Imaginea unei găuri negre în interstelar. Știința în Interstelar: găuri de vierme, găuri negre, spațiu-timp. Cum am aflat despre găurile negre

Filmul captivant vizual, lansat recent, „Inrestellar” se bazează pe științifice realeconcepte, precum găuri negre rotative, găuri de vierme și dilatare a timpului.

Dar dacă nu sunteți familiarizat cu aceste concepte, este posibil să fiți puțin confuz în timp ce vizionați.

În film, o echipă de exploratori ai spațiului călătorește călătorie extragalactică printr-o gaură de vierme... Pe de altă parte, ajung într-un sistem solar diferit, cu o gaură neagră care se rotește în loc de o stea.

Ei sunt într-o cursă cu spațiu și timp pentru a-și îndeplini misiunea. Această călătorie în spațiu poate părea puțin confuză, dar se bazează pe principiile de bază ale fizicii.

Iată principalele 5 concepte de fizică trebuie să știi să înțelegi Interstellar.

Gravitația artificială

Cea mai mare problemă cu care ne confruntăm noi oamenii în timpul călătoriilor lungi în spațiu este imponderabilitate... Ne-am născut pe Pământ, iar corpul nostru s-a adaptat la anumite condiții gravitaționale, dar când suntem în spațiu pentru o lungă perioadă de timp, mușchii încep să ne slăbească.

Eroii din filmul „Interstellar” se confruntă și ei cu această problemă.

Pentru a face față acestui lucru, oamenii de știință creează gravitația artificială în nave spațiale... O modalitate de a face acest lucru este să învârți nava spațială, ca în film. Rotația creează o forță centrifugă care împinge obiectele împotriva pereților exteriori ai navei. Această repulsie este asemănătoare cu gravitația, doar în direcția opusă.

Aceasta este forma de gravitație artificială pe care o experimentați atunci când conduceți în jurul unei curbe cu rază mică și vă simțiți împins spre exterior din punctul central al curbei. Într-o navă spațială rotativă, pereții devin podeaua pentru tine.

O gaură neagră care se învârte în spațiu

Astronomii, deși indirect, au observat în universul nostru găuri negre rotative... Nimeni nu știe ce se află în centrul unei găuri negre, dar oamenii de știință au un nume pentru asta -singularitate .

Găurile negre care se rotesc distorsionează spațiul din jurul lor într-un mod diferit decât găurile negre staționare.

Acest proces de distorsiune se numește „Trasare fracțională inerțială” sau Efectul de înfotare a lentilei și afectează modul în care arată gaura neagră prin distorsionarea spațiului și, mai important, spațiul-timp din jurul acesteia. Gaura neagră pe care o vezi în film este suficientăfoarte aproape de un concept științific.

Nava spațială Endurance se îndreaptă spre Gargantua - gaură neagră supermasivă fictivă cu o masă de 100 de milioane de ori mai mare decât Soarele.
Se află la 10 miliarde de ani lumină de Pământ și mai multe planete se învârt în jurul lui. Gargantua se învârte cu o viteză uluitoare de 99,8% cu viteza luminii.
Discul de acreție Garagantua conține gaz și praf cu temperatura suprafeței Soarelui. Discul furnizează planetelor din Gargantua lumină și căldură.

Aspectul complex al găurii negre din film se datorează faptului că imaginea discului de acreție este distorsionată de lentila gravitațională. În imagine apar două arce: unul este format deasupra găurii negre, iar celălalt este sub ea.

Mole Hole

Gaura de vierme sau gaura de vierme folosită de echipaj în Interstellar este unul dintre fenomenele din film, a căror existenţă nu este dovedită... Este ipotetic, dar foarte convenabil în intrigile poveștilor științifico-fantastice, unde trebuie să depășiți o distanță cosmică mare.

Doar găurile de vierme sunt un fel calea cea mai scurtă prin spațiu... Orice obiect cu masă creează o vizuină în spațiu, ceea ce înseamnă că spațiul poate fi întins, deformat și chiar pliat.

O gaură de vierme este ca un pliu în țesătura spațiului (și timpului) care leagă două regiuni foarte îndepărtate, ceea ce îi ajută pe călătorii în spațiu acoperiți o distanță lungă într-o perioadă scurtă de timp.

Numele oficial al găurii de vierme este „Podul Einstein-Rosen”, așa cum a fost propus pentru prima dată de Albert Einstein și colegul său Nathan Rosen în 1935.

În diagramele 2D, gura unei găuri de vierme este prezentată ca un cerc. Totuși, dacă am putea vedea o gaură de vierme, ar arăta ca o sferă.
Pe suprafața sferei, o vedere distorsionată gravitațional a spațiului ar fi vizibilă de cealaltă parte a „găurii”.
Dimensiunile găurii de vierme din film sunt de 2 km în diametru și distanța de transport este de 10 miliarde de ani lumină.

Dilatarea timpului gravitațional

Dilatarea gravitațională a timpului este un fenomen real observat pe Pământ. Apare pentru că relativă de timp... Aceasta înseamnă că curge diferit pentru diferite sisteme de coordonate.

Când vă aflați într-un mediu gravitațional puternic, timpul curge mai încet pentru tine comparativ cu oamenii dintr-un mediu gravitațional slab.

Dacă ești lângă o gaură neagră, ca în film, sistemul tău de coordonate și, prin urmare, percepția timpului este diferită de percepția despre cine este pe Pământ. Acest lucru se datorează faptului că atracția gravitațională a unei găuri negre este mai puternică cu cât te apropii de ea.

Conform ecuației lui Einstein, timpul curge mai lent în câmpurile gravitaționale mai înalte. Același lucru se întâmplă pe o planetă aproape de o gaură neagră: ceasul bate mai încet decât pe o navă spațială, orbitând mai departe.
Prezența masei îndoaie membrana ca o foaie de cauciuc.
Dacă este concentrată suficientă masă într-un punct, se formează o singularitate. Obiectele care se apropie de singularitate trec prin orizontul evenimentelor din care nu se întorc niciodată.

Pentru tine, un minut lângă o gaură neagră va dura 60 de secunde, dar dacă ai putea privi un ceas de pe Pământ, un minut ar dura mai puțin de 60 de secunde. Înseamnă că vei îmbătrâni mai încet decât oamenii de pe pământ, iar cu cât câmpul gravitațional în care vă aflați este mai puternic, cu atât timpul încetinește mai mult.

Acest lucru joacă un rol important în film atunci când cercetătorii întâlnesc o gaură neagră în centrul altui sistem solar.

Universul a cincea dimensiune

Albert Einstein și-a dedicat ultimii 30 de ani ai vieții dezvoltării " teoria totul", care ar combina conceptele matematice ale gravitației cu celelalte trei forțe fundamentale ale naturii: forța puternică, forța slabă și forța electromagnetică. El, ca și alți fizicieni, nu a reușit.

Unii fizicieni cred că singura modalitate de a rezolva această ghicitoare este să ne percepem Universul ca 5-dimensional, nu 4-dimensional, așa cum a sugerat Einstein în teoria relativității, unde spațiul tridimensional este combinat cu timpul unidimensional.

În film, universul nostru este prezentat în 5 dimensiuni, iar gravitația joacă un rol important în toate acestea.

Universul nostru tridimensional poate fi gândit ca o membrană plată (sau „brană”) care plutește în hiperspațiul cu patru dimensiuni.

Trailer „Interstellar” 2014

Întrebări frecvente Gargantua: Este adevărată gaura neagră a lui Interstellar?

Voi încerca să răspund la câteva întrebări pe care publicul le-ar putea avea despre film.

1) De ce arată gaura neagră a lui Gargantua așa în film?

Interstellar este primul lungmetraj din istoria cinematografiei care a folosit vizualizarea unei găuri negre pe baza unui model fizic și matematic. Simularea a fost realizată de o echipă de 30 de specialiști (departamentul de efecte vizuale al lui Pavel Franklin) în colaborare cu Kip Thorne, un fizician teoretician de renume mondial, cunoscut pentru munca sa în teoria gravitației, astrofizică și teoria măsurătorilor cuantice. Un cadru a durat aproximativ 100 de ore și, în total, au fost cheltuiți aproximativ 800 de terabytes de date pe model.
Thorne nu numai că a creat un model matematic, dar a și scris un software specializat (CGI) care i-a permis să construiască un model de vizualizare pe computer.

