Teoretična fizika Kip Torn v filmu Interstellar

Film Interstellar, ki je izšel v začetku novembra, se lahko upravičeno šteje za glavni dogodek v sezoni. In ne samo filmsko. Dogodki, prikazani na sliki - vesoljski leti skozi hiperprostor, padanje v črne luknje in potovanje skozi čas - so povzročili vroče razprave tako med ljubitelji znanstvene fantastike kot v bližnjih znanstvenih krogih. To ni presenetljivo - slavni teoretični fizik Kip Thorn je nastopal kot svetovalec filma. In tam, kjer gre za moderno teoretično fiziko, se zelo pogosto izkaže, da se je včeraj mahnita fantazija danes izkazala kot ugledna znanstvena teorija..
* Previdno, v besedilu so spoilerji.

Glavni dogodki filma se začnejo z letom glavnih likov skozi črvino, ki se odvija ob Saturnu. Fizično je to tunel, ki povezuje dva oddaljena območja prostora-časa. Ta območja so lahko v istem vesolju ali pa lahko povezujejo različne točke različnih vesolij (v okviru koncepta multiverse). Odvisno od možnosti vrnitve skozi luknjo, so razdeljeni na prohodne in neprehodne. Neprehodne luknje se hitro zaprejo in potencialnemu potniku ne omogočajo, da se vrne.

V dvodimenzionalnem vratu črvine - luknje, iz katerih se začne in konča tunel - imajo obliko kroga. V treh dimenzijah (kot v filmu) ustje molhilja spominja na kroglo. Takšni objekti se oblikujejo iz dveh singularnosti v različnih območjih prostora-časa, ki se v hiperprostoru (prostoru višje dimenzije) medsebojno stisnejo z oblikovanjem luknje. Ker je brlog prostorsko-časovni tunel, ga je mogoče potovati ne samo v prostoru, ampak tudi v času.

V Interstellarju je bila luknja prehodna in povezovala različne galaksije v vesolju. Toda, da bi se vrnila skozi to, mora biti črvina napolnjena s snovjo z negativno povprečno gostoto mase, ki preprečuje zapiranje tunela. Ni elementarnih delcev, ki bi jih znanost poznala. Vendar pa so verjetno lahko del temne snovi..

Drug način za ustvarjanje črvine je vlečenje enega območja prostora, ki tvori luknjo s singularnostjo, ki v hiperprostoru doseže drugo območje prostora. V obeh primerih je predlagano, da se prepustnost jaškov ohrani s prenosom snovi skozi njo z negativno gostoto mase. Takšni projekti ne nasprotujejo GR.

Po podatkih iz obveščevalnih misij potniki v vesolje potujejo v eksoplanete, ki potujejo skozi črvino. Da bi bil planet vsaj potencialno primeren za človeško življenje, mora imeti stalne svetlobne, temperaturne in gravitacijske režime na Zemlji. Tlak v ozračju mora biti primerljiv s tlakom zemlje in kemična sestava mora biti primerna za življenje vsaj za nekatere kopenske organizme. Pogoj - prisotnost vode. Vse to postavlja določene omejitve na maso in prostornino planeta, pa tudi na njegovo razdaljo do zvezde in parametre orbite..

Istočasno se je prvi od planetov (Miller) nahajal zelo blizu Gargantua supermasivne črne luknje z maso 100 milijonov soncev in 10 milijard svetlobnih let od Zemlje. Polmer luknje je primerljiv s polmerom Zemljine orbite okoli Sonca in akrecijski disk, ki ga obkroža, bi segel daleč preko Marsove orbite. Zaradi močnega gravitacijskega polja črne luknje se izkaže, da je ena ura na površini Millerjevega planeta sedem let na Zemlji..

Ni čudno, da je to po teoretski fiziki posledica učinka časovne dilatacije v močnem gravitacijskem polju črne luknje, v kateri se nahaja planet. V posebni teoriji relativnosti (STR) - je v gibljivih predmetih upočasnjena teorija gibanja teles s skoraj svetlobnimi hitrostmi - čas. In v GR, ki je posplošitev STR z gravitacijo, obstaja enakovrednost vztrajnosti in agresije, daleč posledica katere je gravitacijsko upočasnitev časa.

Po neuspešnih misijah na eksoplante junaka Matthewa McConaugheya (skupaj z robotom) se je potegnila v Gargantovino supermasivno črno luknjo. In niti junak McConaughey, niti njegov robot, ko sta se približala luknji, sta vdrla v tisoč majhnih Matthewsov in robotov iz pošastne gravitacije. Vendar ima tu sodobna fizika razlago.

Črna luknja je masivni objekt, katerega gravitacijska privlačnost po klasični različici GR ne dopušča, da bi materija zapustila svoje meje. Meja luknje z okoliškim prostorom se imenuje obzorje dogodkov. Če se skozi to telo, naj bi se telo vrnilo (vsaj na enak način) ne more.

