В космической опере « Интерстеллар» астронавты, стремящиеся спасти человечество, нашли спасательный круг: червоточина, которая таинственным образом появилась рядом с Сатурном. Туннель в пространстве-времени ведет к далекой галактике и возможности найти обитаемые планеты, которые люди могут колонизировать. Червоточина фильма основана на реальной физике отставного профессора CalTech Кипа Торна, пионера астрофизики, который также помог Карлу Сагану спроектировать его червоточину для романа « Контакт» . Визуализация ошеломляет и воспринимается как одна из самых точных симуляций червоточин и черных дыр в фильме. Но есть один аспект погружения в межзвездный экспресс, который не затрагивает фильм: как вы пережили поездку?
Связанный контент
- Стивен Хокинг думает, что мы можем разгадать загадку черной дыры с помощью волос
- Физики построили червоточину для магнитов
- Почему «Межзвездный» принадлежит к Пантеону лучших «Реалистичных» фантастических фильмов
- Самое близкое в реальной жизни к Книге червоточины Myst
Хотя они не называли это так, оригинальной червоточиной было детище Альберта Эйнштейна и его помощника Натана Розена. Они пытались решить уравнения Эйнштейна для общей теории относительности таким образом, чтобы в конечном итоге привести к чисто математической модели всей вселенной, включая гравитацию и частицы, составляющие материю. Их попытка состояла в том, чтобы описать пространство как два геометрических листа, соединенных «мостами», которые мы воспринимаем как частицы.
Другой физик, Людвиг Фламм, самостоятельно открыл такие мосты в 1916 году в своем решении уравнений Эйнштейна. К сожалению для всех них, эта «теория всего» не сработала, потому что теоретические мосты в конечном итоге не ведут себя как реальные частицы. Но статья Эйнштейна и Розена 1935 года популяризировала концепцию туннеля сквозь ткань пространства-времени и заставила других физиков серьезно задуматься о последствиях.
Физик из Принстона Джон Уилер ввел термин «червоточина» в 1960-х годах, когда исследовал модели мостов Эйнштейна-Розена. Он отметил, что мосты похожи на отверстия, которые черви проникают сквозь яблоки. Муравей, ползающий с одной стороны яблока к другой, может либо пройти весь путь по его изогнутой поверхности, либо быстро пройти через туннель червя. А теперь представьте, что наше трехмерное пространство-время - это оболочка яблока, которое изгибается вокруг более высокого измерения, называемого «массой». Мост Эйнштейна-Розена - это туннель, проходящий через большую часть массива, который позволяет путешественникам быстро пересекать две точки в пространстве. Это звучит странно, но это законное математическое решение общей теории относительности.
Уилер понял, что устья мостов Эйнштейна-Розена легко соответствуют описаниям так называемой черной дыры Шварцшильда, простой сферы материи, настолько плотной, что даже свет не может избежать ее гравитационного притяжения. Ах-ха! Астрономы считают, что черные дыры существуют и образуются, когда ядра чрезвычайно массивных звезд падают на себя. Так могут ли черные дыры быть червоточинами и, следовательно, воротами в межзвездное путешествие? Математически говоря, может быть, но никто не переживет путешествие.
В модели Шварцшильда темное сердце черной дыры - это особенность, нейтральная неподвижная сфера с бесконечной плотностью. Уилер рассчитал, что произойдет, если червоточина родится, когда две особенности в отдаленных частях вселенной сливаются в объеме, создавая туннель между черными дырами Шварцшильда. Он обнаружил, что такая червоточина по своей природе нестабильна: туннель образуется, но затем он сжимается и сжимается, оставляя вас еще раз с двумя особенностями. Этот процесс роста и сжатия происходит так быстро, что даже свет не проходит через туннель, и астронавт, пытаясь пройти через него, столкнется с сингулярностью. Это внезапная смерть, так как огромные гравитационные силы разорвут путешественника на части.
«Все, что попытается совершить поездку, будет уничтожено!» Торн пишет в своей книге-компаньоне к фильму «Наука межзвездного» .
Наука Межзвездного
Amazon.com: Межзвездная наука (9780393351378): Кип Торн, Кристофер Нолан: Книги
купитьЕсть альтернатива: вращающаяся черная дыра Керра, которая является еще одной возможностью в общей теории относительности. Особенность внутри черной дыры Керра - это кольцо, а не сфера, и некоторые модели предполагают, что человек может пережить поездку, если он аккуратно пройдет через центр этого кольца, как баскетбольный мяч через обруч. Торн, однако, имеет ряд возражений против этого понятия. В статье 1987 года о путешествии через червоточину он отмечает, что горло червоточины Керра содержит область, называемую горизонтом Коши, которая очень нестабильна. Математика говорит, что, как только что-нибудь, даже свет, пытается пройти этот горизонт, туннель рушится. Даже если червоточина может быть каким-то образом стабилизирована, квантовая теория говорит нам, что внутренняя часть должна быть затоплена частицами высокой энергии. Встаньте в червоточину Керра, и вы будете прожарены до хрустящей корочки.