Iată ce a făcut Thorne:

Desigur, este corect să ne punem întrebarea: este simularea lui Thorne prima din istoria științei? Și este imaginea lui Thorne ceva care nu a fost văzut anterior în literatura științifică? Desigur nu.
Jean Pierre Luminet de la Observatorul Paris-Mudon, o ramură a astrofizicii și cosmologiei relativiste, care este, de asemenea, renumit în întreaga lume pentru munca sa asupra găurilor negre și cosmologiei, este unul dintre primii oameni de știință care a obținut o imagine a unei găuri negre prin simulări computerizate. În 1987, a fost publicată cartea sa „Găuri negre: o introducere populară”, unde scrie:

„Primele imagini computerizate ale unei găuri negre înconjurate de un disc de acreție au fost obținute de mine (Luminet, J.-P. (1979): Astron. Astrophys.). Calcule mai subtile au fost efectuate de Mark (Marck, J.-A. (1993): Class. Quantum Grav) atât pentru metrica Schwarzschild, cât și pentru cazul unei găuri negre rotative. Imaginile plauzibile - adică calculate ținând cont de curbura spațiului, deplasarea spre roșu și proprietățile fizice ale discului - pot fi obținute pentru un punct arbitrar, chiar și în cadrul orizontului de evenimente. S-a realizat chiar și un film care arată cum se schimbă aceste distorsiuni pe măsură ce se mișcă de-a lungul unei traiectorii asemănătoare timpului în jurul unei găuri negre (Delesalle, Lachieze-Rey și Luminet, 1993). Poza este unul dintre cadrele sale pentru cazul mișcării de-a lungul unei traiectorii parabolice suspendate"

O explicație a motivului pentru care imaginea se dovedește exact așa:

„Datorită curburii spațiu-timp în vecinătatea găurii negre, imaginea sistemului diferă semnificativ de elipsele pe care le-am vedea dacă am înlocui gaura neagră cu un corp ceresc obișnuit de masă mică. Radiația de la partea superioară a discului formează o imagine directă, iar din cauza unei distorsiuni puternice vedem întregul disc (gaura neagră nu acoperă părțile discului din spatele acestuia).Partea inferioară a discului este vizibilă și datorită curburii semnificative. a razelor de lumină.”

Imaginea lui Lumine amintește în mod surprinzător de rezultatul lui Thorne, pe care l-a obținut la mai bine de 30 de ani după opera francezului!

De ce, atunci, în numeroase alte vizualizări, atât în articole, cât și în filme de știință populară, o gaură neagră poate fi adesea văzută cu totul diferit? Răspunsul este simplu: „desenul” computerizat al unei găuri negre pe baza unui model matematic este un proces foarte complex și consumator de timp, care adesea nu se încadrează în bugete modeste, așa că autorii se descurcă de obicei cu munca unui designer, nu a unui proiectant. fizician.

2) De ce discul de acreție al lui Gargantua nu este la fel de spectaculos pe cât se poate vedea în numeroase imagini și filme de popularitate? De ce nu ar putea fi arătată o gaură neagră mai strălucitoare și mai impresionantă?

Voi combina această întrebare cu următoarele:

3) Se știe că discul de acreție al unei găuri negre este o sursă de radiații foarte intense. Astronauții ar muri pur și simplu dacă s-ar apropia de gaura neagră.

Și într-adevăr este. Găurile negre sunt motoarele celor mai strălucitoare și mai energice surse de radiații din univers. Conform conceptelor moderne, inima quasarelor, care uneori strălucește mai puternic decât sute de galaxii, toate luate împreună, este o gaură neagră. Cu gravitația sa, atrage mase uriașe de materie, forțând-o să se prăbușească într-o zonă mică sub o presiune inimaginabil de mare. Această substanță se încălzește, în ea au loc reacții nucleare, cu emisia celor mai puternice radiații X și gamma.
Acesta este modul în care discul clasic de acreție al unei găuri negre este adesea desenat:

Dacă Gargantua ar fi așa, un astfel de disc de acreție ar ucide astronauții cu radiația sa. Acreția găurii negre a lui Thorne nu este la fel de densă și masivă; conform modelului său, temperatura discului nu este mai mare decât cea a suprafeței soarelui. Acest lucru se datorează în mare măsură faptului că Gargantua este o gaură neagră supermasivă, cântărind de cel puțin 100 de milioane de ori masa Soarelui, cu o rază de o unitate astronomică.
Aceasta nu este doar o gaură neagră supermasivă, ci și o gaură neagră ultramasivă. Chiar și o gaură neagră din centrul Căii Lactee are, conform diverselor estimări, o masă de 4-4,5 milioane de mase solare.
Deși Gargantua este departe de a fi un deținător de record. De exemplu, gaura din galaxia NGC 1277 are o masă de 17 miliarde de sori.
Ideea de a-și imagina un experiment ca acesta, în care oamenii investighează o gaură neagră, îl deranjează pe Thorne încă din anii 1980. Deja în cartea sa „Găuri negre și falduri ale timpului. Einstein's Daring Legacy, publicată în 1990, Thorne examinează un model ipotetic de călătorie interstelară, în care cercetătorii studiază găurile negre, dorind să se apropie cât mai mult de orizontul evenimentelor pentru a înțelege mai bine proprietățile acestuia.
Cercetătorii încep cu o mică gaură neagră. Nu le convine deloc pentru că forțele de maree pe care le creează sunt prea mari și periculoase pentru viață. Ele înlocuiesc obiectul de studiu cu o gaură neagră mai masivă. Dar nici nu-i satisface. În cele din urmă, se îndreaptă spre uriașul Gargantua.
Gargantua este situat lângă quasarul 3C273 - ceea ce vă permite să comparați proprietățile celor două găuri.
Observându-le, cercetătorii se întreabă:

„Diferența dintre Gargantua și 3C273 pare surprinzătoare: de ce Garnatua, de o mie de ori masa și dimensiunea ei, nu are un astfel de covrigi rotund de gaz și jeturi quasar gigantice?”

Discul de acreție al lui Gargantua este relativ rece, nu masiv și nu emite atât de multă energie ca într-un quasar. De ce?

„După studii telescopice, Bret găsește răspunsul: o dată la câteva luni, o stea care orbitează în jurul găurii centrale 3C273 se apropie de orizont și este sfâșiată de forțele de maree ale unei găuri negre. Rămășițele unei stele, aproximativ 1 masă solară , sunt pulverizate în jurul găurii negre.Acest gaz proaspăt compensează gazul pe care gogoașa îl furnizează în mod constant orificiului și jeturilor, astfel încât bagel-ul și jeturile își mențin depozitele de gaz și continuă să strălucească puternic.
Bret explică că stelele se pot apropia și de Gargantua. Dar, din moment ce Gargantua este mult mai mare decât 3C273, forțele sale de maree deasupra orizontului evenimentelor sunt prea slabe pentru a rupe steaua. Gargantua înghite stelele întregi fără să le stropească interiorul în covrigiul din jur. Și fără o gogoașă, Gargantua nu poate crea avioane și alte caracteristici de quasar.”

Pentru ca un disc cu emisie masivă să existe în jurul unei găuri negre, trebuie să existe un material de construcție din care se poate forma. Într-un quasar, aceștia sunt nori denși de gaz foarte aproape de gaura neagră a unei stele. Iată modelul clasic pentru formarea unui disc de acreție:

Interstellar arată că un disc de acumulare masiv de acolo pur și simplu nu are din ce să iasă. Nu există nori denși sau stele din apropiere în sistem. Dacă era ceva, atunci totul a fost mâncat cu mult timp în urmă.
Gargantua se mulțumește cu nori de gaz interstelar de densitate scăzută, creând un disc de acreție slab, „la temperatură scăzută”, care nu emite la fel de intens ca discurile clasice din quasari sau binare. Prin urmare, radiația de pe discul Gargantua nu va ucide astronauții.

