1

Через тернии к звездам

Как объяснять науку с помощью фильма «Интерстеллар»

Опубликовано: 28.09.2015


С момента появления фильма «Интерстеллар» на экранах, его стали называть энциклопедией современной науки. Кино стало идеальной иллюстрацией для объяснения сложных понятий из области физики, математики и биологии. Для тех, кто хотел бы использовать «Интерстеллар» на уроках, Google разработал целый сайт с учебными планами. А теоретические знания лучше всего черпать из первоисточников – все они описаны в новой книге Кипа Торна, работавшего научным консультантом фильма.

«Интерстеллар: наука за кадром» отправляет читателя в теоретическое путешествие по мотивам нашумевшего фильма Кристофера Нолана. Американский физик-теоретик Кип Торн рассказывает о том, как невероятные явления, показанные в картине – черные дыры, гравитационные аномалии, пятое измерение – связаны с реальными научными открытиями. Где кончается истина и начинаются домыслы? Edutainme публикуют гид по науке в «Интерстеллар» на основе отрывков из книги.

Правда и домыслы

Часть происходящего в фильме соответствует научным истинам, часть — относится к обоснованным предположениям, а остальное — домыслы.

«Революции, которые переворачивают устоявшиеся научные истины с ног на голову, случаются крайне редко. Но когда это происходит, последствия для науки и техники трудно переоценить».

Нейронные звезды: истина

Нейтронные звезды и их магнитные поля являются научной истиной. Во-первых, существование нейтронных звезд было предсказано на основании теории относительности и квантовых законов. Во-вторых, астрономы в мельчайших подробностях изучили пульсирующее излучение нейтронных звезд. <…> В-третьих, было предсказано, что нейтронные звезды образуются при астрономических взрывах (так называемые «вспышки сверхновых»), а пульсары наблюдаются как раз в центре больших расширяющихся газовых облаков — следов таких вспышек. Поэтому у астрофизиков нет сомнений, что нейтронные звезды действительно существуют и действительно являются источниками наблюдаемых пульсирующих излучений.

Черные дыры: истина

Еще один пример научной истины — то, как черная дыра Гаргантюа искривляет лучи света, искажая вид звездного неба. Физики называют такое искажение «гравитационным линзированием», поскольку оно изменяет изображение подобно линзе (ну, или кривому зеркалу в парке аттракционов).

Черная дыра по имени Гаргантюа

Теория относительности Эйнштейна однозначно предсказывает все свойства черных дыр, которые проявляются снаружи их поверхности, включая гравитационное линзирование. У астрономов есть твердое, основанное на наблюдениях, убеждение, что черные дыры (включая и гигантские черные дыры вроде Гаргантюа) существуют во Вселенной. Астрономы уже наблюдали гравитационные линзы, образованные пусть не черными дырами, но другими объектами, и эти наблюдения в точности соответствуют предсказаниям теории относительности Эйнштейна.

Болезнь растений: обоснованное предположение или домысел

А вот болезнь растений, которая в «Интерстеллар» угрожает жизни людей на Земле, с одной стороны, относится к обоснованным предположениям, а с другой — к домыслам.

«Случаи, когда заболевание передавалось от одного вида растений к другому настолько стремительно, чтобы это угрожало жизни людей, неизвестны, однако нет у нас и гарантий, что этого не может быть».

Возможность такого заражения — обоснованное предположение. А допущение, что однажды оно может произойти, — домысел, который большинство биологов относят к области крайне маловероятных событий.

Гравитационные аномалии: домысел

Гравитационные аномалии, например, когда Купер бросает монетку, а она устремляется к полу по невообразимой траектории, — домыслы. То же относится и к использованию аномалий для эвакуации человечества с Земли.

Гравитационные аномалии наблюдаются в различных частях Вселенной, но не такие, как в фильме

Гравитационная аномалия — это нечто такое, что связано с гравитацией и не укладывается в наши представления о Вселенной или не соответствует нашему пониманию законов физики, управляющих Вселенной: например падения книг в «Интерстеллар», которые Мёрф считает проделками призрака.

