Nedávno vydaný vizuálne pohlcujúci film „Inrestellar“ je založený na skutočnej vedepojmov, ako napr rotujúce čierne diery, červie diery a dilatácia času.
Ak však tieto pojmy nepoznáte, možno budete pri sledovaní trochu zmätení.
Vo filme tím vesmírnych prieskumníkov cestuje do extragalaktické cestovanie cez červiu dieru... Na druhej strane skončia v inej slnečnej sústave s rotujúcou čiernou dierou namiesto hviezdy.
Sú v pretekoch s priestorom a časom, aby dokončili svoju misiu. Táto vesmírna cesta sa môže zdať trochu mätúca, ale je založená na základných princípoch fyziky.
Tu sú hlavné 5 pojmov fyziky musíte vedieť, aby ste pochopili Interstellar.
Umelá gravitácia
Najväčší problém, s ktorým sa my ľudia stretávame počas dlhých vesmírnych ciest, je stav beztiaže... Narodili sme sa na Zemi a naše telo sa prispôsobilo určitým gravitačným podmienkam, no keď sme dlho vo vesmíre, svaly nám začnú ochabovať.
S týmto problémom čelia aj hrdinovia vo filme Interstellar.
Aby sa s tým vedci vyrovnali, vytvárajú umelá gravitácia vo vesmírnych lodiach... Jedným zo spôsobov, ako to urobiť, je roztočiť vesmírnu loď, ako vo filme. Rotácia vytvára odstredivú silu, ktorá tlačí predmety proti vonkajším stenám lode. Toto odpudzovanie je podobné gravitácii, len v opačnom smere.
Toto je forma umelej gravitácie, ktorú zažívate, keď jazdíte okolo oblúka s malým polomerom a cítite sa vytlačený smerom von zo stredu krivky. V rotujúcej vesmírnej lodi sa steny pre vás stanú podlahou.
Rotujúca čierna diera vo vesmíre
Astronómovia, aj keď nepriamo, pozorovali v našom vesmíre rotujúce čierne diery... Nikto nevie, čo je v strede čiernej diery, ale vedci pre to majú meno -jedinečnosť .
Rotujúce čierne diery deformujú priestor okolo seba iným spôsobom ako stacionárne čierne diery.
Tento proces skreslenia sa nazýva „zotrvačné ťahanie“ alebo Lense-Thirringov efekt a ovplyvňuje to, ako bude čierna diera vyzerať, deformuje priestor a čo je dôležitejšie aj časopriestor okolo nej. Stačí čierna diera, ktorú vidíte vo filmeveľmi blízko vedeckému konceptu.
- Kozmická loď Endurance mieri do Gargantua - fiktívna supermasívna čierna diera s hmotnosťou 100 miliónov násobkov Slnka.
- Nachádza sa 10 miliárd svetelných rokov od Zeme a obieha okolo neho niekoľko planét. Gargantua sa otáča ohromujúcou rýchlosťou 99,8 percenta rýchlosti svetla.
- Akréčný disk Garagantua obsahuje plyn a prach s teplotou povrchu Slnka. Disk zásobuje planéty Gargantua svetlom a teplom.
Zložitý vzhľad čiernej diery vo filme je spôsobený skutočnosťou, že obraz akrečného disku je skreslený gravitačnou šošovkou. Na obrázku sa objavujú dva oblúky: jeden je vytvorený nad čiernou dierou a druhý je pod ňou.
Krtkova diera
Červí diera alebo červia diera, ktorú používa štáb v Interstellar, je jedným z javov vo filme, ktorých existencia nie je dokázaná... Je to hypotetické, ale veľmi výhodné v príbehoch sci-fi, kde musíte prekonať veľkú kozmickú vzdialenosť.
Len červie diery sú akési najkratšia cesta vesmírom... Akýkoľvek hmotný predmet vytvára v priestore dieru, čo znamená, že priestor môže byť natiahnutý, deformovaný a dokonca aj zložený.
Červí diera je ako záhyb v štruktúre priestoru (a času), ktorý spája dve veľmi vzdialené oblasti, čo pomáha vesmírnym cestovateľom prekonať veľkú vzdialenosť v krátkom čase.
Oficiálny názov červej diery je Einstein-Rosen Bridge, ako ho prvýkrát navrhli Albert Einstein a jeho kolega Nathan Rosen v roku 1935.
- V 2D diagramoch je ústa červej diery znázornená ako kruh. Ak by sme však videli červiu dieru, vyzerala by ako guľa.
- Na povrchu gule by bol z druhej strany „diery“ viditeľný gravitačne skreslený pohľad do vesmíru.
- Rozmery červej diery vo filme sú 2 km v priemere a prepravná vzdialenosť je 10 miliárd svetelných rokov.
Gravitačná dilatácia času
Gravitačná dilatácia času je skutočný jav pozorovaný na Zemi. Vzniká preto čas relatívne... To znamená, že pre rôzne súradnicové systémy prúdi rôzne.
Keď ste v silnom gravitačnom prostredí, čas ti plynie pomalšie v porovnaní s ľuďmi v slabom gravitačnom prostredí.
Ak sa nachádzate v blízkosti čiernej diery, ako vo filme, váš súradnicový systém, a teda aj vnímanie času, je odlišné od vnímania niekoho na Zemi. Je to preto, že gravitačná sila čiernej diery je tým silnejšia, čím bližšie ste k nej.
- Podľa Einsteinovej rovnice plynie čas vo vyšších gravitačných poliach pomalšie. To isté sa deje na planéte blízko čiernej diery: hodiny tikajú pomalšie ako na kozmickej lodi, ktorá obieha ďalej.
- Prítomnosť hmoty ohýba membránu ako gumovú fóliu.
- Ak sa v jednom bode sústredí dostatok hmoty, vytvorí sa singularita. Objekty približujúce sa k singularite prechádzajú horizontom udalostí, z ktorého sa už nikdy nevrátia.
Pre vás bude minúta v blízkosti čiernej diery trvať 60 sekúnd, ale ak by ste sa mohli pozrieť na hodiny na Zemi, minúta by trvala menej ako 60 sekúnd. Znamená to, že budete starnúť pomalšie ako ľudia na zemi a čím silnejšie je gravitačné pole, v ktorom sa nachádzate, tým viac sa čas spomalí.
To hrá dôležitú úlohu vo filme, keď výskumníci narazia na čiernu dieru v strede inej slnečnej sústavy.
Vesmír piatej dimenzie
Albert Einstein zasvätil posledných 30 rokov svojho života vývoju“ teória všetkého"To by spojilo matematické pojmy gravitácie s ďalšími tromi základnými prírodnými silami: silnou silou, slabou silou a elektromagnetickou silou. Rovnako ako iným fyzikom sa mu to nepodarilo."
Niektorí fyzici veria, že jediný spôsob, ako vyriešiť túto hádanku, je vnímať naše Vesmír ako 5-rozmerný, nie 4-rozmerný, ako to navrhol Einstein v teórii relativity, kde je trojrozmerný priestor kombinovaný s jednorozmerným časom.
Vo filme je náš vesmír predstavený v 5 dimenziách a v tom všetkom hrá dôležitú úlohu gravitácia.
Náš trojrozmerný vesmír si možno predstaviť ako plochú membránu (alebo „bránu“) vznášajúcu sa v štvorrozmernom hyperpriestore.
Trailer "Interstellar" 2014
Pokúsim sa odpovedať na pár otázok divákov o filme.
1) Prečo vyzerá Gargantuova čierna diera vo filme takto?
Interstellar je prvým celovečerným filmom v histórii kinematografie, ktorý využíva vizualizáciu čiernej diery na základe fyzikálneho a matematického modelu. Simulácie vykonal tím 30 špecialistov (oddelenie vizuálnych efektov Pavla Franklina) v spolupráci s Kipom Thornem, svetovo uznávaným teoretickým fyzikom známym svojou prácou v teórii gravitácie, astrofyzike a kvantovej teórii merania. Jedna snímka trvala približne 100 hodín a celkovo sa na model minulo približne 800 terabajtov dát.
Thorne vytvoril nielen matematický model, ale napísal aj špecializovaný softvér (CGI), ktorý mu umožnil zostaviť počítačový vizualizačný model.
Thorne urobil:
Samozrejme, je fér položiť si otázku: je Thornova simulácia prvou v histórii vedy? A je Thornov obraz niečím, čo sa predtým vo vedeckej literatúre nevidelo? Samozrejme, že nie.