Thorne scrie în The Science of Interstellar:

„Un disc de acreție tipic are emisii foarte intense de raze X, gamma și radio. Atât de puternic încât va prăji orice astronaut care vrea să fie prin preajmă. Discul Gargantua prezentat în film este un disc extrem de slab.” Slab „este, de desigur, nu după standardele umane, ci după standardele quasarurilor tipice. În loc să fie încălzit la sute de milioane de grade ca discurile de acreție a quasarului, discul lui Gargantua este fierbinte la doar câteva mii de grade, aproximativ la suprafața Soarelui. Emite un multă lumină, dar nu emite aproape deloc raze X și raze gamma. Astfel de discuri pot exista în etapele ulterioare ale evoluției găurilor negre. Prin urmare, discul lui Gargantua este destul de diferit de imaginea pe care o puteți vedea adesea pe diverse populare resurse de astrofizică.”

Este Kip Thorne singurul care a exprimat existența discurilor reci de acumulare în jurul găurilor negre? Desigur nu.

Discurile de acumulare la rece ale găurilor negre au fost studiate de mult timp în literatura științifică:
Potrivit unor rapoarte, gaura neagră supermasivă din centrul Căii Lactee Săgetător A * (Sgr A *) are exact același disc de acreție rece:

S-ar putea să existe un inactiv în jurul găurii noastre negre centrale disc de acumulare rece rămase (datorită vâscozității scăzute) din „tinerețea turbulentă” a Sgr A *, când rata de acumulare era mare. Acum acest disc „aspiră” gaz fierbinte, împiedicându-l să cadă în gaura neagră: gazul se depune în disc la distanțe relativ mari de gaura neagră.

(c) Stele apropiate și un disc de acreție inactiv în Sgr A∗: eclipse și ﬂare
Serghei Nayakshin1 și Rashid Sunyaev. // 1. Max-Planck-Institut fur Astrophysik, Karl-Schwarzschild-Str. Garching, Germania 2. Institutul de Cercetare Spațială, Moscova, Russi

Sau Swan X-1:

Analiza spectrală și temporală a unui număr mare de observații de către observatorul RXTE a acreției găurilor negre Cygnus X-1, GX339-4 și GS1354-644 într-o stare spectrală scăzută a fost efectuată în perioada 1996-1998. Pentru toate cele trei surse s-a constatat o corelație între frecvențele caracteristice variabilității haotice și parametrii spectrale - panta spectrului de radiații Comptonizate și amplitudinea relativă a componentei reflectate. Relația dintre amplitudinea componentei reflectate și panta spectrului de comptonizare arată că mediul reflector ( disc de acumulare rece) este principalul furnizor de fotoni moi pentru regiunea de comptonizare.

(c) Raport la conferința organizației SPIE „Astronomical Telescopes and Instrumentation”, 21-31 martie 2000, München, Germania

Interacțiunea dintre stele și un Disc de acreție inactivîntr-un Miez Galactic // Vladimır Karas. Institutul Astronomic, Academia de Științe, Praga, Republica Cehă și

(c) Universitatea Charles, Facultatea de Matematică și Fizică, Praga, Republica Cehă // Ladislav Subr. Universitatea Charles, Facultatea de Matematică și Fizică, Praga, Republica Cehă

Găurile negre „calme” sunt similare cu gaura din Nebuloasa Andromeda, una dintre primele găuri negre supermasive descoperite. Masa sa este de aproximativ 140 de milioane de mase solare. Dar au găsit-o nu prin radiații puternice, ci prin mișcarea caracteristică a stelelor în jurul acestei zone. Radiația caracteristică „quasar” a nucleului acestor galaxii. Iar astrofizicienii au ajuns la concluzia că materia pur și simplu nu cade pe această gaură neagră. Această situație este tipică pentru galaxiile „liniștite” precum Nebuloasa Andromeda și Calea Lactee.

Galaxiile cu găuri negre active sunt numite galaxii active sau Seyfert. Galaxiile Seyfert includ aproximativ 1% din toate galaxiile spirale observate.

Cum a fost găsită gaura neagră supermasivă în Nebuloasa Andromeda este bine ilustrat în filmul științific de popularitate al BBC Supermassive Black Holes.

4) Se știe că găurile negre au forțe de maree mortale. Nu i-ar distruge atât pe astronauți, cât și pe planeta lui Miller, care este prea aproape de orizontul evenimentelor din film?

Chiar și Wikipedia laconica scrie despre o proprietate importantă a unei găuri negre supermasive:

„Forțele mareelor din apropierea orizontului evenimentelor sunt semnificativ mai slabe, deoarece singularitatea centrală este atât de departe de orizont, încât un astronaut ipotetic care călătorește spre centrul găurii negre nu va simți forțele extreme ale mareelor până când nu se cufundă foarte adânc în el.”

Toate sursele științifice și populare care descriu proprietățile găurilor negre supermasive sunt de acord cu acest lucru.

Locația punctului în care forțele mareelor ating o asemenea magnitudine încât distrug obiectul care a intrat în el depinde de dimensiunea găurii negre. Pentru găurile negre supermasive, cum ar fi cele situate în centrul galaxiei, acest punct se află în orizontul lor de evenimente, astfel încât un astronaut ipotetic își poate traversa orizontul de evenimente fără a observa deformații, dar după ce traversează orizontul de evenimente, căderea lui în centru a găurii negre este deja inevitabil... Pentru găurile negre mici, pentru care raza Schwarzschild este mult mai apropiată de singularitate, forțele de maree vor ucide astronautul chiar înainte de a ajunge la orizontul evenimentelor.

(c) Găurile negre Schwarzschild // Relativitatea generală: o introducere pentru fizicieni. - Cambridge University Press, 2006. - P. 265. - ISBN 0-521-82951-8.

Desigur, masa lui Gargantua a fost aleasă pentru a nu fi sfâșiată de valurile de astronauți.
Merită remarcat faptul că Thorne Gargantua din 1990 este ceva mai masiv decât Interstellar:

„Calculele au arătat că, cu cât gaura este mai mare, cu atât este necesară mai puțină forță pentru ca racheta să o mențină pe o circumferință de 1.0001 orizonturi de evenimente. Pentru o tracțiune dureroasă, dar suportabilă, de 10 g Pământ, masa găurii trebuie să fie de 15 trilioane de mase solare. Cea mai apropiată dintre aceste găuri se numește Gargantua, situată la 100.000 de ani lumină de galaxia noastră și la 100 de milioane de ani lumină de grupul de galaxii Fecioara, în jurul căruia se învârte Calea Lactee. De fapt, este situat lângă quasarul 3C273, la 2 miliarde de ani lumină de Calea Lactee...
Intrând pe orbita lui Gargantua și luând măsurătorile obișnuite, ești convins că masa sa este într-adevăr de 15 trilioane de mase solare și că se rotește foarte încet. Din aceste date, calculezi că orizontul său are o circumferință de 29 de ani lumină. În cele din urmă, se așteaptă să fie o gaură pe care o poți explora în timp ce experimentezi forțe și accelerații permise de maree!”

În cartea sa din 2014 „The Science of Interstellar”, în care Kip Thorne descrie aspectele științifice ale lucrului la film, el citează deja cifra de 100 de milioane de mase solare – dar menționând că aceasta este masa minimă care poate fi „confortabilă” în raport cu forțele de maree ale găurii negre.

5) Cum ar putea planeta lui Miller să existe atât de aproape de o gaură neagră? Îl va sfărâma cu forțele mareelor?

Astronomul Phil Plaint, cunoscut sub numele de „Astronom rău” pentru scepticismul său nestăpânit, pur și simplu nu a putut trece de Interstellar. În plus, înainte de asta, a distrus cu cruzime cu scepticismul său plictisitor multe filme senzaționale, de exemplu, „Gravity”.

