Интерстеллар: наука за кадром - Кип Торн

Глава 29. Тессеракт

Когда Кристофер Нолан сказал мне, что собирается ввести в сюжет «Интерстеллар» тессеракт, меня это очень порадовало. В свои тринадцать лет я узнал о тессерактах из главы 4 изумительной книги Джорджа Гамова One, Two, Three, … Infinity [Gamow 1947], и это во многом определило мое желание стать физиком-теоретиком. Вы можете найти подробные сведения о тессерактах в книге The Visual Guide to Extra Dimensions (McMullen 2008). Усложненный тессеракт Кристофера Нолана не имеет аналогов и не описан нигде, кроме этой книги и других материалов, относящихся к «Интерстеллар».

В классическом научно-фантастическом романе Мадлен Ленгль «Трещина во времени» [Л'Энгл 2013] дети, разыскивающие своего отца, путешествуют с помощью тессеракта. Я интерпретирую их путешествие так же, как путешествие Купера из недр Гаргантюа к спальне Мёрф, см. рис. 29.4.

Глава 30. Передача сообщений в прошлое

Относительно того, как современные физики представляют себе путешествие назад во времени в четырех пространственно-временных измерениях без балка, см. последнюю главу книги «Черные дыры и складки времени» [Торн 2009], главы, написанные Хокингом, Новиковым и мной, из книги «Будущее пространства – времени» [Прайс и др. 2013], а также Time Travel and Warp Drives [Everett, Roman 2012]. Все эти книги написаны физиками, сделавшими серьезный вклад в развитие теории путешествий во времени. Об истории современных исследований путешествий во времени см. The New Time Travelers: A Journey to the Frontiers of Physics [Toomey 2007]. Обширные сведения о путешествиях во времени с точки зрения физики, метафизики и научной фантастики см. в книге Time Machines: Time Travel in Physics, Metaphysics and Science Fiction [Nahin 1999]. Превосходная книга, охватывающая почти все, что физики знают о природе времени, включая различные догадки на этот счет: From Eternity to Here: The Quest for The Ultimate Theory of Time [Carroll 2011].

Я не знаю хороших книг или статей о путешествии во времени для случая, если наша Вселенная – это брана в многомерном балке. Однако, как я писал в главе 30, законы Эйнштейна, расширенные в высшие измерения, дают практически те же прогнозы, что и без балка. Подробности о том, как Купер посылает сообщения в прошлое Мёрф, см. в приложении «Некоторые технические примечания».

Глава 31. Эвакуация колоний с Земли

Относительно способа, которым Мёрф эвакуирует колонии с Земли (уменьшение G) в Кип-версии, см. мои комментарии к главе 25 выше в этом разделе.

В начале шестидесятых, когда я учился на доктора наук в Принстонском университете, один из наших профессоров-физиков, Джерард К. О'Нил, исследовал перспективы создания космических колоний в духе той, что мы видим в конце «Интерстеллар». Эти исследования, дополненные исследованиями О'Нила в NASA, вылились в замечательную книгу The High Frontier: Human Colonies in Space [O’Neill 1978], которую я вам горячо рекомендую. Обратите внимание на предисловие Фримана Дайсона, где он рассказывает, почему мечта О'Нила о космических колониях потерпела крах при его жизни, однако может воплотиться в отдаленном будущем.

Некоторые технические примечания

Законы физики, которые управляют нашей Вселенной, записываются языком математики. Для тех, кто в ладах с математикой, я дам несколько относящихся к законам физики формул и покажу, как я их использовал, чтобы получить некоторые значения для этой книги. В моих формулах часто фигурируют два числа – это скорость света c = 3,00 × 108 м/с и ньютоновская гравитационная постоянная G = 6,67 × 10–11 м³/(кг · с²). Я использую экспоненциальное представление чисел, так что 108 означает 1 с восемью нулями – 100 000 000, или сто миллионов, а 10–11 означает 0,00000000001. Я не стремлюсь к точности более одного процента, поэтому указываю в числах только два или три знака после запятой либо всего один, если число малоизвестно.

Глава 4. Искривления пространства и времени, приливная гравитация

Простейшее количественное представление эйнштейновского закона искривления времени: положите рядом две пары одинаковых часов, чтобы они находились в покое друг относительно друга и находились на разных расстояниях от действующего на них гравитационного притяжения. Пусть R – это дробная разница скорости хода часов, D – расстояние между ними, а g – действующее на них гравитационное ускорение (направленное от часов, которые идут быстрее, к часам, которые идут медленнее). Тогда закон Эйнштейна утверждает, что g = Rc²/D. В случае эксперимента Паунда – Ребки в гарвардской башне R равнялось 210 пикосекундам в день: 2,43 × 10–15, а высота башни D равнялась 73 футам (22,3 метра). Подставляя эти значения в формулу для закона искривления времени, получим g = 9,8 м/с², что действительно равняется гравитационному ускорению (ускорению свободного падения) на Земле.