Jean Pierre Luminet z Paris-Mudon Observatory, odboru relativistickej astrofyziky a kozmológie, ktorý je tiež svetovo známy svojou prácou o čiernych dierach a kozmológii, je jedným z prvých vedcov, ktorí získali obraz čiernej diery prostredníctvom počítačových simulácií. V roku 1987 vyšla jeho kniha „Black Holes: A Popular Introduction“, kde píše:
„Prvé počítačové snímky čiernej diery obklopenej akrečným diskom som získal ja (Luminet, J.-P. (1979): Astron. Astrophys.). Jemnejšie výpočty vykonal Mark (Marck, J.-A. (1993): Class. Quantum Grav) pre Schwarzschildovu metriku aj pre prípad rotujúcej čiernej diery. Pravdepodobné obrázky – teda vypočítané s prihliadnutím na zakrivenie priestoru, červený posun a fyzikálne vlastnosti disku – možno získať pre ľubovoľný bod, dokonca aj v rámci horizontu udalostí. Bol dokonca vyrobený film, ktorý ukazuje, ako sa tieto deformácie menia, keď sa pohybujú po časovej trajektórii okolo čiernej diery (Delesalle, Lachieze-Rey a Luminet, 1993). Obraz je jedným z jeho rámov pre prípad pohybu po zavesenej parabolickej trajektórii “
Vysvetlenie, prečo obrázok vyzerá presne takto:
"Vzhľadom na zakrivenie časopriestoru v blízkosti čiernej diery sa obraz sústavy výrazne líši od elips, ktoré by sme videli, keby sme čiernu dieru nahradili obyčajným nízkohmotným nebeským telesom. Žiarenie z tzv. horná strana disku tvorí priamy obraz a vďaka silnému skresleniu vidíme celý disk (čierna diera nezakrýva časti disku za ním), spodná časť disku je tiež viditeľná vďaka výraznému zakriveniu svetelných lúčov."
Lumineho imidž prekvapivo pripomína Thornov výsledok, ktorý získal po viac ako 30 rokoch od práce Francúza!
Prečo potom v mnohých iných vizualizáciách, v článkoch aj v populárno-vedeckých filmoch, možno čiernu dieru často vidieť úplne inak? Odpoveď je jednoduchá: počítačové „kreslenie“ čiernej diery na základe matematického modelu je veľmi zložitý a časovo náročný proces, ktorý sa často nezmestí do skromných rozpočtov, takže autori si väčšinou vystačia s prácou dizajnéra, nie fyzik.
2) Prečo nie je Gargantuov akrečný disk taký veľkolepý, ako ho možno vidieť na mnohých obrázkoch a populárno-vedeckých filmoch? Prečo nemohla byť čierna diera zobrazená jasnejšie a pôsobivejšie?
Skombinujem túto otázku s nasledujúcim:
3) Je známe, že akréčný disk čiernej diery je zdrojom veľmi intenzívneho žiarenia. Astronauti by jednoducho zomreli, keby sa priblížili k čiernej diere.
A skutočne je. Čierne diery sú motormi najjasnejších a najenergickejších zdrojov žiarenia vo vesmíre. Podľa moderných konceptov je srdcom kvazarov, ktoré niekedy žiaria jasnejšie ako stovky galaxií dohromady, čierna diera. Svojou gravitáciou priťahuje obrovské masy hmoty a núti ju zrútiť sa na malej ploche pod nepredstaviteľne vysokým tlakom. Táto látka sa zahrieva, prebiehajú v nej jadrové reakcie s emisiou silného röntgenového a gama žiarenia.
Klasický akrečný disk čiernej diery sa často kreslí takto:
Ak by bol Gargantua taký, takýto akrečný disk by svojou radiáciou zabíjal astronautov. Akrécia Thorneovej čiernej diery nie je taká hustá a masívna, podľa jeho modelu nie je teplota disku vyššia ako teplota povrchu Slnka. Je to do značnej miery spôsobené tým, že Gargantua je supermasívna čierna diera s hmotnosťou najmenej 100 miliónov násobku hmotnosti Slnka, s polomerom jednej astronomickej jednotky.
Toto nie je len supermasívna, ale ultramasívna čierna diera. Dokonca aj čierna diera v strede Mliečnej dráhy má podľa rôznych odhadov hmotnosť 4-4,5 milióna hmotností Slnka.
Hoci Gargantua má od rekordéra ďaleko. Napríklad diera v galaxii NGC 1277 má hmotnosť 17 miliárd sĺnk.
Myšlienka predstaviť si takýto experiment, v ktorom ľudia skúmajú čiernu dieru, trápila Thorna už od 80. rokov minulého storočia. Už vo svojej knihe „Čierne diery a záhyby času. Einstein's Daring Legacy, publikovaný v roku 1990, Thorne skúma hypotetický model medzihviezdneho cestovania, v ktorom výskumníci študujú čierne diery, chcú sa dostať čo najbližšie k horizontu udalostí, aby lepšie porozumeli jeho vlastnostiam.
Výskumníci začínajú s malou čiernou dierou. Vôbec im to nevyhovuje, pretože slapové sily, ktoré vytvára, sú príliš veľké a nebezpečné pre život. Nahrádzajú objekt skúmania masívnejšou čiernou dierou. Ale ani to ich neuspokojuje. Nakoniec sa vydajú smerom k obriemu Gargantuovi.
Gargantua sa nachádza v blízkosti kvazaru 3C273 – čo umožňuje porovnať vlastnosti dvoch otvorov.
Pri ich pozorovaní si výskumníci kladú otázku:
"Rozdiel medzi Gargantuou a 3C273 sa zdá prekvapivý: prečo Garnatua s tisícnásobnou hmotnosťou a veľkosťou nemá taký okrúhly bagel plynu a obrovské kvazarové trysky?"
Gargantuov akrečný disk je relatívne studený, nie masívny a nevyžaruje toľko energie ako v kvazare. prečo?
"Po teleskopických štúdiách Bret nachádza odpoveď: raz za niekoľko mesiacov sa hviezda obiehajúca okolo centrálnej diery 3C273 priblíži k horizontu a je roztrhnutá slapovými silami čiernej diery. Tento čerstvý plyn kompenzuje plyn, ktorý šiška neustále zásobuje dieru a trysky, takže bagel a trysky si udržiavajú zásoby plynu a naďalej jasne žiaria.
Bret vysvetľuje, že aj hviezdy sa môžu dostať do blízkosti Gargantua. Ale keďže Gargantua je oveľa väčšia ako 3C273, jej slapové sily nad horizontom udalostí sú príliš slabé na to, aby roztrhali hviezdu. Gargantua prehltne hviezdy celé bez toho, aby ich vnútro vyšplechlo do okolitého rožka. A bez šišky nemôže Gargantua vytvárať trysky a iné prvky kvazarov."
Aby mohol okolo čiernej diery existovať masívny radiačný disk, musí existovať stavebný materiál, z ktorého sa môže vytvoriť. V kvazare sú to husté oblaky plynu veľmi blízko čiernej diery hviezdy. Tu je klasický model na vytvorenie akrečného disku:
Interstellar ukazuje, že masívny akrečný disk tam jednoducho nemá z čoho vzniknúť. V systéme nie sú žiadne husté mraky ani blízke hviezdy. Ak niečo bolo, tak to už bolo všetko dávno zjedené.
Gargantua sa uspokojí s oblakmi medzihviezdneho plynu s nízkou hustotou, ktoré vytvárajú slabý „nízkoteplotný“ akrečný disk, ktorý nevyžaruje tak intenzívne ako klasické disky v kvazaroch alebo dvojhviezdach. Žiarenie z disku Gargantua preto astronautov nezabije.
Thorne v The Science of Interstellar píše:
"Typický akrečný disk má veľmi intenzívne röntgenové, gama a rádiové emisie. Tak silné, že usmaží každého astronauta, ktorý chce byť nablízku. Gargantuov disk zobrazený vo filme je extrémne slabý disk." samozrejme, nie podľa ľudských štandardov, ale podľa štandardov typických kvazarov. Namiesto toho, aby bol Gargantuov disk zahrievaný na stovky miliónov stupňov ako akréčné disky kvazarov, je horúci iba niekoľko tisíc stupňov, približne ako povrch Slnka. veľa svetla, ale nevyžaruje takmer žiadne röntgenové a gama žiarenie. Takéto disky môžu existovať v neskorších štádiách vývoja čiernych dier. Preto je Gargantuov disk úplne odlišný od obrázku, ktorý môžete často vidieť na rôznych populárnych astrofyzikách zdroje."
Je Kip Thorne jediný, kto vyjadril existenciu studených akrečných diskov okolo čiernych dier? Samozrejme, že nie.