„Abia așteptam cu nerăbdare Interstellar... Dar ceea ce am văzut a fost teribil. Acesta este un eșec total. Chiar, chiar nu mi-a plăcut”

– scrie în articolul său din 6 noiembrie.
Phil spune științific, filmul este o prostie completă. Asta, chiar și într-un cadru ipotetic, nu poate corespunde ideilor științifice moderne. A călărit în special în jurul planetei lui Miller. Potrivit lui, planeta se poate învârti constant în jurul unei astfel de găuri negre, dar orbita sa ar trebui să fie de cel puțin trei ori mai mare decât Gargantua. Ceasul va merge mai lent decât pe Pământ, dar cu doar 20 la sută. Stabilitatea unei planete aproape de o gaură neagră, așa cum se arată în film, este o invenție imposibilă. Mai mult, va fi complet sfâșiat de forțele de maree ale găurii negre.

Dar pe 9 noiembrie, Place apare cu un nou articol. El o sună Urmărire: Interstelar Mea Culpa... Nemăsuratul critic științific a decis să se pocăiască.

„Am greșit din nou. Dar indiferent de amploarea greșelilor mele, mereu încerc să le recunosc. Până la urmă, știința însăși ne obligă să ne recunoaștem greșelile și să învățăm din ele!”

Phil Plainte a recunoscut că a făcut greșeli în considerațiile sale și a ajuns la concluzii greșite:

„În recenzia mea, am vorbit despre planeta lui Miller care orbitează aproape de o gaură neagră. O oră petrecută pe planetă este egală cu șapte ani pământeni. Pretenția mea a fost că, cu această dilatare a timpului, o orbită stabilă a planetei ar fi imposibilă.
Și asta este adevărat... pentru o gaură neagră care nu se rotește. Greșeala mea a fost. că nu foloseam ecuațiile corecte pentru o gaură neagră care se învârtea repede! Acest lucru schimbă foarte mult imaginea spațiu-timp în apropierea găurii negre. Acum înțeleg că poate exista o orbită stabilă pentru această planetă în jurul unei găuri negre și atât de aproape de orizontul evenimentelor încât este posibilă dilatarea timpului indicată în film. În general, m-am înșelat.
De asemenea, am argumentat în analiza mea inițială că mareele gravitaționale ar sfâșia această planetă. M-am consultat cu câțiva astrofizicieni care au spus și că mareele lui Gargantua ar trebui probabil să distrugă planeta, dar matematic acest lucru nu a fost încă confirmat. Încă lucrează la rezolvarea acestei probleme - și de îndată ce va fi rezolvată, voi posta soluția. Eu însumi nu pot spune dacă am avut dreptate sau greșit în analiza mea – și chiar dacă aș avea dreptate, considerațiile mele au fost totuși doar despre o gaură neagră nerotitoare, deci nu sunt valabile pentru acest caz.
Pentru a rezolva o astfel de problemă, multe probleme matematice trebuie discutate. Dar nu știu exact cât de departe era planeta lui Miller de Gargantua și, prin urmare, este foarte greu de spus dacă mareele o vor distruge sau nu. Nu am citit încă cartea fizicianului și producătorului executiv al filmului lui Kip Thorne The Science of Interstellar - cred că va arunca puțină lumină asupra acestei probleme.
Cu toate acestea, m-am înșelat cu privire la stabilitatea orbitei - și acum mă simt obligat să anulez această afirmație a mea despre film.
Deci, pentru a rezuma: imaginea fizică din apropierea unei găuri negre, prezentată în film, este de fapt în concordanță cu știința. Am făcut o greșeală pentru care îmi cer scuze.

Ikjyot Singh Kohli, un fizician teoretician de la Universitatea din York, a dat soluții pentru ecuații pe pagina sa, demonstrând că existența planetei lui Miller este destul de posibilă.
A găsit o soluție în care planeta va exista în condițiile prezentate în film. Dar a discutat și problema forțelor mareelor, care ar trebui să distrugă planeta. Soluția lui arată că forțele mareelor sunt prea slabe pentru a o rupe.
El a susținut chiar și prezența undelor gigantice pe suprafața planetei.

Considerațiile lui Singh Kohli cu exemple de ecuații aici:

Așa se găsește planeta lui Miller Thorne în cartea sa:

Există puncte în care orbita va fi instabilă. Dar Thorne a găsit și o orbită stabilă:

Forțele mareelor nu sfâșie planeta, ci o deformează:

Dacă planeta se învârte în jurul sursei forțelor mareelor, atunci acestea își vor schimba în mod constant direcția, deformând-o în moduri diferite în diferite puncte ale orbitei. Într-o poziție, planeta va fi aplatizată de la est la vest și alungită de la nord la sud. Într-un alt punct al orbitei, este comprimat de la nord la sud și întins de la est la vest. Deoarece gravitația lui Gargantua este atât de mare, schimbarea deformărilor interne și a frecării vor încălzi planeta, făcând-o foarte fierbinte. Dar, așa cum am văzut în film, planeta lui Miller arată foarte diferit.
Prin urmare, este corect să presupunem că planeta este întotdeauna îndreptată către Gargantua cu o singură parte. Și acest lucru este natural pentru multe corpuri care se învârt în jurul unui obiect gravitator mai puternic. De exemplu, Luna noastră, multe luni ale lui Jupiter și Saturn sunt întotdeauna îndreptate către planetă cu o singură parte.

Thorne s-a oprit și asupra unui alt punct important:

„Dacă te uiți la planeta lui Miller de pe planeta lui Mann, poți vedea cum se învârte în jurul lui Gargantua cu o perioadă orbitală de 1,7 ore, trecând aproape un miliard de kilometri în acest timp. Este aproximativ jumătate din viteza luminii! Din cauza încetinirii timpului pentru echipajul Rangerului, această perioadă se reduce la o zecime de secundă. Este foarte rapid! Și nu este mult mai rapidă decât viteza luminii? Nu, pentru că în sistemul de raportare a spațiului în mișcare ca un vârtej din jurul Gargantua, planeta se mișcă mai lent decât lumina.
În modelul meu științific al filmului, planeta este întotdeauna întoarsă spre gaura neagră cu o parte și se rotește cu o viteză vertiginoasă. Vor distruge forțele centrifuge planeta din cauza acestei viteze? Nu: ea este salvată din nou de vortexul rotativ al spațiului. Planeta nu va simți forțe centrifuge distructive, deoarece spațiul însuși se rotește cu ea cu aceeași viteză.”

6) Cum sunt posibile astfel de valuri gigantice pe suprafața planetei lui Miller?

Thorne răspunde la această întrebare după cum urmează:

„Am făcut calculele fizice necesare și am găsit două interpretări științifice posibile.
Ambele soluții necesită ca axa de rotație a planetei să fie instabilă. Planeta ar trebui să se clătinească într-un anumit interval, așa cum se arată în figură. Acest lucru se întâmplă sub influența gravitației lui Gargantua.

Când am calculat perioada acestei oscilări, am obținut o valoare de aproximativ o oră. Și asta a coincis cu timpul ales de Chris – care încă nu știa de interpretarea mea științifică!
Al doilea model al meu este un tsunami. Forțele de maree ale lui Gargantua pot deforma crusta planetei lui Miller, cu aceeași perioadă (1 oră). Aceste deformari pot crea cutremure foarte puternice. Ele pot provoca tsunami care vor fi cu mult superioare celor văzute pe Pământ.”

7) Cum sunt posibile astfel de manevre incredibile de Endurance și Ranger pe orbita lui Gargantua?

