Teoretická fyzika Kip Roztrhaný vo filme Medzihviezdny

Medzihviezdny film, ktorý vyšiel začiatkom novembra, možno právom považovať za hlavnú udalosť sezóny. A nielen filmové. Udalosti uvedené na obrázku - vesmírne lety cez hyperpriestory, spadajúce do čiernych dier a cestovanie časom - vyvolali horúce diskusie medzi milovníkmi sci-fi a v kruhoch blízkych vedám. To nie je prekvapujúce - slávny teoretický fyzik Kip Thorn pôsobil ako konzultant filmu. A pokiaľ ide o modernú teoretickú fyziku, veľmi často sa ukáže, že včera sa zúrivá fantázia dnes ukazuje ako slušná vedecká teória..
* Dajte si pozor, tam sú spoilery v texte.

Hlavné udalosti filmu začínajú letom hlavných postáv cez červí dieru, ktorá sa rozprestiera vedľa Saturn. Fyzicky je to tunel spájajúci dve vzdialené oblasti časopriestoru. Tieto oblasti môžu byť buď v rovnakom vesmíre, alebo môžu spájať rôzne body rôznych vesmírov (v rámci koncepcie multivesmíru). V závislosti od možnosti návratu cez otvor späť sú rozdelené na priechodné a nepriechodné. Nepriepustné otvory sa rýchlo uzavrú a neumožňujú potenciálnemu cestujúcemu vrátiť sa späť.

V dvojrozmernom krku červí diery - otvory, z ktorých začína a končí tunel - majú tvar kruhu. V troch dimenziách (ako vo filme) sa ústa krtka podobajú gule. Takéto objekty sú tvorené dvoma singularitami v rôznych oblastiach časopriestoru, ktoré sa v hyperpriestore (priestor vyššieho rozmeru) navzájom uzatvárajú s tvorbou diery. Keďže diera je tunelom časopriestoru, je možné cez ňu cestovať nielen v priestore, ale aj v čase.

V medzihviezdach bola diera priechodná a spájala rôzne galaxie vo vesmíre. Aby sme sa cez to mohli vrátiť, musí byť červí diera naplnená hmotou so zápornou priemernou hmotnosťou, ktorá zabraňuje uzavretiu tunela. Neexistujú žiadne elementárne častice s takými vlastnosťami, ktoré by boli vedám známe. Pravdepodobne však môžu byť súčasťou temnej hmoty..

Ďalším spôsobom, ako vytvoriť červí dieru, je vytiahnuť jednu oblasť priestoru, ktorá tvorí dieru so singularitou, ktorá v hyperpriestore dosahuje ďalšiu oblasť priestoru. V obidvoch prípadoch sa navrhuje zachovať priepustnosť nory priechodom hmoty s negatívnou hustotou hmoty. Takéto projekty nie sú v rozpore s GR.

Po preletení červí dierou cestujúci cestujú na exoplanety, potenciálne obývateľné, podľa informácií spravodajských misií. Aby bola planéta aspoň potenciálne vhodná pre ľudský život, musí mať stabilné svetlo, teplotu a gravitačné režimy podobné Zemi. Tlak v atmosfére by mal byť porovnateľný s tlakom zeme a chemické zloženie by malo byť vhodné pre život aspoň niektorých suchozemských organizmov. Predpoklad - prítomnosť vody. To všetko spôsobuje určité obmedzenia hmotnosti a objemu planéty, ako aj jej vzdialenosť od hviezdy a parametre orbity..

Prvé planéty (Miller) sa nachádzali v tesnej blízkosti supermasívnej čiernej diery Gargantua s hmotnosťou 100 miliónov slnka a 10 miliárd svetelných rokov od Zeme. Polomer diery je porovnateľný s polomerom orbity Zeme okolo Slnka a akrečný disk, ktorý ju obklopuje, by siahol ďaleko za obežnú dráhu Marsu. Vzhľadom na silné gravitačné pole čiernej diery sa jedna hodina strávená na povrchu Millerovej planéty ukáže na Zemi sedem rokov..

Niet divu, podľa teoretickej fyziky, je to spôsobené vplyvom časovej dilatácie v silnom gravitačnom poli čiernej diery, v ktorej sa planéta nachádza. V špeciálnej teórii relativity (STR) - teória pohybu telies s rýchlosťou blízkymi svetlu - čas sa spomaľuje v pohybujúcich sa objektoch. A v GR, čo je zovšeobecnenie STR s gravitáciou, existuje rovnocennosť zotrvačnosti a agresie, ktorej ďalekosiahlym dôsledkom je gravitačné spomalenie času..

Po neúspešných misiách na exoplanetách hrdinov Matthewa McConaugheyho (spolu s robotom) sa stiahne do supermasívnej čiernej diery Gargantua. A ani hrdina McConaughey, ani jeho robot, keď sa blížil k jamke, sa nerozbil na tisíc malých Matthewsovcov a robotov z monstróznej gravitácie. Moderná fyzika má však aj vysvetlenie.