Studené akrečné disky čiernych dier sa vo vedeckej literatúre študovali už dlho:
Podľa niektorých správ má supermasívna čierna diera v strede Mliečnej dráhy Sagittarius A * (Sgr A *) rovnaký studený akrečný disk:
Okolo našej centrálnej čiernej diery môže byť neaktívny prvok studený akrečný disk zostávajúce (v dôsledku nízkej viskozity) z "turbulentnej mladosti" Sgr A *, keď bola rýchlosť narastania vysoká. Teraz tento disk „nasáva“ horúci plyn, čím bráni jeho pádu do čiernej diery: plyn sa usadzuje v disku v relatívne veľkých vzdialenostiach od čiernej diery.
(c) Blízke hviezdy a neaktívny akrečný disk v Sgr A ∗: zatmenia a vzplanutia
Sergei Nayakshin1 a Rashid Sunyaev. // 1. Max-Planck-Institut fur Astrophysik, Karl-Schwarzschild-Str. Garching, Nemecko 2. Inštitút pre výskum vesmíru, Moskva, Rusko
Alebo Swan X-1:
Počas rokov 1996-1998 bola vykonaná spektrálna a časová analýza veľkého počtu pozorovaní observatória RXTE pribúdajúcich čiernych dier Cygnus X-1, GX339-4 a GS1354-644 v nízkom spektrálnom stave. Pre všetky tri zdroje bola zistená korelácia medzi charakteristickými frekvenciami chaotickej variability a spektrálnymi parametrami – sklonom komptonizovaného spektra žiarenia a relatívnou amplitúdou odrazenej zložky. Vzťah medzi amplitúdou odrazenej zložky a sklonom komptonizačného spektra ukazuje, že odrazové médium ( studený akrečný disk) je hlavným dodávateľom mäkkých fotónov do oblasti komptonizácie.
(c) Správa na konferencii organizácie SPIE "Astronomické teleskopy a prístrojové vybavenie", 21. - 31. marca 2000, Mníchov, Nemecko
Interakcia medzi hviezdami a an Neaktívny Accretion Disc v galaktickom jadre // Vladimır Karas. Astronomický ústav Akadémie vied, Praha, Česká republika a
(c) Univerzita Karlova, Matematicko-fyzikálna fakulta, Praha, Česká republika // Ladislav Šubr. Univerzita Karlova, Matematicko-fyzikálna fakulta, Praha, Česká republika
„Kľudné“ čierne diery sú podobné diere v hmlovine Andromeda, jednej z prvých objavených supermasívnych čiernych dier. Jeho hmotnosť je asi 140 miliónov hmotností Slnka. Našli ho ale nie silným žiarením, ale charakteristickým pohybom hviezd okolo tejto oblasti. Charakteristické „kvasarové“ žiarenie jadra týchto galaxií. A astrofyzici prišli na to, že hmota na túto čiernu dieru jednoducho nepadá. Táto situácia je typická pre „tiché“ galaxie ako hmlovina Andromeda a Mliečna dráha.
Galaxie s aktívnymi čiernymi dierami sa nazývajú aktívne alebo Seyfertove galaxie. Seyfertove galaxie zahŕňajú asi 1% všetkých pozorovaných špirálových galaxií.
Ako bola supermasívna čierna diera nájdená v hmlovine Andromeda, je dobre ilustrovaná v populárnom vedeckom filme BBC Supermassive Black Holes.
4) Je známe, že čierne diery majú smrtiace slapové sily. Neroztrhali by astronautov aj Millerovu planétu, ktorá je vo filme príliš blízko horizontu udalostí?
Dokonca aj lakonická Wikipedia píše o jednej dôležitej vlastnosti supermasívnej čiernej diery:
"Slapové sily blízko horizontu udalostí sú výrazne slabšie, pretože centrálna singularita je tak ďaleko od horizontu, že hypotetický astronaut cestujúci do stredu čiernej diery nepocíti extrémne slapové sily, kým sa do nej neponorí veľmi hlboko."
S tým súhlasia všetky vedecké a populárne zdroje, ktoré popisujú vlastnosti supermasívnych čiernych dier.
Umiestnenie bodu, v ktorom slapové sily dosiahnu takú veľkosť, že zničia objekt, ktorý tam spadol, závisí od veľkosti čiernej diery. V prípade supermasívnych čiernych dier, ako sú tie, ktoré sa nachádzajú v strede Galaxie, tento bod leží v ich horizonte udalostí, takže hypotetický astronaut môže prekročiť ich horizont udalostí bez toho, aby si všimol akékoľvek deformácie, ale po prekročení horizontu udalostí jeho pád do stredu čierna diera je už nevyhnutná... V prípade malých čiernych dier, ktorých polomer Schwarzschildov je oveľa bližšie k singularite, slapové sily zabijú astronauta ešte predtým, ako dosiahne horizont udalostí.
(c) Schwarzschildove čierne diery // Všeobecná relativita: úvod pre fyzikov. - Cambridge University Press, 2006. - S. 265. - ISBN 0-521-82951-8.
Samozrejme, hmotnosť Gargantua bola zvolená tak, aby ju neroztrhali prílivy astronautov.
Stojí za zmienku, že Thorne Gargantua z 90. rokov je o niečo masívnejší ako Interstellar:
„Výpočty ukázali, že čím väčšia je diera, tým menší ťah je potrebný na to, aby ju raketa udržala na obvode 10001 horizontov udalostí. Pre bolestivý, ale znesiteľný ťah 10 g Zeme by diera musela mať 15 biliónov slnečných hmôt. Najbližšia z týchto dier sa nazýva Gargantua, ktorá sa nachádza 100 000 svetelných rokov od našej galaxie a 100 miliónov svetelných rokov od kopy galaxií v Panne, okolo ktorej sa točí Mliečna dráha. V skutočnosti je blízko kvazaru 3C273, 2 miliardy svetelných rokov od Mliečnej dráhy...
Pri prechode na obežnú dráhu Gargantua a vykonaní obvyklých meraní ste presvedčení, že skutočne má hmotnosť 15 biliónov slnečných hmôt a že rotuje veľmi pomaly. Z týchto údajov vypočítate, že jeho horizont má obvod 29 svetelných rokov. Nakoniec očakáva, že to bude diera, ktorú môžete preskúmať a zároveň zažiť prípustné prílivové sily a zrýchlenie!"
Vo svojej knihe „The Science of Interstellar“ z roku 2014, kde Kip Thorne opisuje vedecké aspekty práce na filme, už cituje číslo 100 miliónov hmotností Slnka – no poznamenáva, že toto je minimálna hmotnosť, ktorá môže byť „pohodlná“ v vzťah k slapovým silám čiernej diery.
5) Ako mohla Millerova planéta existovať tak blízko čiernej diery? Roztrhne to slapovými silami?
Astronóm Phil Plainte, známy pod prezývkou „zlý astronóm“ pre svoju neskrotnú skepsu, jednoducho nedokázal prejsť cez Interstellar. Okrem toho pred tým zlomyseľne zničil svojou nudnou skepsou mnohé senzačné filmy, napríklad „Gravitácia“.
„Na Interstellar som sa veľmi tešil... Ale to, čo som videl, bolo hrozné. Toto je úplné zlyhanie. všetko sa mi veľmi, veľmi nepáčilo"- píše vo svojom článku 6. novembra.
Phil vedecky hovorí, že film je úplná kravina. To ani v hypotetickom rámci nemôže zodpovedať moderným vedeckým predstavám. Jazdil najmä okolo Millerovej planéty. Planéta sa podľa neho môže stabilne točiť okolo takejto čiernej diery, no jej obežná dráha by mala byť minimálne trojnásobkom veľkosti samotnej Gargantuy. Hodiny budú bežať pomalšie ako na Zemi, ale len o 20 percent. Stabilita planéty v blízkosti čiernej diery, ako je znázornená vo filme, je nemožným vynálezom. Navyše bude úplne roztrhaný slapovými silami čiernej diery.
Ale 9. novembra sa Plaint objavuje s novým článkom. Volá ju Nasledujúci: Interstellar Mea Culpa... Nezmerný vedecký kritik sa rozhodol činiť pokánie.
"Znova som sa posral. Ale bez ohľadu na veľkosť mojich chýb, vždy sa ich snažím priznať. Nakoniec nás veda sama núti priznať si svoje chyby a poučiť sa z nich!"
Phil Plaint priznal, že vo svojich úvahách urobil chyby a dospel k nesprávnym záverom:
„Vo svojej recenzii som hovoril o Millerovej planéte obiehajúcej blízko čiernej diery. Hodina strávená na planéte sa rovná siedmim pozemským rokom. Tvrdil som, že pri takejto dilatácii času by stabilná obežná dráha planéty bola nemožná.