1) Endurance se deplasează pe o orbită de parcare cu o rază egală cu 10 raza lui Gargantua, iar echipajul care se îndreaptă spre stația Miller se deplasează cu o viteză de C/3. Planeta lui Miller se mișcă cu o viteză de 55%.
2) Ranger-ul trebuie să scadă viteza de la C/3 la una mai mică pentru a coborî orbita și a se apropia de punctul lui Miller. Încetinește până la s/4 și ajunge în vecinătatea planetei (desigur, aici trebuie să urmezi un calcul strict pentru a ajunge acolo. Dar aceasta nu este o problemă pentru un computer)

Mecanismul pentru o astfel de schimbare semnificativă a vitezei este descris de Thorne:

„Stelele și micile găuri negre se învârt în jurul găurilor negre gigantice, precum Gargantua. Ei sunt cei care pot crea forțele determinante care îl vor abate pe Ranger de pe orbita sa circulară și îl vor trimite în jos pe Gargantua. O asistență gravitațională similară este adesea folosită de NASA în sistemul solar, deși folosește gravitația planetelor, nu găurile negre. Detaliile acestei manevre nu sunt dezvăluite în Interstellar, dar manevra în sine este menționată atunci când se vorbește despre folosirea unei stele neutronice pentru a încetini viteza.”

Steaua neutronică este prezentată de Thorn în figură:

O întâlnire cu o stea neutronică vă permite să schimbați viteza:

„O astfel de abordare poate fi foarte periculoasă; Ranger-ul trebuie să se apropie suficient de o stea neutronică (sau o mică gaură neagră) pentru a simți gravitația puternică. Dacă o stea de frânare sau o gaură neagră cu o rază mai mică de 10.000 km, atunci oamenii și Ranger-ul vor fi sfâșiați de forțele mareelor. Prin urmare, o stea neutronică ar trebui să aibă o dimensiune de cel puțin 10.000 km.
Am discutat această problemă cu Nolan în timpul producției scenariului, sugerând o gaură neagră sau o stea neutronică din care să aleg. Nolan a ales o stea neutronică. De ce? Pentru că nu a vrut să confunde publicul cu două găuri negre.”

„Găurile negre numite IMBH (Intermediate-Mass Black Holes) sunt de zece mii de ori mai mici decât Gargantua, dar de o mie de ori mai grele decât găurile negre obișnuite. Cooper are nevoie de un astfel de deviator. Se crede că unele IMBH se formează în clustere globulare, iar unele se găsesc în nucleele galaxiilor, care găzduiesc și găuri negre gigantice. Cel mai apropiat exemplu este Nebuloasa Andromeda, cea mai apropiată galaxie de noi. Ascunsă în miezul Andromedei este o gaură asemănătoare cu Gargantua - aproximativ 100 de milioane de mase solare. Când IMBH trece prin orice regiune cu o populație stelar densă, efectul „frecării dinamice” încetinește viteza IMBH și cade din ce în ce mai jos, din ce în ce mai aproape de gaura neagră gigantică. Drept urmare, IMBH se află în imediata apropiere a unei găuri negre supermasive. Astfel, natura i-ar putea oferi lui Cooper o astfel de sursă de deviație gravitațională.”

Vedeți aplicația reală a „prăștiei gravitaționale” pe exemplul navelor spațiale interplanetare - de exemplu, verificați istoria Voyagers.

Știința

Filmul captivant vizual „Inrestellar” lansat recent se bazează pe concepte științifice reale precum găuri negre rotative, găuri de vierme și dilatare a timpului.

Dar dacă nu sunteți familiarizat cu aceste concepte, este posibil să fiți puțin confuz în timp ce vizionați.

Ei sunt într-o cursă cu spațiu și timp pentru a-și îndeplini misiunea. Această călătorie în spațiu poate părea puțin confuză, dar se bazează pe principiile de bază ale fizicii.

Iată principalele 5 concepte de fizică Trebuie să știi pentru a înțelege Interstellar:

Gravitația artificială

Eroii din filmul „Interstellar” se confruntă și ei cu această problemă.

O gaură neagră care se învârte în spațiu

Găurile negre care se rotesc distorsionează spațiul din jurul lor într-un mod diferit decât găurile negre staționare.

Nava spațială Endurance se îndreaptă spre Gargantua - gaură neagră supermasivă fictivă cu o masă de 100 de milioane de ori mai mare decât Soarele.
Se află la 10 miliarde de ani lumină de Pământ și mai multe planete se învârt în jurul lui. Gargantua se învârte cu o viteză uluitoare de 99,8% cu viteza luminii.
Discul de acreție Garagantua conține gaz și praf cu temperatura suprafeței Soarelui. Discul furnizează planetelor din Gargantua lumină și căldură.

Mole Hole

Numele oficial al găurii de vierme este „Podul Einstein-Rosen”, așa cum a fost propus pentru prima dată de Albert Einstein și colegul său Nathan Rosen în 1935.

În diagramele 2D, gura unei găuri de vierme este prezentată ca un cerc. Totuși, dacă am putea vedea o gaură de vierme, ar arăta ca o sferă.
Pe suprafața sferei, o vedere distorsionată gravitațional a spațiului ar fi vizibilă de cealaltă parte a „găurii”.
Dimensiunile găurii de vierme din film sunt de 2 km în diametru și distanța de transport este de 10 miliarde de ani lumină.

Dilatarea timpului gravitațional

Dilatarea gravitațională a timpului este un fenomen real observat pe Pământ. Apare pentru că relativă de timp... Aceasta înseamnă că curge diferit pentru diferite sisteme de coordonate.

Când vă aflați într-un mediu gravitațional puternic, timpul curge mai încet pentru tine comparativ cu oamenii dintr-un mediu gravitațional slab.

Universul este plin de multe mistere. Structura și caracteristicile diferitelor, posibilitatea de călătorie interplanetară atrag atenția nu numai a oamenilor de știință, ci și a fanilor science fiction. Desigur, cel mai atractiv este cel care are proprietăți unice, care, din cauza diverselor circumstanțe, nu a fost suficient studiat. Astfel de obiecte includ găuri negre.

Găurile negre au o densitate foarte mare și o forță de gravitație incredibil de mare. Nici măcar razele de lumină nu pot scăpa din ele. De aceea, oamenii de știință pot „vedea” o gaură neagră doar datorită acțiunii pe care aceasta o are asupra spațiului înconjurător. În imediata apropiere a găurii negre, materia este încălzită și se mișcă cu o viteză foarte mare. Această substanță gazoasă se numește disc de acreție, care arată ca un nor luminos plat. Oamenii de știință observă razele X de pe discul de acreție prin telescoape cu raze X. Ei înregistrează, de asemenea, viteza extraordinară de mișcare a stelelor pe orbitele lor, care are loc datorită gravitației mari a unui obiect invizibil de masă uriașă. Astronomii disting trei clase de găuri negre:

Găuri negre cu masă stelară

Găuri negre de masă intermediară

Găuri negre supermasive.

Masa stelară este considerată a fi de la trei până la o sută de mase solare. Sunt numite găuri negre supermasive, având de la sute de mii la câteva miliarde de mase solare. Ele se găsesc de obicei în centrul galaxiilor.

A doua viteză cosmică sau viteza de evacuare este minimul care trebuie atins pentru a depăși atracția gravitațională și a depăși orbita unui corp ceresc dat. Pentru Pământ, viteza de evacuare este de unsprezece kilometri pe secundă, iar pentru o gaură neagră este mai mult de trei sute de mii, atât de puternică este gravitația sa!

Limita găurii negre se numește orizont de evenimente. Un obiect prins în el nu mai poate părăsi această zonă. Mărimea orizontului de evenimente este proporțională cu masa găurii negre. Pentru a arăta cât de mare este densitatea găurilor negre, oamenii de știință citează următoarele cifre - o gaură neagră cu o masă de 10 ori masa solară ar avea aproximativ 60 km în diametru, iar o gaură neagră cu masa Pământului nostru - doar 2 cm. Dar acestea sunt doar calcule teoretice, deoarece găurile negre care nu au atins trei mase solare nu au fost încă identificate de oamenii de știință. Tot ceea ce intră în orizontul evenimentului se îndreaptă spre singularitate. O Singularitate, pentru a spune simplu, este un loc în care densitatea tinde spre infinit. Este imposibil să trasezi o linie geodezică care intră în ea printr-o singularitate gravitațională. O gaură neagră se caracterizează prin curbura structurii spațiului și timpului. O linie dreaptă, care în fizică reprezintă calea mișcării luminii în vid, devine o curbă lângă o gaură neagră. Ce legi fizice funcționează în apropierea punctului de singularitate și direct în el este încă necunoscut. Unii cercetători, de exemplu, vorbesc despre prezența așa-numitelor găuri de vierme, sau tuneluri spațiu-timp, în găurile negre. Dar nu toți oamenii de știință sunt de acord să admită existența unor astfel de tuneluri de găuri de vierme.

