Кинофантастика

Оборвем в этом месте анализ, хотя обсуждения достойны и многие другие научные и технические аспекты фильма, отдельные из которых, например пожар на МКС, производят сильное впечатление. Альфонсо Куарон очень стремился к реалистичности, особенно удачно у него получились космические виды. Например, даже звездное скопление Плеяды, созвездия Тельца и Орион показаны в его картине правильно! Отметим также, что она завершается обзором эволюции жизни на Земле, адресованным, вероятно, американским поборникам теории креационизма… Как, разве вы не заметили? Вынырнув из озера, куда рухнула капсула, Стоун с трудом выползает на берег, еле-еле выпрямляется и гордо, даже, можно сказать, с вызовом смотрит в небеса!

В конечном счете кинокартина «Гравитация» при всех огрехах сценария производит великолепное визуальное впечатление. Но, как вы догадались, его создателей интересовало другое: благодаря им у нас появился отличный предлог поговорить об орбитальной физике!

Благодарность

Выражаем благодарность Кристофу Бонналю из Национального центра космических исследований (Франция) за ценные сведения о космическом мусоре и о несчастных случаях в космосе.

Что почитать и посмотреть

• Полетом при g = 0 можно полюбоваться по адресу: https://www.youtube.com/watch?v=lVTTpKShVtE.

• Опыт Дэвида Скотта с падением предметов в экспедиции «Аполлона-15» выложен по адресу: https://www.youtube.com/watch?v=03SPBXALJZI.

Глава 3.

«Интерстеллар»: прогулка в черной дыре

На Земле разразилась страшная экологическая катастрофа, планета умирает, на ней бушуют ураганные ветры и пыльные бури^[16]. Падают урожаи, не хватает еды… В условиях недостатка ресурсов человечество агонизирует. Группа ученых-затворников (НАСА!), ища выход, отправляет маленькую экспедицию в космос, на поиски новой Земли. Скитаясь по экзотическим планетам, герой в конце концов попадает в черную дыру, чтобы научить нас той истине, что пространству и времени неподвластна одна любовь…

Притом что «Интерстеллар» (Кристофер Нолан, 2014) не слишком цепляет зрительское внимание, этот фильм, заявляющий о своей преемственности с «Космической одиссеей 2001 года», представляет немалый педагогический интерес ввиду неоспоримой научной серьезности действия и добросовестности режиссера^[17]. Правда, он подправил некоторые эпизоды — особенно те, где фигурирует черная дыра, — в ущерб научной точности: «в Голливуде даже черные дыры прихорашиваются», как сострил по этому поводу британский журнал «Нью сайентист». В итоге многие научные моменты фильма не могут не вызвать у зрителя недоверие^[18]. Мы не станем задерживаться на этих подробностях, а поговорим о науке, чтобы привести кое-какие сведения, никак не вытекающие из некоторых сцен в фильме. Сосредоточимся на черной дыре Гаргантюа и на ее влиянии на окружающее пространство, что составляет сердцевину интриги. Итак, пристегните ремни: отправляемся к черной дыре!

Изгибы пространства-времени

В центре интриги «Интерстеллара», как и «Гравитации» (см. предыдущую главу), находится сила тяготения. Но если для понимания физических процессов в фильме Альфонсо Куарона достаточно теории Ньютона, то, чтобы следовать за интригой Кристофера Нолана, придется обратиться к понятию относительности.

Согласно теории Альберта Эйнштейна, обнародованной в 1915 году, четырехмерное пространство-время представляет собой гибкую эластичную материю, деформируемую присутствующими в ней крупными телами. Распределение энергии порождает гравитационное поле, так как энергия связана с материей по знаменитой формуле Е = mс². В этой логике то, что мы называем гравитацией, есть не что иное, как проявление деформаций в пространстве-времени. В свою очередь, материя и энергия испытывают последствия порождаемых ими деформаций. Из теории следует, что тело, свободно перемещающееся в этом искривленном пространстве-времени, описывает кратчайшую траекторию, называемую «геодезической линией». В «плоском», то есть не содержащем материи, пространстве-времени геодезические линии представляют собой прямые. Но в деформированном пространстве-времени это кривые, какими являются эллиптические орбиты планет Солнечной системы. Вопреки классической физике, свет — а он состоит из лишенных массы частиц, фотонов, — становится чувствительным к присутствию материи, так как тоже должен следовать геодезическим линиям пространства-времени. Значит, его траектория вблизи массивного тела изгибается. Эйнштейн вычислил угол отклонения в случае Солнца: видимое положение звезды, проходящее по границе его лимба, должно переместиться на 1,75 дуговой секунды (этот крохотный угол соответствует видимому размеру монеты в 1 евро с расстояния 2,7 км!). Это явление впервые наблюдали при солнечном затмении 29 мая 1919 года.