A to je pravda ... pre nerotujúcu čiernu dieru. Moja chyba bola. že som nepoužíval správne rovnice pre čiernu dieru, ktorá sa rýchlo otáčala! To výrazne mení obraz časopriestoru v blízkosti čiernej diery. Teraz chápem, že stabilná obežná dráha tejto planéty okolo čiernej diery môže existovať a je tak blízko horizontu udalostí, že je možná dilatácia času naznačená vo filme. Vo všeobecnosti som sa mýlil.
Vo svojej pôvodnej analýze som tiež tvrdil, že gravitačné prílivy roztrhajú túto planétu na kusy. Konzultoval som to s pár astrofyzikami, ktorí tiež povedali, že Gargantuov príliv a odliv by mal pravdepodobne zničiť planétu, ale to ešte nebolo matematicky potvrdené. Na vyriešení tohto problému stále pracujú – a hneď ako bude vyriešený, riešenie zverejním. Sám neviem povedať, či som mal vo svojej analýze pravdu alebo sa mýlil – a aj keby som mal pravdu, moje úvahy sa stále týkali len nerotujúcej čiernej diery, takže pre tento prípad nie sú platné.
Na vyriešenie takéhoto problému je potrebné prediskutovať mnoho matematických problémov. Neviem ale presne, ako ďaleko bola Millerova planéta od Gargantua, a preto je veľmi ťažké povedať, či by ju príliv zničil alebo nie. Knihu fyzika a výkonného producenta filmu Kipa Thorna The Science of Interstellar som ešte nečítal – myslím, že vnesie trochu svetla do tohto problému.
Mýlil som sa však o stabilite obežnej dráhy – a teraz cítim povinnosť toto svoje tvrdenie o filme zrušiť.
Takže, aby som to zhrnul: fyzický obraz v blízkosti čiernej diery zobrazený vo filme je v skutočnosti v súlade s vedou. Urobil som chybu, za ktorú sa ospravedlňujem.
Ikjyot Singh Kohli, teoretický fyzik z University of York, dal na svojej stránke riešenia rovníc, čím dokázal, že existencia Millerovej planéty je celkom možná.
Našiel riešenie, v ktorom bude planéta existovať v podmienkach zobrazených vo filme. Diskutoval však aj o probléme slapových síl, ktoré by údajne mali planétu roztrhať. Jeho riešenie ukazuje, že slapové sily sú príliš slabé na to, aby ho zlomili.
Dokonca doložil prítomnosť obrovských vĺn na povrchu planéty.
Úvahy Singha Kohliho s príkladmi rovníc tu:
Takto sa planéta Millera Thorna nachádza v jeho knihe:
Existujú body, v ktorých bude obežná dráha nestabilná. Ale Thorne tiež našiel stabilnú obežnú dráhu:
Slapové sily planétu neroztrhajú, ale deformujú:
Ak sa planéta točí okolo zdroja slapových síl, potom budú neustále meniť svoj smer a deformovať ho rôznymi spôsobmi na rôznych miestach obežnej dráhy. V jednej polohe bude planéta sploštená z východu na západ a pretiahnutá zo severu na juh. V inom bode obežnej dráhy je stlačený zo severu na juh a natiahnutý z východu na západ. Keďže gravitácia Gargantua je taká veľká, meniace sa vnútorné deformácie a trenie zohrievajú planétu, čím sa stáva veľmi horúcou. Ale ako sme videli vo filme, Millerova planéta vyzerá úplne inak.
Preto je spravodlivé predpokladať, že planéta je vždy jednou stranou otočená ku Gargantuovi. A to je prirodzené pre mnohé telesá, ktoré sa točia okolo silnejšieho gravitujúceho objektu. Napríklad náš Mesiac, mnohé satelity Jupitera a Saturna sú vždy otočené k planéte len jednou stranou.
Thorne sa zaoberal aj ďalším dôležitým bodom:
„Ak sa pozriete na Millerovu planétu z Mannovej planéty, môžete vidieť, ako sa točí okolo Gargantua s obežnou dobou 1,7 hodiny, pričom za tento čas prejde takmer miliardu kilometrov. To je asi polovica rýchlosti svetla! Kvôli spomaleniu času pre posádku Rangeru sa táto doba skracuje na desatinu sekundy. Je to veľmi rýchle! A nie je to oveľa rýchlejšie ako rýchlosť svetla? Nie, pretože v systéme hlásenia vírového pohybujúceho sa priestoru okolo Gargantua sa planéta pohybuje pomalšie ako svetlo.
V mojom vedeckom modeli filmu je planéta vždy jednou stranou otočená k čiernej diere a otáča sa závratnou rýchlosťou. Roztrhajú odstredivé sily planétu kvôli tejto rýchlosti? Nie: opäť ju zachráni rotujúci vesmírny vír. Planéta nepocíti ničivé odstredivé sily, pretože samotný vesmír sa s ňou otáča rovnakou rýchlosťou."
6) Ako sú možné také obrovské vlny na povrchu Millerovej planéty?
Thorne odpovedá na túto otázku takto:
„Urobil som potrebné fyzikálne výpočty a našiel som dve možné vedecké interpretácie.
Obe tieto riešenia vyžadujú, aby os rotácie planéty bola nestabilná. Planéta by sa mala kývať v určitom rozsahu, ako je znázornené na obrázku. To sa deje pod vplyvom gravitácie Gargantua.
Keď som vypočítal periódu tohto wobble, dostal som hodnotu asi hodinu. A to sa zhodovalo s časom, ktorý vybral Chris – ktorý ešte nevedel o mojej vedeckej interpretácii!
Môj druhý model je cunami. Gargantuove slapové sily môžu deformovať kôru Millerovej planéty s rovnakou periódou (1 hodina). Tieto deformácie môžu spôsobiť veľmi silné zemetrasenia. Môžu spôsobiť cunami, ktoré výrazne prevýšia všetky, ktoré možno vidieť na Zemi."
7) Ako sú možné také neuveriteľné manévre Endurence a Ranger na obežnej dráhe Gargantua?
1) Endurence sa pohybuje na parkovacej obežnej dráhe s polomerom rovným 10 polomeru Gargantua a posádka smerujúca na stanicu Miller sa pohybuje rýchlosťou C/3. Millerova planéta sa pohybuje rýchlosťou 55% S.
2) Strážca musí znížiť rýchlosť z C / 3 na nižšiu, aby znížil obežnú dráhu a priblížil sa k Millerovmu bodu. Spomalí sa na s / 4 a dostane sa do blízkosti planéty (samozrejme, tu musíte postupovať podľa prísneho výpočtu, aby ste sa tam dostali. Ale to nie je problém pre počítač)
Mechanizmus takejto výraznej zmeny rýchlosti opisuje Thorne:
„Hviezdy a malé čierne diery sa točia okolo obrovských čiernych dier, ako je Gargantua. Práve oni môžu vytvoriť rozhodujúce sily, ktoré vychýlia Strážcu z jeho kruhovej obežnej dráhy a pošlú ho dole do Gargantua. Podobnú gravitačnú asistenciu často využíva NASA v slnečnej sústave, hoci využíva gravitáciu planét, nie čiernych dier. Podrobnosti tohto manévru nie sú v Interstellar zverejnené, ale samotný manéver sa spomína, keď sa hovorí o použití neutrónovej hviezdy na spomalenie rýchlosti.
Neutrónovú hviezdu zobrazuje Thorn na obrázku:
Dátum s neutrónovou hviezdou vám umožňuje zmeniť rýchlosť:
„Takýto prístup môže byť veľmi nebezpečný; Strážca sa musí dostať dostatočne blízko k neutrónovej hviezde (alebo malej čiernej diere), aby zachytil silnú gravitáciu. Ak je brzdiaca hviezda alebo čierna diera s polomerom menším ako 10 000 km, ľudia a Strážca budú roztrhaní slapovými silami. Neutrónová hviezda by preto mala mať veľkosť aspoň 10 000 km.
Diskutoval som o tomto probléme s Nolanom počas výroby scenára, pričom som navrhol čiernu dieru alebo neutrónovú hviezdu, z ktorých si môžete vybrať. Nolan si vybral neutrónovú hviezdu. prečo? Pretože nechcel zmiasť divákov dvoma čiernymi dierami."