Čierna diera je masívny objekt, ktorého gravitačná príťažlivosť, podľa klasickej verzie GR, neumožňuje, aby hmota opustila svoje hranice. Hranica diery s okolitým priestorom sa nazýva horizont udalostí. Predpokladá sa, že telo prechádza cez neho (aspoň rovnakým spôsobom).

Existuje niekoľko scenárov tvorby takýchto objektov. Hlavným mechanizmom je gravitačný kolaps niektorých typov hviezd alebo hmoty v centrách galaxií. Ich tvorba nie je vylúčená ani v období veľkého tresku a počas reakcií elementárnych častíc. Existencia čiernych dier vo väčšine vedcov je nepochybná.

Intenzita gravitačného poľa (inými slovami, hodnota zrýchlenia voľného pádu) čiernej diery sa zmenšuje so vzdialenosťou od nej. Toto je nepostrehnuteľné vo veľkej vzdialenosti, kde je pole čiernych dier lokálne homogénne a významné v malých vzdialenostiach: rôzne časti toho istého predĺženého objektu spadajú do diery s rôznymi zrýchleniami a objekt sa tiahne..

Takto pôsobí prílivová sila čiernej diery. Existuje však medzera. Prílivová sila je priamo úmerná hmotnosti čiernej diery a nepriamo úmerná kocke polomeru horizontu udalosti. Polomer horizontu udalosti dier rastie úmerne k jeho hmotnosti. Preto je v závislosti od veľkosti prílivová sila nepriamo úmerná štvorcu hmotnosti diery. Pre obyčajné čierne diery sa získajú obrovské hodnoty prílivových síl, zatiaľ čo pre supermasívne nie sú také veľké, ktoré medzihviezdni hrdinovia využili..

Hrdina Matthew McConaughey (a jeho robot) objavil vo vnútri rotujúcej čiernej diery päťdimenzionálny vesmír. A tu sú, úprimne povedané, šťastie - ak by sa čierna diera neotáčala, cestujúci by pokračovali v pohybe do jej stredu - singularity a v tomto prípade by finále filmu bolo úplne iné..

Dá sa predpokladať, že hrdinovi McConaugheyovi (a jeho robotovi) sa podarilo preniknúť takou čiernou dierou, vyhnúť sa jej výnimočnosti a cestovať po nej po zvláštnej trajektórii, ktorá ho priviedla do nového vesmíru. V ňom bola geometria lokálne usporiadaná tak, že štyri rozmery sú priestorové a jednorazové. Formálne to nie je v rozpore s GR.

A hoci človek je zjavne schopný vnímať len tri priestorové a jednorazové dimenzie, vo filme bol hlavná postava v novom vesmíre schopná nielen cestovať v časovej dimenzii, ale aj pozorovať štvorrozmerné projekcie v trojrozmernom priestore..

Kým Matthew McConaughey (spolu s robotom) letí cez exoplanety a do čiernej diery, zostávajúci profesor na zemi, ktorý vykonáva Michael Kane, sa snaží vyriešiť druh „gravitačnej rovnice“, ktorá by spojila kvantovú mechaniku a GR s jednou teóriou a tým pochopila fyziku červí diery a čierna diera.

A musím povedať, že hrdina Michael Kane nie je sám. Vytvorenie univerzálnej teórie spájajúcej všeobecnú relativitu a kvantovú mechaniku je hlavnou úlohou najmodernejších matematických fyzikov - špecialistov na teóriu strun. Hlavnou úlohou teórie je zjednotenie všetkých štyroch známych interakcií: silných, slabých, elektromagnetických a gravitačných. Prvé tri sú opísané kvantovou teóriou poľa (QFT), matematickým modelom modernej časticovej fyziky, poslednou je GRT. Zároveň GR vo všeobecnosti neodporuje QFT, pretože hovorí o javoch na iných mierkach dĺžky a energie. Ak sa však GTR zaoberá kozmologickými objektmi obrovských hmotností, potom je QFT použiteľný na subatomárnej úrovni..

Problém je v tom, že obe teórie sú v rozpore s Planckovou stupnicou, pretože v nich musia byť v GR zohľadnené kvantové korekcie. Takže v čiernej diere kvantové efekty vedú k jeho odpareniu. Kvantová verzia GR, získaná podobnou metódou QFT, sa ukáže ako neregenerovateľná, to znamená, že nie je možné, aby boli pozorované hodnoty konečné. Riešenie tohto problému a venovanie väčšiny výskumu v tejto oblasti. Samotná teória reťazca (M-teória) je založená na predpoklade existencie hypotetických jednorozmerných objektov na Planckovej stupnici - reťazcoch, ktorých excitácie sú interpretované ako elementárne častice a ich interakcie..

Ako sa to deje a prečo, fyzici nemôžu prísť na to takmer pol storočia. Takže nenechajte sa odradiť, ak sa vám zdá, že celý článok je niečo ako čínsky diplom (nie je jasné, naozaj, prečo ste si ho prečítali až do konca). Okrem toho, hlavný záver zo všetkých vyššie uvedených je celkom jednoduchý: okrem milovanej série "Teória veľkého tresku" majú geeki z celého sveta obľúbený film.