Сегодня отклонение световых лучей под воздействием материи — неоспоримый факт. На нем основывается явление гравитационной линзы: изображение удаленной галактики деформируется при прохождении через скопление более близких галактик^[19]. Но что происходит по соседству с черной дырой?

Что такое черная дыра?

Черная дыра, безусловно, самый знаменитый обитатель космического зверинца. Истинная звезда «Интерстеллара» — это, конечно, Гаргантюа, вымышленная черная дыра, вокруг которой (а потом и внутри) разворачивается действие.

Согласно теории относительности, черная дыра — это область пространства-времени, искривленная до такой степени, что из нее не может вырваться ничто, даже свет. Нематериальная граница, отделяющая эту область от остальной вселенной, называется горизонтом событий. Если земной горизонт — понятие относительное, зависящее от наблюдателя, то горизонт черной дыры абсолютен и делит события на две категории. За этим горизонтом, вне его, возможна коммуникация на расстояниях произвольно большой величины благодаря световым сигналам: это обычная вселенная, в которой находимся все мы. Внутри горизонта событий лучи света сходятся в центре и не могут оттуда вырваться. Иначе говоря, ничто из происходящего в черной дыре не может повлиять на внешнее пространство-время; этим и объясняется сам термин «черная дыра». В ее середине расположена сингулярность — область, где кривизна пространства-времени стремится к бесконечности.

Простейшую черную дыру предложил и описал немецкий физик Карл Шварцшильд (1873–1916), сумевший решить уравнение Эйнштейна для сферической инертной массы. Горизонт черной дыры Шварцшильда — это сфера, радиус которой пропорционален массе. У черной дыры с массой Солнца радиус должен быть равен 2 км, притом что фактический радиус нашей звезды равен 696 тыс. км. На расстояниях, значительно превосходящих радиус Шварцшильда, пространство-время вне черной дыры не отличается от пространства-времени звезды эквивалентной массы. Иными словами, замена нашего Солнца черной дырой той же массы ничего не изменит в орбитах планет. Искажения пространственно-временных характеристик черной дыры проявляются только вблизи ее горизонта.

Лебедь Х-1, обнаруженный в 1965 году, был первым объектом, могущим быть проявлением черной дыры. Он представляет собой бинарную систему, состоящую, возможно, из вращающейся черной дыры и гигантской звезды. С тех пор в нашей Галактике идентифицированы два десятка черных дыр. Крупнейшая, Стрелец А*, массой до 4 млн солнц, расположена в центре Млечного Пути. Ее обнаружили в 2002-м при наблюдении орбит звезд вблизи центра нашей Галактики. На 2019 год намечен проект «Телескоп горизонта событий» — съемка участков вблизи горизонта этой центральной черной звезды методом сопоставления данных радиотелескопов, разбросанных по всей земной поверхности. Увидят ли они то, что показано в «Интерстелларе»? Этого никто не знает, но вычисления дают надежду^[20].

Гаргантюа во всей красе

Хотя черная звезда не испускает свечения, ее можно зафиксировать по влиянию на ближнюю периферию, например, по вращающемуся вокруг нее диску материи. Разогреваемый вращением и порождаемым им внутренним трением, диск светится. Траектории лучей света испытывают воздействие искривленности пространства-времени, вызванной черной дырой. Предварительный математический анализ и его компьютерная обработка позволяют точно вычислить эти траектории и получить изображение, которое увидел бы удаленный наблюдатель.