„Čierne diery nazývané IMBH (Intermediate-Mass Black Holes) sú desaťtisíckrát menšie ako Gargantua, ale tisíckrát ťažšie ako bežné čierne diery. Cooper potrebuje takýto odvádzač. Predpokladá sa, že niektoré IMBH sa tvoria v guľových hviezdokopách a niektoré sa nachádzajú v jadrách galaxií, ktoré sú tiež domovom obrovských čiernych dier. Najbližším príkladom je hmlovina Andromeda, ktorá je nám najbližšou galaxiou. V jadre Andromedy je ukrytá diera podobná Gargantuovi – asi 100 miliónov slnečných hmôt. Keď IMBH prechádza cez ktorúkoľvek oblasť s hustou hviezdnou populáciou, efekt „dynamického trenia“ spomalí rýchlosť IMBH a ten klesá nižšie a nižšie, čím ďalej tým bližšie k obrovskej čiernej diere. V dôsledku toho sa IMBH ocitne v bezprostrednej blízkosti supermasívnej čiernej diery. Príroda by teda mohla poskytnúť Cooperovi takýto zdroj gravitačnej odchýlky."
Pozrite si skutočnú aplikáciu „gravitačného praku“ na príklade medziplanetárnej kozmickej lode – pozrite si napríklad históriu Voyagerov.
Veda
Nedávno uvedený vizuálne pohlcujúci film „Inrestellar“ je založený na skutočných vedeckých konceptoch ako napr rotujúce čierne diery, červie diery a dilatácia času.
Ak však tieto pojmy nepoznáte, možno budete pri sledovaní trochu zmätení.
Vo filme tím vesmírnych prieskumníkov cestuje do extragalaktické cestovanie cez červiu dieru... Na druhej strane skončia v inej slnečnej sústave s rotujúcou čiernou dierou namiesto hviezdy.
Sú v pretekoch s priestorom a časom, aby dokončili svoju misiu. Táto vesmírna cesta sa môže zdať trochu mätúca, ale je založená na základných princípoch fyziky.
Tu sú hlavné 5 pojmov fyziky Na pochopenie Interstellaru potrebujete vedieť:
Umelá gravitácia
Najväčší problém, s ktorým sa my ľudia stretávame počas dlhých vesmírnych ciest, je stav beztiaže... Narodili sme sa na Zemi a naše telo sa prispôsobilo určitým gravitačným podmienkam, no keď sme dlho vo vesmíre, svaly nám začnú ochabovať.
S týmto problémom čelia aj hrdinovia vo filme Interstellar.
Aby sa s tým vedci vyrovnali, vytvárajú umelá gravitácia vo vesmírnych lodiach... Jedným zo spôsobov, ako to urobiť, je roztočiť vesmírnu loď, ako vo filme. Rotácia vytvára odstredivú silu, ktorá tlačí predmety proti vonkajším stenám lode. Toto odpudzovanie je podobné gravitácii, len v opačnom smere.
Toto je forma umelej gravitácie, ktorú zažívate, keď jazdíte okolo oblúka s malým polomerom a cítite sa vytlačený smerom von zo stredu krivky. V rotujúcej vesmírnej lodi sa steny pre vás stanú podlahou.
Rotujúca čierna diera vo vesmíre
Astronómovia, aj keď nepriamo, pozorovali v našom vesmíre rotujúce čierne diery... Nikto nevie, čo je v strede čiernej diery, ale vedci pre to majú meno -jedinečnosť .
Rotujúce čierne diery deformujú priestor okolo seba iným spôsobom ako stacionárne čierne diery.
Tento proces skreslenia sa nazýva „zotrvačné ťahanie“ alebo Lense-Thirringov efekt a ovplyvňuje to, ako bude čierna diera vyzerať, deformuje priestor a čo je dôležitejšie aj časopriestor okolo nej. Stačí čierna diera, ktorú vidíte vo filmeveľmi blízko vedeckému konceptu.
- Kozmická loď Endurance mieri do Gargantua - fiktívna supermasívna čierna diera s hmotnosťou 100 miliónov násobkov Slnka.
- Nachádza sa 10 miliárd svetelných rokov od Zeme a obieha okolo neho niekoľko planét. Gargantua sa otáča ohromujúcou rýchlosťou 99,8 percenta rýchlosti svetla.
- Akréčný disk Garagantua obsahuje plyn a prach s teplotou povrchu Slnka. Disk zásobuje planéty Gargantua svetlom a teplom.
Zložitý vzhľad čiernej diery vo filme je spôsobený skutočnosťou, že obraz akrečného disku je skreslený gravitačnou šošovkou. Na obrázku sa objavujú dva oblúky: jeden je vytvorený nad čiernou dierou a druhý je pod ňou.
Krtkova diera
Červí diera alebo červia diera, ktorú používa štáb v Interstellar, je jedným z javov vo filme, ktorých existencia nie je dokázaná... Je to hypotetické, ale veľmi výhodné v príbehoch sci-fi, kde musíte prekonať veľkú kozmickú vzdialenosť.
Len červie diery sú akési najkratšia cesta vesmírom... Akýkoľvek hmotný predmet vytvára v priestore dieru, čo znamená, že priestor môže byť natiahnutý, deformovaný a dokonca aj zložený.
Červí diera je ako záhyb v štruktúre priestoru (a času), ktorý spája dve veľmi vzdialené oblasti, čo pomáha vesmírnym cestovateľom prekonať veľkú vzdialenosť v krátkom čase.
Oficiálny názov červej diery je Einstein-Rosen Bridge, ako ho prvýkrát navrhli Albert Einstein a jeho kolega Nathan Rosen v roku 1935.
- V 2D diagramoch je ústa červej diery znázornená ako kruh. Ak by sme však videli červiu dieru, vyzerala by ako guľa.
- Na povrchu gule by bol z druhej strany „diery“ viditeľný gravitačne skreslený pohľad do vesmíru.
- Rozmery červej diery vo filme sú 2 km v priemere a prepravná vzdialenosť je 10 miliárd svetelných rokov.
Gravitačná dilatácia času
Gravitačná dilatácia času je skutočný jav pozorovaný na Zemi. Vzniká preto čas relatívne... To znamená, že pre rôzne súradnicové systémy prúdi rôzne.
Keď ste v silnom gravitačnom prostredí, čas ti plynie pomalšie v porovnaní s ľuďmi v slabom gravitačnom prostredí.
Vesmír je opradený mnohými záhadami. Štruktúra a vlastnosti rôznych, možnosť medziplanetárneho cestovania priťahujú pozornosť nielen vedcov, ale aj fanúšikov sci-fi. Prirodzene, najatraktívnejšia je tá, ktorá má jedinečné vlastnosti, ktorá v dôsledku rôznych okolností nebola dostatočne prebádaná. Medzi takéto objekty patria čierne diery.
Čierne diery majú veľmi vysokú hustotu a neuveriteľne veľkú gravitačnú silu. Nedokážu z nich uniknúť ani lúče svetla. To je dôvod, prečo vedci môžu „vidieť“ čiernu dieru iba vďaka pôsobeniu, ktoré má na okolitý priestor. V bezprostrednej blízkosti čiernej diery sa hmota zahrieva a pohybuje sa veľmi vysokou rýchlosťou. Táto plynná látka sa nazýva akrečný disk, ktorý vyzerá ako plochý svietiaci oblak. Vedci pozorujú röntgenové lúče z akrečného disku cez röntgenové teleskopy. Zaznamenávajú aj obrovskú rýchlosť pohybu hviezd na ich dráhach, za čo môže veľká gravitácia neviditeľného objektu obrovskej hmotnosti. Astronómovia rozlišujú tri triedy čiernych dier:
Čierne diery s hviezdnou hmotnosťou
Stredne hmotné čierne diery
Supermasívne čierne diery.
Za hmotnosť hviezd sa považuje od troch do sto hmotností Slnka. Nazývajú sa supermasívne čierne diery, ktoré majú hmotnosť Slnka od stoviek tisíc až po niekoľko miliárd. Zvyčajne sa nachádzajú v strede galaxií.
Druhá kozmická rýchlosť alebo úniková rýchlosť je minimum, ktoré sa musí dosiahnuť, aby sa prekonala gravitačná príťažlivosť a prekročilo sa obežná dráha daného nebeského telesa. Pre Zem je úniková rýchlosť jedenásť kilometrov za sekundu a pre čiernu dieru viac ako tristotisíc, taká silná je jej gravitácia! 