Tema călătoriei în spațiu, tunelurile spațiu-timp este o sursă de inspirație pentru scriitorii, scenariștii și regizorii de science fiction. În 2014, a avut loc premiera filmului Interstellar. Un întreg grup de oameni de știință a lucrat la crearea lui. Cunoscutul om de știință, expert în teoria gravitației, astrofizică - Kip Stephen Thorne a devenit liderul lor. Acest film este considerat unul dintre cele mai științifice dintre filme științifico-fantastice și, în consecință, îi solicită mari cerințe. Au existat multe dezbateri cu privire la măsura în care diferitele momente din film se potrivesc cu faptele științifice. A fost publicată chiar și o carte, The Science of Interstellar, în care profesorul Stephen Thorne explică științific diverse scene din film. El a vorbit despre cât de mult în film se bazează atât pe fapte științifice, cât și pe presupuneri științifice. Cu toate acestea, există și doar ficțiune fictivă. De exemplu, gaura neagră a lui Gargantua este reprezentată ca un disc luminos care se îndoaie în jurul luminii. Acest lucru nu este în contradicție cu cunoștințele științifice, deoarece nu gaura neagră în sine este vizibilă, ci doar discul de acreție, iar lumina nu se poate mișca în linie dreaptă din cauza gravitației puternice și a curburii spațiului.

Gaura neagră a lui Gargantua conține o gaură de vierme, care este o gaură de vierme sau un tunel care străbate spațiu și timp. Existența unor astfel de tuneluri în găurile negre este doar o presupunere științifică cu care mulți oameni de știință nu sunt de acord. Ficțiunea este capacitatea de a călători printr-un astfel de tunel și de a se întoarce.

Gaura neagră a lui Gargantua este o fantezie a creatorilor Interstellar, care corespunde în mare măsură obiectelor spațiale reale. Prin urmare, pentru criticii deosebit de înverșunați, aș dori să vă reamintesc că filmul este, totuși, SF, nu știință populară. Arată frumusețea și măreția lumii care ne înconjoară, ne amintește de câte probleme nerezolvate sunt. Și a cere de la un film științifico-fantastic o reflectare exactă a faptelor dovedite științific este oarecum nepotrivit și naiv.

Numele meu este Andrey Kolokoltsev. Prin natura muncii mele, am fost mult timp interesat de povești despre modul în care regizorii, producătorii, studiourile eminenți fac față creației anumitor filme vizuale. Pentru prima mea publicație am ales un film, care a devenit pentru mine o revelație audiovizuală și o adevărată atracție emoțională (la vizionarea unui film pe un ecran IMAX, 2/3 din impresii se pierd la televizor acasă). Nu veți sări de la surprindere, deoarece ați citit deja totul din titlu - acesta este filmul lui Christopher Nolan „Interstellar”. În ciuda faptului că interesul pentru el a dispărut de mult, aș dori să vă prezint atenției o traducere gratuită a articolului original al lui Mike Seymour „Interstellar: inside the black art” din 18 noiembrie 2014. Acest articol spune despre modul în care a fost creată vizualizarea „Gargantua” și a altor scene din film - cred că va fi interesant pentru cititori chiar și după 1,5 ani.

Regizorul interstelar Christopher Nolan îi explică lui Matthew McConaughey elementele de bază ale fizicii cuantice

Lucrătorii departamentului de efecte speciale și grafică pe computer se confruntă foarte des cu nevoia de a crea o vizualizare a ceva ce nimeni nu a văzut vreodată. La aceasta se adaugă și cerința industriei cinematografice moderne de a face totul să pară real, chiar dacă, de fapt, nimeni nu știe cu adevărat cum ar putea arăta. În filmul lui Christopher Nolan „Interstellar”, supervizorul de efecte speciale Paul Franklin și echipa Double Negative au trebuit să creeze o vizualizare a lucrurilor nu din dimensiunea noastră, în plus, cât mai aproape posibil nu numai de fizica cuantică și mecanica relativistă, ci și de comunitatea noastră. înțelegerea gravitației cuantice.

A fost norocos că printre echipa de bază a Double Negative se număra Oliver James, un om senior cu o educație la Oxford în optică și fizică atomică și o înțelegere profundă a legilor relativiste ale lui Einstein. La fel ca Franklin, a lucrat cu producătorul șef și consilier științific Kip Thorne. Thorne a trebuit să calculeze ecuații matematice complexe și să le trimită lui James pentru a le traduce în randări de înaltă calitate. Cerințele filmului i-au stabilit lui James sarcina nu numai de a vizualiza calculele care explică căile arcului luminii, ci și de a vizualiza secțiunile transversale ale razelor de lumină care își schimbă dimensiunea și forma pe măsură ce călătoresc prin gaura neagră.

Codul lui James a fost doar o parte a soluției generale. A lucrat mână în mână cu liderul echipei de artă și supervizorul efectelor CGI Eugene von Tanzelmann, care a adăugat un disc de acreție și a creat, de asemenea, o galaxie și o nebuloasă care se distorsionează pe măsură ce lumina trece prin gaura neagră. Nu mai puțin dificilă a fost sarcina de a demonstra cum cineva intră într-un teseract cu patru dimensiuni, combinat cu spațiul tridimensional al camerei unei fetițe - și toate acestea în așa fel încât privitorul să înțeleagă ce se întâmplă în general pe ecran.

În acest articol, vom discuta câteva dintre cadrele cheie create de Double Negative, precum și cercetarea științifică care a condus la acestea. Vă rugăm să rețineți că sunt posibile spoilere în următorul material.

Făcând o gaură neagră

Poate una dintre cele mai semnificative contribuții la scopul lui Nolan de realism maxim este reprezentarea găurii negre a lui Gargantua. Cu contribuția lui Thorne, realizatorii de film au făcut tot posibilul pentru a arăta comportamentul luminii într-o gaură neagră și o gaură de vierme. Pentru „Double Negative”, această provocare a necesitat scrierea unui randament fizic complet nou.

O vedere de cameră a orbitei ecuatoriale circulare a unei găuri negre care se rotește la 0,999 din viteza de rotație maximă posibilă. Camera este situată la o distanță de r = 6,03 GM / c ^ 2, unde M este masa găurii negre, G și c sunt constanta lui Newton și, respectiv, viteza luminii. Orizontul evenimentelor găurii negre se află la o distanță de r = 1,045 GM / c ^ 2.

„Kip îmi explica curbura relativistă a spațiului în jurul unei găuri negre”, spune Paul Franklin. „Gravația răsucită în timp deviază lumina de la sine, creând un fenomen numit lentilă Einstein, o lentilă gravitațională în jurul unei găuri negre. Și în acel moment mă gândeam, cum putem crea o astfel de imagine și există exemple, cu un efect grafic similar, pe care să ne putem baza.”

„M-am uitat la cele mai elementare simulări create de comunitatea științifică”, adaugă Franklin, „și m-am gândit, bine, mișcarea acestui lucru este atât de complexă încât va trebui să facem propria noastră versiune de la zero. Apoi Kip a lucrat îndeaproape cu Oliver James, cercetătorul nostru șef, și cu departamentul său. Au folosit calculele lui Kip pentru a obține toate căile de trasare a luminii și a razelor din jurul găurii negre. Oliver a lucrat, de asemenea, la întrebări stringente despre cum să aducem toate acestea la viață cu noul nostru motor de redare DnGR (Duble Negative General Relativity).

