Teoretická fyzika Kip Roztrhaný ve filmu Interstellar

Mezihvězdný film, vydaný počátkem listopadu, může být právem považován za hlavní událost sezóny. A nejen filmové. Události ukázané na obrázku - vesmírné lety přes hyperprostor, spadající do černých děr a cestování časem - vyvolaly ohromné ​​diskuse jak mezi milovníky sci-fi, tak i v kruzích blízkých věd. To není překvapující - slavný teoretický fyzik Kip Thorn působil jako konzultant filmu. A pokud jde o moderní teoretickou fyziku, často se ukazuje, že včerejší zběsilá fantazie se dnes jeví jako slušná vědecká teorie..
* Pozor, v textu jsou spoilery.

Hlavní události filmu začínají letem hlavních postav přes červí díru, která se rozvíjí vedle Saturn. Fyzicky se jedná o tunel spojující dvě vzdálené oblasti časoprostoru. Tyto oblasti mohou být buď ve stejném vesmíru, nebo mohou propojovat různé body různých vesmírů (v rámci konceptu multiverse). V závislosti na možnosti návratu skrz díru se dělí na průchodné a neprůchodné. Nepřekonatelné otvory se rychle zavírají a neumožňují potenciálnímu cestujícímu vrátit se zpět.

V dvourozměrném krku červí díry - otvory, ze kterých tunel začíná a končí - mají tvar kruhu. Ve třech rozměrech (jak ve filmu) ústa krtka se podobá kouli. Tyto objekty jsou tvořeny dvěma singularitami v různých oblastech časoprostoru, které se v hyperprostoru (prostoru vyššího rozměru) stahují k sobě s tvorbou díry. Vzhledem k tomu, že nory je časoprostorovým tunelem, je možné přes něj cestovat nejen v prostoru, ale i v čase.

V Interstellar byla díra průchodná a spojovala různé galaxie ve vesmíru. Aby však bylo možné se jím vrátit, musí být červí díra naplněna hmotou s negativní průměrnou hmotností, která zabraňuje uzavření tunelu. Věda nemá žádné elementární částice s takovými vlastnostmi. Mohou však být pravděpodobně součástí temné hmoty..

Dalším způsobem, jak vytvořit červí díru, je vytáhnout jednu oblast prostoru, která tvoří díru se singularitou, která v hyperprostoru dosáhne další oblasti prostoru. V obou případech se navrhuje zachovat propustnost doupě průchodem hmoty s negativní hustotou hmoty. Tyto projekty nejsou v rozporu s GR.

Po průletu červí dírou cestují cestující do vesmíru podle informací zpravodajských misí do exoplanet, potenciálně obývatelných. Aby byla planeta přinejmenším potenciálně vhodná pro lidský život, musí mít stálé světlo podobné Zemi, teplotu a gravitační režimy. Tlak v atmosféře by měl být srovnatelný s tlakem zeminy a chemické složení by mělo být vhodné pro život alespoň některých suchozemských organismů. Předpoklad - přítomnost vody. To vše představuje určité omezení hmotnosti a objemu planety, stejně jako její vzdálenost od hvězdy a parametry oběžné dráhy..

První planeta (Miller) byla umístěna v těsné blízkosti supernasivní černé díry Gargantua s hmotností 100 milionů sluncí a 10 miliard světelných let od Země. Poloměr díry je srovnatelný s poloměrem orbity Země kolem Slunce a akreční disk kolem ní by se rozkládal daleko za oběžnou dráhu Marsu. Kvůli silnému gravitačnímu poli černé díry se jedna hodina strávená na povrchu Millerovy planety ukáže na Zemi sedm let..

Není divu, podle teoretické fyziky, je to způsobeno vlivem časové dilatace v silném gravitačním poli černé díry, ve které se planeta nachází. Ve speciální teorii relativity (STR) - teorie pohybu těles s rychlostí blízkého světla - je čas v pohybujících se objektech zpomalen. A v GR, což je zobecnění STR s gravitací, existuje ekvivalence setrvačnosti a agrese, jejíž dalekosáhlým důsledkem je gravitační zpomalení času.

Po neúspěšných misích na exoplanetách hrdiny Matthewa McConaugheyho (spolu s robotem) se vrhá do supernasivní černé díry Gargantua. A ani hrdina McConaughey, ani jeho robot, když se blížil k díře, se nerozdělili na tisíc malých Matthews a robotů z monstrózní gravitace. Moderní fyzika však má vysvětlení.