Hranica čiernej diery sa nazýva horizont udalostí. Predmet zachytený vo vnútri už nemôže opustiť túto oblasť. Veľkosť horizontu udalostí je úmerná hmotnosti čiernej diery. Aby vedci ukázali, aká obrovská je hustota čiernych dier, uvádzajú tieto údaje - čierna diera s hmotnosťou 10-násobku hmotnosti Slnka by mala priemer približne 60 km a čierna diera s hmotnosťou našej Zeme - iba 2 cm Ide však len o teoretické výpočty, pretože čierne diery, ktoré nedosiahli tri hmotnosti Slnka, vedci ešte neidentifikovali. Všetko, čo vstupuje do horizontu udalostí, smeruje k singularite. Singularita, zjednodušene povedané, je miestom, kde hustota smeruje k nekonečnu. Nie je možné nakresliť geodetickú čiaru, ktorá do nej vstupuje cez gravitačnú singularitu. Čierna diera sa vyznačuje zakrivením štruktúry priestoru a času. Priamka, ktorá vo fyzike predstavuje dráhu pohybu svetla vo vákuu, sa stáva krivkou v blízkosti čiernej diery. Aké fyzikálne zákony fungujú v blízkosti bodu singularity a priamo v ňom, zatiaľ nie je známe. Niektorí výskumníci napríklad hovoria o prítomnosti takzvaných červích dier alebo časopriestorových tunelov v čiernych dierach. Nie všetci vedci však súhlasia s priznaním existencie takýchto tunelov s červími dierami.
Téma vesmírneho cestovania, časopriestorových tunelov je zdrojom inšpirácie pre autorov sci-fi, scenáristov a režisérov. V roku 2014 sa konala premiéra filmu Interstellar. Na jeho vytvorení pracovala celá skupina vedcov. Ich vodcom sa stal známy vedec, odborník na teóriu gravitácie, astrofyziku - Kip Stephen Thorne. Tento film je považovaný za jeden z najvedeckých sci-fi filmov, a preto sú naň kladené vysoké nároky. Veľa sa diskutovalo o tom, do akej miery jednotlivé momenty vo filme zodpovedajú vedeckým faktom. Dokonca vyšla aj kniha The Science of Interstellar, v ktorej profesor Stephen Thorne vedecky vysvetľuje rôzne scény z filmu. Hovoril o tom, ako veľmi je film založený na vedeckých faktoch a vedeckých predpokladoch. Existuje však aj len fiktívna fikcia. Napríklad Gargantuova čierna diera je reprezentovaná ako svetelný disk, ktorý sa ohýba okolo svetla. To nie je v rozpore s vedeckými poznatkami, keďže nie je viditeľná samotná čierna diera, ale iba akrečný disk a svetlo sa nemôže pohybovať v priamom smere kvôli silnej gravitácii a zakriveniu vesmíru.
Gargantuova čierna diera obsahuje červiu dieru, čo je červia diera alebo tunel, ktorý prechádza priestorom a časom. Existencia takýchto tunelov v čiernych dierach je len vedecký predpoklad, s ktorým mnohí vedci nesúhlasia. Fikcia je schopnosť prejsť takýmto tunelom a vrátiť sa.
Gargantuova čierna diera je fantáziou tvorcov Interstellar, ktorá do veľkej miery zodpovedá skutočným vesmírnym objektom. Preto by som chcel pre obzvlášť zarytých kritikov pripomenúť, že film je predsa len sci-fi, nie populárna. Ukazuje krásu a vznešenosť sveta, ktorý nás obklopuje, pripomína nám, koľko máme ešte nevyriešených problémov. A požadovať od sci-fi filmu presný odraz vedecky dokázaných faktov je trochu nevhodné a naivné.
Moje meno je Andrey Kolokoltsev. Charakterom mojej práce ma už dlho zaujímajú príbehy o tom, ako sa významní režiséri, producenti, štúdiá vyrovnávajú s tvorbou určitých vizuálnych filmov. Pre svoju prvú publikáciu som si vybral film, ktorý sa pre mňa stal audiovizuálnym zjavením a skutočným emocionálnym lákadlom (to je pri pozeraní filmu na IMAX plátne, 2/3 dojmov sa stratí doma v TV). Od prekvapenia neskočíte, keďže ste si už prečítali všetko v názve – ide o film Christophera Nolana „Interstellar“. Napriek tomu, že záujem o neho už dávno vyprchal, dávam do pozornosti voľný preklad pôvodného článku Mikea Seymoura „Interstellar: inside the black art“ z 18. novembra 2014. Tento článok hovorí o tom, ako vznikala vizualizácia "Gargantua" a ďalšie scény z filmu - myslím, že to bude pre čitateľov zaujímavé aj po 1,5 roku.
Režisér Interstellar Christopher Nolan vysvetľuje základy kvantovej fyziky Matthewovi McConaugheymu
Pracovníci oddelenia špeciálnych efektov a počítačovej grafiky sa veľmi často stretávajú s potrebou vytvoriť vizualizáciu niečoho, čo ešte nikto nevidel. K tomu sa pridáva požiadavka moderného filmového priemyslu, aby to všetko vyzeralo reálne, aj keď v skutočnosti nikto poriadne nevie, ako by to mohlo vyzerať. Vo filme Christophera Nolana „Interstellar“ mali supervízor špeciálnych efektov Paul Franklin a tím Double Negative vytvoriť vizualizáciu vecí nie z našej dimenzie, navyše čo najbližšie nielen kvantovej fyzike a relativistickej mechanike, ale aj našej spoločnej pochopenie kvantovej gravitácie.
Bolo šťastím, že medzi hlavným tímom Double Negative bol Oliver James, vedúci výskumník s Oxfordským vzdelaním v optike a atómovej fyzike a hlbokým pochopením Einsteinových relativistických zákonov. Podobne ako Franklin spolupracoval s hlavným producentom a vedeckým poradcom Kipom Thornom. Thorne musel vypočítať zložité matematické rovnice a poslať ich Jamesovi na preklad do kvalitných renderov. Požiadavky filmu vyzvali Jamesa, aby nielen vizualizoval výpočty vysvetľujúce oblúkové dráhy svetla, ale aj aby vizualizoval prierezy svetelných lúčov, ktoré menia svoju veľkosť a tvar, keď prechádzajú čiernou dierou.
Jamesov kód bol len súčasťou celkového riešenia. Pracoval ruka v ruke s vedúcim umeleckého tímu, supervízorom CGI efektov Eugenom von Tanzelmannom, ktorý pridal akrečný disk a tiež vytvoril galaxiu a hmlovinu, ktoré sa deformujú, keď svetlo prechádza okolo čiernej diery. Nemenej náročná bola úloha predviesť, ako niekto vstupuje do štvorrozmerného tesseractu, spojeného s trojrozmerným priestorom izbičky malého dievčatka – a to všetko tak, aby divák pochopil, čo sa na obrazovke vo všeobecnosti deje.
V tomto článku budeme diskutovať o niektorých kľúčových snímkach vytvorených Double Negative, ako aj o vedeckom výskume, ktorý k nim viedol. Upozorňujeme, že v nasledujúcom materiáli sú možné spojlery.
Vytváranie čiernej diery
Snáď jedným z najvýznamnejších príspevkov k Nolanovmu cieľu maximálneho realizmu je zobrazenie Gargantuovej čiernej diery. Vďaka podnetom od Thorna sa filmári snažili ukázať správanie svetla v čiernej diere a červej diere. Pre "Double Negative" si táto výzva vyžadovala napísanie úplne nového fyzického renderera.Pohľad kamery na kruhovú rovníkovú dráhu čiernej diery rotujúcej rýchlosťou 0,999 maximálnej možnej rýchlosti rotácie. Kamera je vo vzdialenosti r = 6,03 GM / c ^ 2, kde M je hmotnosť čiernej diery, G a c sú Newtonova konštanta a rýchlosť svetla. Horizont udalostí čiernej diery je vo vzdialenosti r = 1,045 GM / c ^ 2.
"Kip mi vysvetľoval relativistické zakrivenie priestoru okolo čiernej diery," hovorí Paul Franklin. "Gravitácia skrútená v čase odkláňa svetlo od seba a vytvára fenomén nazývaný Einsteinova šošovka, gravitačná šošovka okolo čiernej diery. A v tej chvíli som rozmýšľal, ako môžeme vytvoriť takýto obraz a existujú nejaké príklady s podobným grafickým efektom, na ktoré by sme sa mohli spoľahnúť."
„Pozrel som sa na najzákladnejšie simulácie vytvorené vedeckou komunitou,“ dodáva Franklin, „a pomyslel som si, dobre, pohyb tejto veci je taký zložitý, že si budeme musieť vytvoriť vlastnú verziu od začiatku. Potom Kip veľmi úzko spolupracoval s Oliverom Jamesom, naším hlavným vedcom, a jeho oddelením. Použili Kipove výpočty, aby získali všetky dráhy sledovania svetla a lúčov okolo čiernej diery. Oliver tiež pracoval na naliehavých otázkach, ako to všetko uviesť do života s naším novým rendererom DnGR (Double Negative General Relativity).