Noul randament a necesitat setarea tuturor parametrilor critici pentru gaura lor neagră digitală. „Am putut seta viteza, masa și diametrul”, explică Franklin. „Practic, aceștia sunt singurii trei parametri pe care îi poți modifica într-o gaură neagră - adică, asta este tot ce avem pentru a o măsura. Am petrecut o cantitate enormă de timp lucrând la cum să calculăm căile fasciculelor de lumină în jurul unei găuri negre. Toată munca se desfășura destul de intens - timp de șase luni, băieții scriau software. Am avut o versiune timpurie a găurii negre, tocmai la timp pentru perioada de pre-producție a filmului.”

Gaura neagră de repaus accelerează până la o viteză de rotație de 0,999 din posibilă; apoi camera se apropie de gaura neagră de la o rază de 10 GM / c ^ 2 până la o rază de r = 2,60 GM / c ^ 2, continuând să se deplaseze pe o orbită ecuatorială circulară. Umbra uriașă din gaura neagră este distorsionată într-o formă dreptunghiulară datorită conversiei imaginii camerei într-un afișaj cu ecran plat.

Aceste imagini timpurii au fost folosite ca picturi uriașe pentru fundalul exteriorului navei, așa că actorii au avut ce să se uite în timp ce filmau. Adică nu a fost folosit un singur ecran verde, doar mai târziu angajații Double Negative au înlocuit imaginile timpurii folosite cu cele finale, corectând unele dintre grupurile de stele. „Majoritatea astronauților din culise pe care îi vedeți în film”, notează Franklin, „sunt filmări din viața reală. Am avut o mulțime de cadre care nu au fost incluse în lista generală de cadre cu efecte vizuale, deși s-a făcut o muncă grozavă pentru a le crea.”

Aceste imagini „în direct” sunt posibile printr-o colaborare între Double Negative și Ph.D. Hoyte Van Hoytem. S-au folosit spoturi pentru a ilumina imaginile de fundal rezultate, cu un flux luminos combinat de 40.000 de lumeni pe scenă.”

Aceeași simulare este doar mai mare. Structura luminii cerului înstelat transmisă prin lentila gravitațională este clar vizibilă aici. La marginea găurii negre, orizontul se îndreaptă spre noi cu o viteză apropiată de viteza luminii.

„Trebuia să mutăm și să reconfiguram reflectoarele în funcție de nevoile scenei”, continuă Franklin. Băieții au muncit atât de mult, pentru că reflectoarele sunt obiecte uriașe, stângace - fiecare cântărind aproximativ 270 de kilograme. Aveam două cuști special făcute, fixate pe un troliu electric mare, cu capacitatea de a-l deplasa de-a lungul și respectiv peste pavilion, l-am putea folosi pentru a plasa reflectoarele. La radio, le-am explicat băieților cu reflectoare cum să le calibreze, discutând pe parcurs cu omul care operează stivuitoarele, alergând peste șantierul, care era plin de oameni.”

Făcând valuri

În film, Cooper (Matthew McConaughey), Amelia (Anne Hatway), Doyle (Wes Bentley) și robotul AI CASE vizitează o planetă complet acoperită de apă, ale cărei valuri, datorită apropierii foarte apropiate de Gargantua, ajung dimensiuni extraordinare. Telespectatorii au văzut deja valuri de treizeci de metri în alte filme, dar conform istoriei, acest lucru nu a fost suficient - conform scenariului, valurile ar fi trebuit să aibă mai mult de un kilometru înălțime. Pentru a oferi privitorului un sentiment al acestei înălțimi, Double Negative a trebuit să regândească abordarea standard pentru crearea apei. „Când luați obiecte de această scară”, explică Franklin, „toate caracteristicile pe care le asociați cu valurile, cum ar fi spargerea și buclele din partea de sus, pur și simplu dispar, pe măsură ce devin invizibile în raport cu un astfel de corp de apă - adică, valul devine mai mult ca pe un munte în mișcare din apă. Acesta este motivul pentru care am petrecut mult timp lucrând la pre-rendarea și ne-am întrebat cum putem folosi aceste scări de unde și mica navă spațială Ranger pe care o spălă. Cel mai important moment din scenă este atunci când valul îl depășește pe Ranger și îl ridică sus deasupra suprafeței. Și vezi cum nava se mișcă în sus de-a lungul valului, devine din ce în ce mai puțin și brusc se pierde complet pe ea. A fost un moment cheie pentru a ne da o idee despre amploarea a ceea ce se întâmplă.”

Anne Hatway ca Amelia pe planeta acvatică

Artiștii Double Negative au manipulat valurile prin animarea deformatorilor, remodelându-le efectiv la fiecare cadru cheie. „Asta ne-a oferit o formă de undă de bază”, spune Franklin, „dar pentru a o face să se simtă reală, trebuie să adăugăm spumă la suprafață, stropii interactive, vârtejurile de apă și stropii. Pentru aceasta am folosit dezvoltarea noastră internă numită Squirt Ocean. Și, desigur, a fost multă muncă suplimentară în Houdini după aceea.”

Ramele au fost create în IMAX de înaltă definiție. Această cerință a limitat oarecum timpul alocat pentru toate iterațiile duble negative posibile. „Am urmărit partea cu animația valului, i-am spus: „super, hai să adăugăm totul”, râde Franklin, „și apoi a trebuit să aștept aproximativ o lună și jumătate pentru ca totul să se întoarcă la mine - așa ceva. un proces lung s-a datorat permisiunii IMAX... După cum înțelegeți, nu am putut pierde timpul, pentru că, de obicei, întregul proces a fost împărțit în mai multe iterații, iar în acea perioadă am avut maximum trei.”

Robotul CASE, care a salvat-o pe Amelia de valul mare, și omologul său, TARS, erau de fapt păpuși de metal de 80 de kilograme controlate de artistul islandez Bill Irwin. Christopher Nolan a vrut ca filmul să aibă cât mai multe elemente reale și, în loc să-l deseneze, așa cum au făcut mulți oameni, Double Negative a trebuit să se ocupe de îndepărtarea interpretului din spatele robotului.

Când CASE se reconfigurează să meargă pe apă și apoi se rostogolește spre Amelia, o apucă și o duce, cadrul combină două soluții: practică și digitală. „În această fotografie”, spune Franklin, „a fost o platformă mică, pe apă, care era construită și atașată la un ATV. Adică am putea să călătorim „prin” apă și să obținem stropi și stropi minunate interactive. Tot pe ATV aveam un lift special cu brate robot, pe care puteam transporta doppelganger-ul lui Anne Hatway. Adică, toată această structură a mers și a „tăiat” apa și a trebuit doar să o scoatem din imagine și să o înlocuim cu o versiune digitală a robotului.”

Double Negative a încercat să limiteze cât mai mult posibil numărul de momente în care roboții digitali fac lucruri neobișnuite. Aceste momente au fost alergarea prin apă, aterizarea unui robot într-o navă, alergarea pe un ghețar și unele momente fără gravitație. „Ceea ce am observat cu mult timp în urmă este că poți face ca momentele digitale să funcționeze numai dacă le combini cu altele reale”, spune Franklin, vedem deja versiunea reală a robotului, nu digitală. Adică, scena se termină cu cadre cu realitatea, iar asta ajută să simți scena ca fiind cu adevărat reală.”

În interiorul teseractului

În film, cineva „ei” se dovedește a fi „noi”, doar suficient de avansat pentru a-l ajuta pe Cooper să se conecteze cu fiica lui, care a fost pe Pământ cu ani în urmă. Deoarece călătoria în timp este imposibilă într-un univers de legi cuantice și relativiste, istoria rezolvă această problemă în așa fel încât Cooper părăsește spațiul nostru tridimensional și intră într-un hiperspațiu de ordin superior. Dacă universul nostru este afișat ca un disc sau membrană 2D, atunci hiperspațiul ar fi o cutie care înconjoară acea membrană în trei dimensiuni. Modul de a gândi la acest lucru este că fiecare dimensiune necesită o dimensiune mai puțin pentru a o afișa. Astfel, spațiul tridimensional este desenat ca un disc 2D, iar mediul tridimensional din jurul acestui disc (fizicienii îl numesc brană) este o dimensiune deasupra membranei.