Хитрость в том, что физика еще не объединила классические правила гравитации с квантовым миром, неуловимым кусочком математики, который многие исследователи пытаются определить. В одном повороте картины Хуан Мальдасена в Принстоне и Леонард Сасскинд в Стэнфорде предположили, что червоточины могут быть похожи на физические проявления запутанности, когда квантовые объекты связаны независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга.
Эйнштейн, как известно, описывал запутывание как «жуткое действие на расстоянии» и сопротивлялся этому понятию. Но множество экспериментов говорят нам, что запутанность реальна - она уже используется коммерчески для защиты онлайн-коммуникаций, таких как банковские транзакции. Согласно Малдацене и Сусскинду, большие количества запутанности изменяют геометрию пространства-времени и могут привести к появлению червоточин в форме запутанных черных дыр. Но их версия не межзвездные ворота.
«Это червоточины, которые не позволяют вам путешествовать быстрее света», - говорит Мальдасена. «Тем не менее, они могут позволить вам встретить кого-то внутри, с небольшой оговоркой, что они оба затем умрут с гравитационной сингулярностью».
Итак, черные дыры являются проблемой. Что же тогда может быть червоточина? Ави Леб из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики говорит, что наши возможности широко открыты: «Поскольку у нас еще нет теории, которая надежно объединяет общую относительность с квантовой механикой, мы не знаем всего зоопарка возможных пространственно-временных структур, которые могли бы вместить червоточины «.
Кадр из межзвездного трейлера показывает похожий на цветок космический корабль Endurance, приближающийся к червоточине. (Paramount Pictures и Warner Brothers Entertainment, в сотрудничестве с легендарными картинами) Там все еще заминка. Торн обнаружил в своей работе 1987 года, что любой тип червоточины, которая согласуется с общей теорией относительности, разрушится, если его не подпереть то, что он называет «экзотической материей» с отрицательной энергией. Он утверждает, что у нас есть доказательства экзотической материи благодаря экспериментам, показывающим, как квантовые флуктуации в вакууме создают отрицательное давление между двумя зеркалами, расположенными очень близко друг к другу. И Леб думает, что наши наблюдения темной энергии являются еще одним намеком на то, что экзотическая материя может существовать.
«Мы наблюдаем, что за недавнюю космическую историю галактики убегали от нас со скоростью, которая увеличивается со временем, как если бы на них действовала отталкивающая гравитация», - говорит Леб. «Это ускоренное расширение вселенной можно объяснить, если вселенная заполнена веществом, которое оказывает отрицательное давление… точно так же, как материал, необходимый для создания червоточины». Однако оба физика согласны с тем, что вам нужно слишком много экзотических веществ, чтобы червоточина могла образоваться естественным путем, и только высокоразвитая цивилизация может надеяться собрать достаточно вещества, чтобы стабилизировать червоточину.
Но другие физики не убеждены. «Я думаю, что стабильная, проходимая червоточина будет очень запутанной и кажется несовместимой с известными нам законами физики», - говорит Мальдасена. Сабина Хоссенфельдер из Северного института теоретической физики в Швеции еще более скептически настроена: «У нас нет абсолютно никаких признаков того, что это существует. Действительно, широко распространено мнение, что оно не может существовать, потому что, если бы он действительно работал, вакуум был бы нестабильным». Даже если экзотическая материя была доступна, путешествие через нее может быть не очень красиво. Точные эффекты будут зависеть от кривизны пространства-времени вокруг червоточины и плотности энергии внутри, говорит она. «Это почти так же, как и с черными дырами: слишком много приливных сил, и вас разрывают на части».
Несмотря на его связи с фильмом, Торн также пессимистичен, что проходимая червоточина даже возможна, намного менее выживаемая. «Если они могут существовать, я очень сомневаюсь, что они могут образоваться естественным образом в астрофизической вселенной», - пишет он в книге. Но Торн понимает, что Кристофер и Иона Нолан, написавшие « Интерстеллар», так стремились рассказать историю, основанную на науке.
«По сути, теперь это история Криса и Ионы», - сказал Торн в эксклюзивном интервью Wired . «Но дух этого, цель создания фильма, в котором наука с самого начала встроена в ткань - и это великая наука - была сохранена».