Nový renderer vyžadoval nastavenie všetkých kritických parametrov pre ich digitálnu čiernu dieru. „Dokázali sme nastaviť rýchlosť, hmotnosť a priemer,“ vysvetľuje Franklin. „V zásade sú to jediné tri parametre, ktoré môžete v čiernej diere zmeniť – to znamená, že to je všetko, čo musíme zmerať. Strávili sme obrovské množstvo času prácou na tom, ako vypočítať dráhy svetelných lúčov okolo čiernej diery. Všetka práca išla dosť intenzívne - šesť mesiacov chlapci písali softvér. Mali sme skorú verziu čiernej diery, práve včas pre obdobie predprodukcie filmu."
Pokojná čierna diera sa zrýchľuje na rýchlosť rotácie 0,999 možného; potom sa kamera priblíži k čiernej diere z polomeru 10 GM / c ^ 2 do polomeru r = 2,60 GM / c ^ 2 a pokračuje v pohybe po kruhovej rovníkovej dráhe. Obrovský tieň z čiernej diery je skreslený do obdĺžnikového tvaru v dôsledku prevodu obrazu kamery na plochý displej.
Tieto rané obrázky boli použité ako obrovské maľby na pozadí vonkajšej strany lode, takže herci sa mali pri natáčaní na čo pozerať. To znamená, že nebola použitá ani jedna zelená obrazovka, len neskôr zamestnanci Double Negative nahradili použité skoré obrázky konečnými, pričom opravili niektoré hviezdokopy. „Väčšina astronautov v zákulisí, ktorých vidíte vo filme,“ poznamenáva Franklin, „sú skutočné zábery. Mali sme veľa snímok, ktoré neboli zahrnuté vo všeobecnom zozname snímok s vizuálnymi efektmi, hoci na ich vytvorení sa urobila veľká práca.“
Tieto „živé“ zábery sú možné vďaka spolupráci medzi Double Negative a Ph.D. Hoyte Van Hoytem. Na osvetlenie výsledných obrázkov na pozadí sa použili reflektory s kombinovaným svetelným tokom 40 000 lúmenov na scénu.
Rovnaká simulácia je len väčšia. Je tu jasne viditeľná štruktúra svetla hviezdnej oblohy prenášané cez gravitačnú šošovku. Na okraji čiernej diery sa k nám horizont pohybuje rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla.
„Potrebovali sme presunúť a prekonfigurovať reflektory na základe scény,“ pokračuje Franklin. Chlapci tak tvrdo pracovali, pretože reflektory sú obrovské nemotorné predmety - každý vážil asi 270 kilogramov. Mali sme dve špeciálne vyrobené klietky, upevnené na veľkom elektrickom navijaku s možnosťou posúvať ho po pavilóne a naprieč, prípadne sme ho mohli použiť na umiestnenie reflektorov. V rádiu som chlapom s reflektormi vysvetlil, ako ich kalibrovať, a popri tom som sa rozprával s mužom, ktorý riadil vysokozdvižné vozíky prechádzajúce po mieste, ktoré bolo husto preplnené ľuďmi.
Vytváranie vĺn
Vo filme Cooper (Matthew McConaughey), Amelia (Anne Hathaway), Doyle (Wes Bentley) a AI robot CASE navštívia úplne vodou pokrytú planétu, kde vlny dosahujú mimoriadne veľkosti vďaka veľmi tesnej blízkosti Gargantua. Tridsaťmetrové vlny už diváci videli v iných filmoch, no podľa histórie to nestačilo – podľa scenára mali mať vlny viac ako kilometrovú výšku. Aby mal divák pocit z tejto výšky, musel Double Negative prehodnotiť štandardný prístup k tvorbe vody. „Keď vezmete predmety tohto rozsahu,“ vysvetľuje Franklin, „všetky vlastnosti, ktoré spájate s vlnami, ako sú vlnobitie a kučery na vrchu, jednoducho zmiznú, pretože sa stanú neviditeľnými vo vzťahu k takejto vodnej ploche – to znamená, vlna sa stáva skôr ako na pohybujúcej sa hore z vody. To je dôvod, prečo sme strávili veľa času prácou na predbežnom vykreslení a premýšľali sme, ako môžeme použiť takéto vlnové váhy a malú vesmírnu loď Ranger, ktorú odplavia. Najdôležitejším momentom v scéne je, keď vlna predbehne Strážcu a zdvihne ho vysoko nad hladinu. A vidíte, ako sa loď pohybuje nahor po vlne, stáva sa menej a menej a zrazu sa na nej úplne stratí. Bol to kľúčový moment na získanie predstavy o rozsahu toho, čo sa deje."
Anne Hatway ako Amélia na vodnej planéte
Umelci Double Negative manipulovali s vlnami tak, že animovali deformátory a efektívne ich pretvarovali pri každej kľúčovej snímke. „To nám dalo základný tvar vlny,“ hovorí Franklin, „ale aby to vyzeralo skutočne, musíme na povrch pridať penu, interaktívne špliechanie, vírenie vody a špliechanie. Na to sme použili náš interný vývoj s názvom Squirt Ocean. A, samozrejme, potom bolo v Houdini veľa ďalšej práce."
Rámy boli vytvorené vo vysokom rozlíšení IMAX. Táto požiadavka do istej miery obmedzila množstvo času vyhradené pre všetky možné dvojité negatívne iterácie. „Pozrel som si časť s animáciou vlny, povedal som si, super, pridajme všetko ostatné,“ smeje sa Franklin,“ a potom som musel čakať asi mesiac a pol, kým sa mi to všetko vrátilo – napr. dlhý proces bol spôsobený povolením IMAX ... Ako viete, nemohli sme strácať čas, pretože zvyčajne bol celý proces rozdelený do mnohých iterácií a vtedy sme mali maximálne tri."
Robot CASE, zachraňujúci Ameliu pred prílivovou vlnou, a jeho náprotivok TARS, boli v skutočnosti 80-kilogramové kovové bábiky, ktoré ovládal islandský umelec Bill Irwin. Christopher Nolan chcel, aby mal film čo najviac reálnych prvkov a namiesto toho, aby ho len kreslilo, ako to robili mnohí ľudia, sa Double Negative potreboval vysporiadať s odstránením interpreta za robotom.
Keď sa CASE prestaví na chôdzu po vode a potom sa zvalí k Amelii, schmatne ju a odnesie preč, rám kombinuje dve riešenia: praktické a digitálne. „Na tomto zábere,“ hovorí Franklin, „bola postavená malá vodná súprava pripevnená k ATV. To znamená, že sme sa mohli previezť „cez“ vodu a získať nádherné interaktívne čľapky a čľapky. Aj na štvorkolke sme mali špeciálny zdvihák s ramenami robota, na ktorom sme mohli prepravovať dvojníka Anne Hatwayovej. To znamená, že celá táto štruktúra išla a „rozrezala“ vodu a my sme ju museli iba odstrániť z obrázka a nahradiť digitálnou verziou robota.
Double Negative sa pokúsil čo najviac obmedziť počet momentov s digitálnymi robotmi, ktorí robia nezvyčajné veci. Takými momentmi boli beh po vode, pristátie robota na lodi, beh po ľadovci a niektoré momenty bez gravitácie. „To, čo sme si všimli už dávno, je, že digitálne momenty môžu fungovať len vtedy, ak ich skombinujete so skutočnými,“ hovorí Franklin. Už teraz vidíme skutočnú verziu robota, nie digitálnu. To znamená, že scéna končí zábermi s realitou, čo pomáha vnímať scénu ako skutočne skutočnú.“
Vo vnútri tesseractu
Vo filme sa ukáže, že niekto „oni“ sme „my“, dostatočne pokročilí na to, aby pomohli Cooperovi spojiť sa s jeho dcérou, ktorá bola na Zemi pred rokmi. Keďže cestovanie v čase je nemožné vo vesmíre kvantových a relativistických zákonov, história rieši tento problém tak, že Cooper opustí náš trojrozmerný priestor a vstúpi do hyperpriestoru vyššieho rádu. Ak je náš vesmír zobrazený ako 2D disk alebo membrána, potom by hyperpriestor bol rámček obklopujúci túto membránu v troch rozmeroch. Myslite na to tak, že každá dimenzia vyžaduje na zobrazenie o jednu dimenziu menej. Trojrozmerný priestor je teda nakreslený ako 2D disk a trojrozmerné prostredie okolo tohto disku (fyzici to nazývajú brána) je jeden rozmer nad membránou.