Černá díra je masivní objekt, jehož gravitační přitažlivost, podle klasické verze GR, nedovolí, aby hmota opustila své hranice. Hranice díry s okolním prostorem se nazývá horizont událostí. Těleso, které jím projde, je považováno za zpět (alespoň stejným způsobem).

Existuje několik scénářů pro vytváření takových objektů. Hlavní mechanismus zahrnuje gravitační kolaps některých typů hvězd nebo hmoty v centrech galaxií. Také jejich tvorba není vyloučena ani v dobách Velkého třesku a během reakcí elementárních částic. Existence černých děr ve většině vědců je nepochybná.

Intenzita gravitačního pole (jinými slovy hodnota zrychlení volného pádu) černé díry se zmenšuje se vzdáleností od ní. Toto je nepostřehnutelné ve velké vzdálenosti, kde černé černé pole je místně homogenní a významné u malých vzdáleností: různé části stejného prodlouženého objektu padají do díry s různým zrychlením a objekt se táhne..

Tak působí síla přílivu černé díry. Existuje však mezera. Přílivová síla je přímo úměrná hmotnosti černé díry a nepřímo úměrná kostce poloměru horizontu události. Poloměr horizontu události děr roste úměrně k jeho hmotnosti. Proto je v závislosti na velikosti přílivová síla nepřímo úměrná čtverci hmotnosti díry. U obyčejných černých děr se získají obrovské hodnoty přílivových sil, zatímco u supermasivních nejsou tak velké, které mezihvězdní hrdinové využili..

Uvnitř rotující černé díry objevil hrdina Matthew McConaughey (a jeho robot) pětidimenzionální vesmír. A tady jsou, upřímně řečeno, štěstí - pokud se černá díra neotáčí, cestující by se i nadále pohybovali do jejího středu - singularity a v tomto případě by finále filmu bylo úplně jiné..

Dá se předpokládat, že hrdina McConaughey (a jeho robot) dokázal proniknout takovou černou dírou, vyhnout se jejímu singularitě a cestovat v ní podél speciální trajektorie, která ho vedla k novému vesmíru. V něm byla geometrie lokálně uspořádána tak, že čtyři rozměry jsou prostorové a jednorázové. Formálně to není v rozporu s GR.

Ačkoliv je člověk zjevně schopen vnímat pouze tři prostorové a jednorázové dimenze, ve filmu hlavní postava v novém vesmíru dokázala nejen cestovat v časové dimenzi, ale také pozorovat čtyřrozměrné projekce v trojrozměrném prostoru..

Zatímco Matthew McConaughey (spolu s robotem) letí přes exoplanety a do černé díry, zbývající profesor na zemi prováděný Michaelem Kaneem se snaží vyřešit druh „gravitační rovnice“, která by spojila kvantovou mechaniku a GR s jednou teorií, a tím pochopila fyziku červí díry a černá díra.

A musím říct, že hrdina Michael Kane není sám. Vytvoření univerzální teorie spojující obecnou relativitu a kvantovou mechaniku je hlavním úkolem většiny moderních matematických fyziků - specialistů na teorii strun. Hlavním úkolem teorie je sjednocení všech čtyř známých interakcí: silných, slabých, elektromagnetických a gravitačních. První tři jsou popsány kvantovou teorií pole (QFT), matematickým modelem moderní fyziky částic, poslední je GRT. Současně, GR obecně neodporuje QFT, protože to mluví o jevech na jiných měřítkách délek a energií. Pokud se však GTR zabývá kosmologickými objekty obrovských hmot, pak je QFT použitelný na subatomární úrovni..

Problém je v tom, že obě teorie jsou v Planckově měřítku v rozporu, protože v nich musí být v GR zohledněny kvantové korekce. V černé díře tedy kvantové efekty vedou k jeho odpařování. Kvantová verze GR, získaná podobnou QFT metodou, se ukázala být neregenerativní, to znamená, že není možné, aby byly pozorované hodnoty konečné. Řešení této problematiky a věnování většiny výzkumu v této oblasti. Samotná teorie strun (M-teorie) je založena na předpokladu existence hypotetických jednorozměrných objektů na Planckově měřítku - strunách, jejichž excitace jsou interpretovány jako elementární částice a jejich interakce..

Jak se to děje a proč, fyzici nemohou přijít na to téměř půl století. Nenechte se tedy odradit, pokud se vám zdá, že celý článek je něco jako čínský diplom (není jasné, opravdu, proč jste si ho přečetli až do konce). Kromě toho, hlavní závěr ze všech výše uvedených je poměrně jednoduchý: kromě milovaného seriálu "The Big Bang Theory", geekové z celého světa mají nyní oblíbený film.