Imagine de Kip Thorne care explică ce sunt brana și membrana

În film, personajul lui Michael Caine, profesorul Brand, încearcă să dezlege anomaliile gravitaționale. O încercare de a rezolva o problemă în 4 și 5 dimensiuni este vizibilă clar pe plăcile din film. Filmul spune că, dacă Brand poate înțelege aceste anomalii, ele pot fi folosite pentru a modifica gravitația de pe Pământ și pentru a ridica în spațiu o structură uriașă care salvează oamenii.

În timp ce trecerea de la 3D la 4D nu rezolvă problema călătoriei în timp, în film îi permite lui Cooper să trimită unde gravitaționale înapoi în timp. El poate vedea oricând, dar poate provoca doar ondulații în acele vremuri - ondulațiile gravitaționale pe care fiica lui Cooper, Murphy, încearcă să le înțeleagă.

Treaba echipei Double Negative a fost să demonstreze vizual teseractul 4D pe care viitorul „noi” îl oferim lui Cooper pentru a induce unde gravitaționale. Ar fi ușor de făcut dacă ar fi făcut în sens simbolic sau sub formă de vis, dar echipa Double Negative a decis să vizualizeze teseractul 4D într-un mod mai expresiv, creând un concept care ar fi desigur o ipoteză, dar ar putea fi folosit chiar și pentru predare... În acest moment a reapărut Thorne.

Formulele lui Kip Thorne care explică gravitația în patru și cinci dimensiuni. Rețineți că aici brana „noastre” este cuprinsă între două realități alternative sau alte brane.

Pentru a înțelege soluția dublu negativă, merită să înțelegeți natura dimensiunilor de ordin superior. Dacă obiectul este în repaus, să spunem o minge - pentru spațiul bidimensional - este un cerc; pentru unidimensional - o linie. Dacă ne uităm la acest cerc în spațiul tridimensional, atunci vom vedea o minge (sferă). Dar ce se va întâmpla cu el dacă mergem în spațiul cu patru dimensiuni? Una dintre teorii, care a stat la baza gândirii noastre zilnice, a fost să ne imaginăm al patrulea spațiu ca timp. Apoi se dovedește că aceeași minge, dar nu în repaus, ci care sări, și într-o perioadă de timp infinit de mică este văzută ca aceeași minge. Dar pe parcurs, el creează o formă sub forma unui tub cu margini emisferice. Adică, în spațiul cu patru dimensiuni, mingea este o țeavă, iar sfera este o proiecție tridimensională a acestei figuri cu patru dimensiuni.

Dacă un cub din spațiul tridimensional își schimbă forma în timp, de exemplu, crește, atunci va fi reprezentat în spațiul cu patru dimensiuni ca o cutie, care în cele din urmă crește într-o cutie mare, afișând toate stările tridimensionale. cutie de-a lungul existenței sale. Se poate anima și schimba forma, așa cum se arată în acest videoclip:

Conform logicii filmului, dacă intri în acest tesseract, vei putea vedea spațiul tridimensional în orice moment al existenței sale, de exemplu, sub forma unor linii care merg în trecut și viitor. Mai mult, dacă luați în considerare presupunerea că există un număr infinit de realități paralele, veți vedea toate liniile tuturor realităților paralele posibile care se declanșează într-un număr infinit de direcții. Aceasta este tocmai soluția conceptuală a spațiului cu patru dimensiuni, cu care a lucrat studioul. „Firele” timpului pe care Cooper le vede arata ca niste sfori, iar prin atingerea lor poate provoca vibratii gravitationale, comunicand astfel cu fiica sa. Aceasta este o piesă cu adevărat genială de vizualizare științifică artistică!

Dar cum să-l tragi?

Preceptul lui Nolan conform căruia actorii ar trebui să interacționeze cu împrejurimile lor atunci când creează videoclipuri extins și la tesseract. După ce a căzut într-o gaură neagră, Cooper se trezește în spațiul cu patru dimensiuni, în care poate vedea orice obiecte și „firul” lor de timp. „Chris a spus că, deși acesta este un concept foarte abstract, a vrut cu adevărat să construiască ceva pe care să-l filmăm în viața reală”, spune Franklin. „Voia să-l vadă pe Matthew interacționând fizic cu filamentele, în timp, în spațiul real și nu atârnă în fața unui ecran verde.”

Acest lucru l-a determinat pe Franklin să se gândească la modul de redare a teseractului. „Mi-am petrecut mult timp înțelegându-mă cum să implementez toate acestea în spațiul real”, spune el. „Cum să arăt toate aceste” fire” temporare ale tuturor obiectelor într-o singură cameră și astfel încât să fie de înțeles din punct de vedere fizic. . La urma urmei, pericolul era ca spațiul să se dovedească atât de aglomerat cu „fire”, încât ar trebui să-și dea seama cum să evidențieze momentele necesare printre ele. În plus, a fost extrem de important ca Cooper să nu doar că a văzut „firele” timpului, ci și să le vadă feedback-ul asupra interacțiunii și, în același timp, să poată interacționa în continuare cu obiectele din camera fiicei sale.”

Vederea finală a „structurii de zăbrele deschise” a fost inspirată de conceptul de teseract. „Tesseract este o proiecție tridimensională a unui hipercub cu patru dimensiuni. Are o structură drăguță asemănătoare zăbrelei, așa că știam aproximativ ce vom face. Multă vreme, m-am uitat la marimile fotografiilor cu expunere lungă (fotografie cu scanare cu fantă) și la modul în care această tehnică vă permite să afișați același punct în spațiu în orice moment. Fotografia în sine transformă timpul într-una dintre dimensiunile imaginii finale. Combinația dintre această tehnică de fotografiere și structura de zăbrele a teseractului ne-a permis să creăm aceste „fire” tridimensionale ale timpului, parcă, curgând din obiect. Camerele sunt fotografii, momente încorporate în structura de zăbrele a „firelor” timpului, printre care Cooper poate căuta ceea ce dorește, mișcându-le înainte și înapoi.”

„Am ajuns să construim o secțiune a acestui model de fizică cu patru secțiuni repetate în jur”, spune Franklin. Am folosit și o mulțime de proiecții reale în timpul filmării. Punem „fire” active de timp sub secțiunile reale folosind proiectoare. Acest lucru ne-a dat un sentiment de tremur și energie febrilă - toate informațiile curgeau de-a lungul acestor „fire” de la secțiune la secțiune și înapoi. Dar, desigur, fiecare imagine a filmului final conține, printre altele, o cantitate nebună de efecte digitale încorporate în scenă.”

Dar unele momente l-au forțat pe Double Negative să treacă în totalitate la efecte vizuale digitale - un astfel de moment a fost, de exemplu, mișcarea lui Cooper prin tunelurile tesseract. „Nu aveam suficiente secțiuni tesseract pentru a surprinde această mișcare, așa că l-am filmat pe Matthew printre ecrane de proiecție cu o redare pre-finală a acestei scene din jurul lui – așa că a avut cu ce să interacționeze”, spune Franklin. Actorilor le-a plăcut totul. nebunește pentru că, spre deosebire de a face reclame sau un film pe un ecran verde, aveau ceva de urmărit. Ulterior am înlocuit această versiune cu o versiune finală de înaltă calitate, doar că în unele momente am părăsit versiunea pre-finală, deoarece pur și simplu era lipsită de focalizare și nu era vizibilă.”

Franklin observă, de asemenea, că au fost necesare o mulțime de efecte digitale, îndepărtarea firelor și o cantitate imensă de rotoscoping (roto, rotopaint) pentru a finaliza aceste scene. Au existat și anumite dificultăți în implementarea efectelor, realizate în întregime cu ajutorul graficii computerizate. De exemplu, în partea în care teseractul se închide și începe să se prăbușească. „Am luat geometria computerizată a teseractului și am rulat-o prin rotația hipercubului. Băieții lucrau la cum să aducă la viață transformarea rotației hipercubului și să o aplice direct la geometria teseractului creat de noi. A fost un moment foarte special pentru mine. Când am văzut rezultatele, mi-am dat seama că este perfect, exact ceea ce îmi doream.” Adaugă etichete