kas yra brana ir membrana
Filme Michaelo Kane'o personažas profesorius Brandas bando išnarplioti gravitacines anomalijas. Bandymas išspręsti problemą 4 ir 5 matmenimis aiškiai matomas ant plėvelės lentų. Filme rašoma, kad jei Brandas gali suprasti šias anomalijas, jas galima panaudoti Žemės gravitacijai pakeisti ir į kosmosą pakelti didžiulę žmonių tausojančią struktūrą.
Nors perėjimas nuo 3D į 4D neišsprendžia kelionės laiku problemos, filme tai leidžia Cooperiui siųsti gravitacines bangas laiku atgal. Jis gali matyti bet kuriuo metu, bet tais laikais gali sukelti tik bangavimą – gravitacinius bangavimus, kuriuos bando suprasti Kuperio dukra Merfi.
„Double Negative“ komandos užduotis buvo vizualiai parodyti 4D tesraktą, kurį būsimi „mes“ pateiksime Cooperiui, kad sukeltų gravitacines bangas. Tai būtų lengva padaryti, jei tai būtų padaryta simboline prasme arba sapno pavidalu, tačiau „Double Negative“ komanda nusprendė vizualizuoti keturmatį tesseraktą išraiškingiau, sukurdama koncepciją, kuri, žinoma, būtų hipotezė. bet jis netgi gali būti naudojamas mokymui ... Būtent šiuo metu Tornas vėl pasirodė.
Kipo Thorne'o formulės, paaiškinančios gravitaciją keturiais ir penkiais matmenimis. Atkreipkite dėmesį, kad čia „mūsų“ brana yra tarp dviejų alternatyvių realybių arba kitų branų.
Norint suprasti dvigubą neigiamą sprendimą, verta suprasti aukštesnės eilės dimensijų prigimtį. Jei objektas yra ramybės būsenoje, tarkime, rutulys – dvimatei erdvei – tai apskritimas; vienmačiui - linija. Jei pažvelgsime į šį apskritimą trimatėje erdvėje, pamatysime rutulį (sferą). Bet kas su juo bus, jei pateksime į keturmatę erdvę? Viena iš teorijų, kuri buvo mūsų kasdieninio mąstymo pagrindas, buvo įsivaizduoti ketvirtąją erdvę kaip laiką. Tada paaiškėja, kad tas pats kamuolys, bet ne ramybės būsenoje, o atšokantis ir per be galo trumpą laiką matomas kaip tas pats kamuolys. Tačiau pakeliui jis sukuria formą vamzdžio pavidalu su pusrutulio kraštais. Tai yra, keturmatėje erdvėje rutulys yra vamzdis, o sfera yra trimatė šios keturmatės figūros projekcija.
Jei kubas trimatėje erdvėje laikui bėgant keičia savo formą, pavyzdžiui, auga, tada jis bus vaizduojamas keturmatėje erdvėje kaip dėžutė, kuri ilgainiui išauga į didelę dėžę, kurioje rodomos visos trimatės erdvės būsenos. dėžutę per visą jos egzistavimą. Jis gali animuoti ir keisti formą, kaip parodyta šiame vaizdo įraše:
Pagal filmo logiką, patekę į šią tesseraktą, galėsite pamatyti trimatę erdvę bet kuriuo jos egzistavimo momentu, pavyzdžiui, eilučių, einančių į praeitį ir ateitį, pavidalu. Be to, jei atsižvelgsite į prielaidą, kad yra begalinis lygiagrečių realybių skaičius, pamatysite visas įmanomų lygiagrečių realybių linijas, besitęsiančias begaliniu skaičiumi krypčių. Būtent toks yra konceptualus keturių matmenų erdvės sprendimas, su kuriuo studija dirbo. Laiko „siūlai“, kuriuos Cooperis mato, atrodo kaip stygos, o jas liesdamas jis gali sukelti gravitacinius virpesius, taip bendraudamas su dukra. Tai tikrai puikus meninės mokslinės vizualizacijos kūrinys!
Bet kaip jį nušauti?