Глава 6. Анатомия Гаргантюа

Для черной дыры, которая, как Гаргантюа, вращается очень быстро, окружность горизонта C в экваториальной плоскости выражается формулой C = 2πGM/c² = 9,3M/M¤ км. Здесь M – это масса дыры, а M¤ = 1,99 × 1030 – это солнечная масса. У очень медленно вращающейся дыры окружность горизонта вдвое больше. Радиус горизонта равен его окружности, деленной на 2π: R = GM/c² = 1,48 × 108 в случае Гаргантюа, что практически равно радиусу орбиты Земли вокруг Солнца.

Массу Гаргантюа я выбрал исходя из следующих рассуждений: масса планеты Миллер m вызывает направленное внутрь гравитационное ускорение g на поверхности планеты в соответствии с ньютоновским законом обратных квадратов g = Gm/r², где r – это радиус планеты. На стороне планеты, которая обращена к Гаргантюа, и на стороне, которая противостоит дыре, приливная гравитация Гаргантюа вызывает растягивающее ускорение gt (разница силы притяжения Гаргантюа между поверхностью планеты и ее центром, на расстоянии r), gt = (2GM/R)r³. Здесь R – это радиус орбиты планеты Миллер вокруг Гаргантюа, который практически соответствует радиусу горизонта черной дыры. Если приливное ускорение превысит собственное гравитационное ускорение планеты, ее разорвет на части, поэтому gt должно быть меньше g: gt < g. Подставляя формулы для g, gt и R, выразив массу планеты через ее плотность ρ как m = (4π/3)r³ρ и произведя некоторые вычисления, получим: M=√(3)c³ × √(2πG³ρ). Я оцениваю плотность планеты Миллер как ρ = 10 000 кг/м³ (что приблизительно соответствует плотности сжатых горных пород), откуда получаю выражение для массы Гаргантюа: M < 3,4 × 1038 кг – это примерно 200 миллионов солнечных масс, что я, в свою очередь, аппроксимирую до 100 миллионов солнечных масс. Используя уравнения теории относительности, я получил формулу, которая связывает замедление времени на планете Миллер, S = (один час за семь лет) = 1,63 × 10−5, с долей α, на которую скорость вращения Гаргантюа меньше максимально возможной: 16S³/(3√3). Эта формула верна только для очень высоких скоростей вращения. Подставляя значение S, получим α = 1,3 × 10−14, то есть скорость вращения Гаргантюа меньше предельной приблизительно на одну стотриллионную долю.

Глава 8. Внешний вид Гаргантюа

Уравнения для орбитального движения лучей света вокруг Гаргантюа, которые я предоставил Оливеру Джеймсу из Double Negative, – вариант уравнений из приложения A в [Levin, Perez-Giz 2008]. Уравнения для изменения сечения пучков света – вариант уравнений из [Pineult, Roeder 1977a] и [Pineult, Roder 1977b]. В нескольких статьях, которые будут выложены по адресу arxiv.org/find/gr-qc, мы с командой Пола Франклина дадим конкретные формы наших уравнений и расскажем о подробностях их реализации и полученных в ходе моделирования результатах.

Глава 12. Задыхаясь без кислорода

Вот расчеты, лежащие в основе заявлений, которые я делаю в главе 13. Это неплохой пример того, как ученый производит оценки. Цифры здесь весьма приблизительны; я указываю их точность лишь до одного знака после запятой.

Масса земной атмосферы 5 × 1018 кг, из которых около 80 процентов – это азот, а 20 процентов – молекулярный кислород, O2; тогда выходит, что в атмосфере 1018 кг O2. Количество углерода в неперегнивших растениях (геофизики называют его «органическим углеродом») составляет около 3 × 1015 кг – приблизительно половина находится в поверхностных слоях мирового океана, и половина – на суше (таблица 1 из [Hedges, Keil 1995]). Обе эти части окисляются (преобразуются в CO2) в течение примерно 30 лет. Поскольку молекула CO2 состоит из двух атомов кислорода (полученного из атмосферы) и лишь одного атома углерода, а масса атома кислорода составляет 16/12 от массы атома углерода, после того как все растения на Земле погибнут, на окисление органического углерода будет затрачено 2 × 16/12 × (3 × 1015 кг) = 1016 кг O2 – один процент всего атмосферного кислорода.