Obstaja več scenarijev za oblikovanje takšnih objektov. Glavni mehanizem vključuje gravitacijsko kolaps nekaterih vrst zvezd ali snovi v centrih galaksij. Tudi njihova formacija ni izključena niti v času Velikega poka niti med reakcijami osnovnih delcev. Obstoj črnih lukenj v večini znanstvenikov je nedvomen.

Intenzivnost gravitacijskega polja (z drugimi besedami, vrednost pospeševanja prostega padca) črne luknje se zmanjšuje z oddaljenostjo od nje. To je neopazno na veliki razdalji, kjer je polje črne luknje lokalno homogeno in pomembno na majhnih razdaljah: različni deli istega razširjenega predmeta padejo v luknjo z različnimi pospeški, objekt pa se razteza..

Tako deluje plimska sila črne luknje. Vendar pa obstaja vrzel. Sila plimovanja je neposredno sorazmerna masi črne luknje in je obratno sorazmerna kocki polmera obzorja dogodkov. Radij obzorja dogodka luknje raste sorazmerno z njegovo maso. Zato je plimska sila v redu velikosti obratno sorazmerna s kvadratom mase luknje. Za navadne črne luknje dobimo ogromne vrednosti plimskih sil, medtem ko za supermasivne niso tako velike, kar so izkoristili medzvezdni junaki..

V prednji črni luknji je junak Matthew McConaughey (in njegov robot) odkril petdimenzionalno vesolje. In tu so, odkrito povedano, srečni - če se črna luknja ne bi vrtela, bi se potniki še naprej premikali v njegovo središče - singularnost, in v tem primeru bi bil končni film popolnoma drugačen..

Lahko se domneva, da je junak McConaughey (in njegov robot) uspel prodreti v takšno črno luknjo, se izogniti njeni singularnosti in potovati znotraj nje po posebni poti, ki ga je pripeljala do novega vesolja. V njem je bila geometrija lokalno urejena tako, da so štiri dimenzije prostorske in enkratne. Formalno to ne nasprotuje GR.

In čeprav je človek očitno sposoben zaznati samo tri prostorske in ene časovne razsežnosti, je bil v filmu glavni lik v novem vesolju sposoben ne samo potovati v časovni razsežnosti, ampak tudi opazovati štiridimenzionalne projekcije v tridimenzionalnem prostoru..

Medtem ko Matthew McConaughey (skupaj z robotom) leti skozi eksoplanete in v črno luknjo, preostali profesor na tleh, ki ga je izvedel Michael Kane, poskuša rešiti nekakšno "gravitacijsko enačbo", ki bi povezala kvantno mehaniko in GR v eno teorijo in s tem razumela fiziko črvine in črna luknja.

In, moram reči, junak Michael Kane ni sam. Oblikovanje univerzalne teorije, ki povezuje splošno teorijo relativnosti in kvantne mehanike, je glavna naloga večine sodobnih matematičnih fizikov - strokovnjakov za teorijo strun. Glavna naloga teorije je poenotenje vseh štirih znanih interakcij: močna, šibka, elektromagnetna in gravitacijska. Prvi trije opisuje kvantna teorija polja (QFT), matematični model sodobne fizike delcev, zadnji je BRT. Hkrati pa GR na splošno ne nasprotuje QFT, saj govori o pojavih na drugih lestvicah dolžin in energij. Če pa se GTR ukvarja s kozmološkimi objekti velikih mas, potem se QFT uporablja na subatomski ravni..

Težava je v tem, da obe teoriji nista v navzkrižju med seboj na Planckovi lestvici, saj je treba v njih upoštevati kvantne popravke. Torej, v črni luknji, kvantni učinki vodijo do njegovega izhlapevanja. Kvantna različica GR, ki jo dobimo s podobno metodo QFT, se izkaže za nereverzibilno, kar pomeni, da ugotovljenih vrednosti ni mogoče končno določiti. Rešitev tega vprašanja in večina raziskav na tem področju. Teorija struna sama (M-teorija) temelji na predpostavki obstoja hipotetičnih enodimenzionalnih objektov na Plankovem lestvici - strune, katerih vzbujanje se interpretira kot elementarni delci in njihove interakcije..

Kako se to zgodi in zakaj, fiziki tega ne morejo ugotoviti skoraj pol stoletja. Torej se ne obupajte, če se vam zdi, da je celoten članek nekakšna kitajska diploma (ni povsem jasno, zakaj ste jo potem prebrali do konca). Poleg tega je glavni zaključek iz vsega naštetega precej preprost: poleg ljubljene serije "The Big Bang Theory" imajo geeksi z vsega sveta zdaj najljubši film..