Nolano priesakas, kad aktoriai turėtų bendrauti su aplinka kurdami vaizdo įrašus, kurie taip pat apima tesseraktą. Įkritęs į juodąją skylę, Cooperis atsiduria keturmatėje erdvėje, kurioje mato bet kokius objektus ir jų laiko „giją“. „Chrisas sakė, kad nors tai labai abstrakti sąvoka, jis tikrai norėjo sukurti kažką, ką galėtume nufilmuoti realiame gyvenime“, – sako Franklinas. „Jis norėjo pamatyti Matthew fiziškai sąveikaujantį su gijomis, laiku, realioje erdvėje ir nekaboti prieš žalią ekraną“.Tai paskatino Frankliną susimąstyti, kaip perteikti tesseraktą. „Daug laiko praleidau galvodamas, kaip visa tai įgyvendinti realioje erdvėje“, – sako jis, „Kaip visas šias laikinas visų objektų „gijas“ parodyti viename kambaryje ir taip, kad tai būtų suprantama fizine prasme. Juk iškilo pavojus, kad erdvė pasirodys taip užgriozdinta „siūlų“, kad teks sugalvoti, kaip tarp jų išryškinti reikiamus momentus. Be to, buvo nepaprastai svarbu, kad Cooperis ne tik matytų laiko „gijas“, bet ir jų atsiliepimus apie sąveiką, o tuo pačiu galėtų bendrauti su daiktais dukters kambaryje.
Galutinį „atviros grotelių struktūros“ vaizdą įkvėpė tesserakto koncepcija. „Tesseract yra trimatė keturmačio hiperkubo projekcija. Jis turi gražią grotelių struktūrą, todėl apytiksliai žinojome, ką ketiname daryti. Ilgą laiką žiūrėjau į ilgos ekspozicijos nuotraukų nuotraukas (fotografija su plyšiniu skenavimu) ir kaip ši technika leidžia visada rodyti tą patį erdvės tašką. Pati fotografija laiką paverčia viena iš galutinio vaizdo dimensijų. Šios fotografavimo technikos ir tesrakto gardelės struktūros derinys leido sukurti šias erdvines laiko „gijas“, tarsi ištekančias iš objekto. Kambariai yra nuotraukos, akimirkos, įterptos į laiko „gijų“ grotelių struktūrą, tarp kurių Cooperis gali ieškoti norimo, judindamas juos pirmyn ir atgal.
„Galų gale mes sukūrėme vieną šio fizinio modelio sekciją su keturiomis pasikartojančiomis sekcijomis“, - sako Franklinas. Taip pat filmavimo metu naudojome daug realių projekcijų. Aktyvias laiko „gijas“ dedame po tikromis sekcijomis naudodami projektorius. Tai suteikė mums drebėjimo ir karščiuojančios energijos pojūtį – visa informacija tekėjo šiais „siūlais“ iš skyriaus į skyrių ir atgal. Bet, žinoma, kiekviename galutinio filmo vaizde, be kita ko, yra beprotiškai daug skaitmeninių efektų, įmontuotų į sceną.
Tačiau kai kurios akimirkos privertė „Double Negative“ pereiti prie visiškai skaitmeninių vaizdo efektų – toks momentas buvo, pavyzdžiui, Cooperio judėjimas tesseraktų tuneliais. „Neturėjome pakankamai tesaraktų sekcijų, kad užfiksuotume šį judesį, todėl nufilmavome Matą tarp projekcinių ekranų, o aplink jį buvo rodomas priešpaskutinis šios scenos atvaizdas, todėl jis turėjo su kuo bendrauti“, – sako Franklinas. Aktoriams tai patiko. viskas beprotiškai, nes, priešingai nei kuriant reklamas ar filmą žaliame ekrane, jie turėjo ką žiūrėti. Vėliau šią versiją pakeitėme kokybiška galutine, tik kai kuriais momentais palikome priešfinalinę versiją, nes ji buvo tiesiog nefokusuota ir nebuvo matoma.
Franklinas taip pat pažymi, kad norint užbaigti šias scenas prireikė daugybės skaitmeninių efektų, laidų pašalinimo ir didžiulio roto-scoping (roto, rotopaint) kiekio. Taip pat buvo tam tikrų sunkumų įgyvendinant efektus, kurie buvo atlikti tik kompiuterinės grafikos pagalba. Pavyzdžiui, toje dalyje, kur tesseraktas užsidaro ir pradeda griūti. „Mes paėmėme tesserakto kompiuterinę geometriją ir paleidome ją per hiperkubo sukimąsi. Vaikinai dirbo prie to, kaip atgaivinti hiperkubo sukimosi transformaciją ir pritaikyti ją tiesiogiai mūsų sukurto tesserakto geometrijai. Man tai buvo ypatingas momentas. Kai pamačiau rezultatus, supratau, kad tai tobula, būtent tai, ko norėjau. Pridėti žymes