В «Интерстеллар» аномалии потрясают своей причудливостью и силой, а также тем, как они изменяются со временем. Если бы что-либо подобное происходило в XX столетии или в начале двадцать первого, физики, конечно, обратили бы на это внимание и кинулись бы эти аномалии изучать. Так или иначе, в эпоху «Интерстеллар» с земной гравитацией определенно что-то произошло.

Кислородный кризис: домысел

В начале фильма профессор Брэнд говорит Куперу: «Земная атмосфера на 80 процентов состоит из азота. Мы не можем дышать азотом, а патоген может. И пока он распространяется, кислорода в нашем воздухе будет все меньше и меньше. Последние люди, пережившие голод, будут первыми умершими от удушья. Поколение твоей дочери станет последним на Земле». Есть ли научные обоснования для заявления профессора? Поставленный вопрос находится на пересечении двух научных дисциплин — биологии и геофизики.

Раз за много тысяч лет нестабильные океанские воды перемешиваются — вода с поверхности опускается на дно, а вода со дна поднимается наверх. Не исключено, что во времена Купера произойдет настолько бурное перемешивание, что поднимающиеся водные пласты вынесут наверх бoльшую часть донной органики. При контакте с атмосферой эта органика начнет гнить, преобразуя атмосферный О2 в смертельное количество СО2.

Да, это возможно. Но крайне маловероятно по двум причинам: во-первых, очень сомнительно, что количество неперегнившей органики на океанском дне настолько превышает прогнозы геофизиков, а во-вторых, крайне мала вероятность настолько бурного перемешивания океана.

Межзвездный перелет: истина (в теории)

Ближайшая (не считая Солнца) звезда, в системе которой может найтись планета, пригодная для жизни, — это тау Кита. Она находится в 11,9 светового года от Земли; то есть, путешествуя со скоростью света, до нее можно будет добраться за 11,9 года. Теоретически могут быть пригодные для жизни планеты, которые к нам ближе, но ненамного.

Из всех беспилотных космолетов, запущенных людьми в межзвездное пространство, дальше всего добрался «Вояджер-1», который сейчас находится в 18 световых часах от Земли. Его путешествие длилось 37 лет. «Вояджер‑1» (разогнавшись с помощью гравитационных пращей вокруг Юпитера и Сатурна) отдаляется от Солнечной системы со скоростью 17 километров в секунду. В «Интерстеллар» космолет «Эндюранс» путешествует от Земли до Сатурна в течение двух лет, со средней скоростью около 20 километров в секунду. Наибольшая скорость, достижимая в XXI веке при использовании ракетных двигателей в сочетании с гравитационными пращами, составит, на мой взгляд, около 300 километров в секунду.

Если мы отправимся к проксиме Центавра со скоростью 300 километров в секунду, перелет займет 5000 лет, а перелет до тау Кита — 13 000 лет. Что-то долговато. Чтобы с технологиями XXI века добраться в такую даль побыстрее, нужно что-то наподобие червоточины.

Червоточина: домысел

Для муравья, который ползает по яблоку, поверхность яблока — это целая вселенная. Если плод насквозь проеден червем, муравей может попасть с верхней части яблока на нижнюю двумя способами: проползти снаружи (через свою вселенную) или спустившись по червоточине. 

Схематическое изображение червоточины

Путь через червоточину короче, это способ срезать дорогу, быстрее попав с одной стороны муравьиной вселенной на другую.

«Название астрофизическим червоточинам придумал мой научный руководитель Джон Уилер. Он использовал сравнение с червоточинами в яблоках».

Сомневаюсь, что законы физики допускают существование проходимых червоточин, но, возможно, я чего-то не понимаю. Я могу ошибаться. Если же такие червоточины все-таки могут существовать, то очень сомневаюсь в возможности их естественного зарождения в астрофизической Вселенной. Единственная надежда — искусственное создание червоточин силами сверхразвитой цивилизации. Но нам совершенно неясно, как такая цивилизация могла бы это сделать. И это выглядит более чем сложным предприятием даже для самой что ни на есть развитой цивилизации.

По материалам: Кип Торн, «Интерстеллар: наука за кадром»