Obrázok Kip Thorne vysvetľujúci, čo je to brána a membrána
Vo filme sa postava Michaela Kanea, profesor Brand, pokúša odhaliť gravitačné anomálie. Na doskách vo filme je jasne viditeľný pokus o vyriešenie problému v 4 a 5 rozmeroch. Film hovorí, že ak Brand dokáže pochopiť tieto anomálie, môžu byť použité na zmenu gravitácie na Zemi a zdvihnutie obrovskej štruktúry zachraňujúcej ľudí do vesmíru.
Zatiaľ čo prechod z 3D na 4D nerieši problém cestovania v čase, vo filme umožňuje Cooperovi posielať gravitačné vlny späť v čase. Môže vidieť kedykoľvek, ale môže spôsobiť vlnenie iba v týchto časoch - gravitačné vlnenie, ktoré sa Cooperova dcéra Murphy snaží pochopiť.
Úlohou tímu Double Negative bolo vizuálne demonštrovať 4D tesseract, ktorý budúci „my“ poskytneme Cooperovi na vyvolanie gravitačných vĺn. Bolo by to ľahké, keby sa to urobilo v symbolickom zmysle alebo vo forme sna, ale tím Double Negative sa rozhodol vizualizovať 4D tesseract expresívnejším spôsobom, čím vytvoril koncept, ktorý by bol samozrejme hypotézou, ale možno použiť aj na vyučovanie... V tomto bode sa Thorn znovu objavil.
Vzorce Kip Thorne vysvetľujúce gravitáciu v štyroch a piatich dimenziách. Všimnite si, že „naša“ brána je vložená medzi dve alternatívne reality alebo iné brány.
Aby sme pochopili riešenie Double Negative, stojí za to pochopiť povahu dimenzií vyššieho rádu. Ak je objekt v pokoji, povedzme guľa - pre dvojrozmerný priestor - je to kruh; pre jednorozmerné - čiara. Ak sa pozrieme na tento kruh v trojrozmernom priestore, potom uvidíme guľu (guľu). Ale čo sa s ním stane, ak pôjdeme do štvorrozmerného priestoru? Jednou z teórií, ktorá bola základom pre naše každodenné myslenie, bolo predstaviť si štvrtý priestor ako čas. Potom sa ukáže, že tá istá loptička, ale nie v pokoji, ale skákajúca, a v nekonečne krátkom časovom období je považovaná za tú istú loptičku. Ale po ceste vytvára tvar v podobe rúrky s pologuľovitými okrajmi. To znamená, že v štvorrozmernom priestore je guľa rúrka a guľa je trojrozmernou projekciou tejto štvorrozmernej postavy.
Ak kocka v trojrozmernom priestore v priebehu času mení svoj tvar, napríklad rastie, potom bude v štvorrozmernom priestore zobrazená ako krabica, ktorá nakoniec vyrastie do veľkej krabice zobrazujúcej všetky stavy trojrozmerného priestoru. boxu počas celej jeho existencie. Môže animovať a meniť tvar, ako je znázornené v tomto videu:
Podľa logiky filmu, ak sa dostanete do tohto tesseractu, budete môcť v ktoromkoľvek momente jeho existencie vidieť trojrozmerný priestor, napríklad v podobe čiar smerujúcich do minulosti a budúcnosti. Navyše, ak vezmete do úvahy predpoklad, že existuje nekonečný počet paralelných realít, uvidíte všetky čiary všetkých možných paralelných realít rozbiehajúce sa v nekonečnom množstve smerov. Práve toto je koncepčné riešenie štvorrozmerného priestoru, s ktorým ateliér pracoval. „Nitky“ času, ktoré Cooper vidí, vyzerajú ako struny a dotykom na ne dokáže vyvolať gravitačné vibrácie, čím komunikuje so svojou dcérou. Toto je skutočne brilantný kus umeleckej vedeckej vizualizácie!
Ale ako to natočiť?
Nolanova zásada, že herci by mali pri vytváraní videí interagovať so svojím okolím, sa rozšírila aj na tesseract. Po páde do čiernej diery sa Cooper ocitne v štvorrozmernom priestore, v ktorom môže vidieť akékoľvek predmety a ich „vlákno“ času. „Chris povedal, že aj keď je to veľmi abstraktný koncept, naozaj chcel postaviť niečo, čo by sme mohli natočiť v reálnom živote,“ hovorí Franklin, „chcel vidieť, ako Matthew fyzicky interaguje s vláknami. časom, v reálnom priestore a nevisieť pred zelenou obrazovkou."To podnietilo Franklina zamyslieť sa nad tým, ako vykresliť tesseract. „Strávil som veľa času premýšľaním, ako to všetko implementovať v reálnom priestore,“ hovorí, „ako zobraziť všetky tieto dočasné „vlákna“ všetkých predmetov v jednej miestnosti a tak, aby to bolo pochopiteľné vo fyzickom zmysle. Nebezpečenstvo napokon spočívalo v tom, že priestor sa ukáže byť tak preplnený „nitkami“, že človek bude musieť vymýšľať, ako medzi nimi zvýrazniť potrebné momenty. Navyše bolo mimoriadne dôležité, že Cooper nielenže videl „vlákna“ času, ale videl aj ich spätnú väzbu na interakciu a zároveň mohol stále interagovať s predmetmi v izbe svojej dcéry.“
Konečný pohľad na „otvorenú mriežkovú štruktúru“ bol inšpirovaný konceptom tesseractu. „Tesseract je trojrozmerná projekcia štvorrozmernej hyperkocky. Má peknú mriežkovanú štruktúru, takže sme zhruba vedeli, do čoho ideme. Dlho som sa pozeral na zábery z fotografií s dlhou expozíciou (fotografovanie so štrbinovým skenovaním) a na to, ako vám táto technika umožňuje vždy zobraziť rovnaký bod v priestore. Fotografia sama o sebe premení čas na jednu z dimenzií výsledného obrazu. Kombinácia tejto techniky streľby a mriežkovej štruktúry tesseractu nám umožnila vytvoriť tieto trojrozmerné „vlákna“ času, ktorý akoby vytekal z objektu. Izby sú fotografie, momenty vložené do mriežkovej štruktúry „nití“ času, medzi ktorými môže Cooper hľadať potrebné a posúvať ich tam a späť.
"Nakoniec sme vytvorili jednu časť tohto fyzikálneho modelu so štyrmi opakujúcimi sa časťami," hovorí Franklin. Pri natáčaní sme využili aj množstvo reálnych projekcií. Aktívne „vlákna“ času vkladáme pod reálne sekcie pomocou projektorov. To nám dodalo pocit chvenia a horúčkovitej energie – všetky informácie prúdili po týchto „nitkách“ z úseku do úseku a späť. Ale, samozrejme, každý obraz finálneho filmu obsahuje okrem iného aj šialené množstvo digitálnych efektov zabudovaných do scény.“
Niektoré momenty ale prinútili Double Negative prejsť úplne na digitálne vizuálne efekty – takým momentom bol napríklad Cooperov pohyb tunelmi tesseractu. "Nemali sme dostatok sekcií tesseractu na zachytenie tohto pohybu, a tak sme Matthewa nakrútili medzi premietacími plátnami s predfinálnou stvárnením tejto scény zobrazenou okolo neho - takže mal s čím interagovať," hovorí Franklin. Hercom sa to páčilo. všetko šialene, pretože na rozdiel od robenia reklám alebo filmu na zelenom plátne sa mali na čo pozerať. Neskôr sme túto verziu nahradili kvalitnou finálnou verziou, len v niektorých momentoch sme opustili predfinálnu verziu, keďže bola jednoducho neostrá a nebolo ju vidieť.“
Franklin tiež poznamenáva, že na dokončenie týchto scén bolo potrebných veľa digitálnych efektov, odstránenie drôtov a obrovské množstvo roto-scopingu (roto, rotopaint). Určité ťažkosti sa vyskytli aj pri implementácii efektov, vykonávaných výlučne pomocou počítačovej grafiky. Napríklad v časti, kde sa tesseract zatvára a začína kolabovať. "Zobrali sme počítačovú geometriu tesseractu a previedli sme ho rotáciou hyperkocky. Chlapci pracovali na tom, ako oživiť transformáciu rotácie hyperkocky a aplikovať ju priamo na geometriu tesseractu, ktorý sme vytvorili. Bol to pre mňa veľmi špeciálny moment. Keď som videl výsledky, uvedomil som si, že je to perfektné, presne to, čo som chcel." Pridať značky
