Интерстеллар: наука за кадром - Кип С. Торн

В начале фильма мы видим, как остолбеневшая Мёрф смотрит на пыль, которая с неестественной быстротой оседает на пол в ее спальне и собирается полосами, напоминающими штрихкод. Купер смотрит на эти полосы (рис. 24.5) и бросает монетку. Монетка по аномальной траектории устремляется к одной из полос.

Рис. 24.5. Купер разглядывает пылевой узор на полу в спальне Мёрф (Кадр из «Интерстеллар», с разрешения «Уорнер Бразерс».)

Я полагаю, что команда профессора Брэнда собрала множество данных по аномалиям. Наиболее интересные (для меня как физика и для профессора Брэнда как героя Кип-версии) из этих данных относятся к изменениям приливной гравитации.

В главе 4 мы говорили о приливной гравитации черной дыры, а также о действующей на Землю приливной гравитации Луны и Солнца. В главе 17 мы узнали, как приливная гравитация Гаргантюа вызывает сильнейшие «миллеротрясения», а также цунами и приливные боры. В главе 16 мы встретились с крохотными растяжениями и сжатиями в гравитационной волне.

Приливная гравитация свойственна не только черным дырам, Солнцу, Луне и гравитационным волнам, но также и любым гравитирующим объектам. Например, содержащие нефть участки земной коры менее плотны, чем участки, состоящие только из горных пород, из-за чего их гравитационное притяжение слабее. Это порождает специфическую картину сил приливной гравитации.

На рис. 24.6 я изобразил приливные силы с помощью тендекс-линий (о последних мы говорили в главе 4). Сжимающие (синие) тендекс-линии выходят из нефтеносной области, тогда как растягивающие (красные) тендекс-линии выходят из более плотной области, где нефти нет. И, как всегда, эти тендекс-линии двух типов перпендикулярны друг другу.

Рис. 24.6. Тендекс-линии над участком земной коры. Вдоль красных линий действует приливное растяжение, вдоль синих – сжатие

Составить карту приливных сил помогает такой измерительный прибор, как гравитационный градиометр. Он состоит из двух перекрещенных стержней, соединенных с торсионной пружиной. На концах каждого из стержней закреплены массы, на которые действует гравитация. В нормальном состоянии стержни перпендикулярны друг другу, но на рис. 24.7 синие тендекс-линии прижимают две верхние массы одна к другой, и то же происходит с двумя нижними массами. При этом красные тендекс-линии отталкивают друг от друга попарно левые и правые массы. В итоге угол между стержнями уменьшается до тех пор, пока пружина не уравновесит приливные силы. Этот угол, «угол считывания», и есть показание градиометра.

Рис. 24.7. Упрощенная схема гравитационного градиометра, разработанного и собранного Робертом Форвардом из Исследовательской лаборатории Хьюза, 1970

Если перемещать градиометр высоко над землей, слева направо над участком с рис. 24.6, его угол считывания будет увеличиваться над нефтеносными областями и уменьшаться над областями без нефти. Геологи используют градиометры (только более сложные) для поиска месторождений нефти и минералов.

NASA запустило в космос более сложный градиометр под названием GRACE[76] (рис. 24.8), который предназначен для картографирования приливных сил Земли и наблюдения за медленными изменениями приливной гравитации, вызванными, к примеру, таянием ледяных щитов.

Рис. 24.8. GRACE: два спутника, каждый из которых отслеживает положение другого с помощью микроволновых сигналов, сближаются и отдаляются под действием тендекс-линий (на рисунке не показаны)

В Кип-версии большинство гравитационных аномалий, которые разыскивает и изучает команда профессора Брэнда, представляет собой внезапные изменения в узоре тендекс-линий над поверхностью Земли – изменения, происходящие без очевидных причин. Горные породы и залежи нефти в земной коре не перемещаются. Таяние ледяных щитов – слишком медленный процесс, чтобы вызывать столь быстрые изменения. Люди не наблюдают новых гравитирующих масс, проходящих рядом с градиометрами. Тем не менее градиометры регистрируют смену характера приливных сил. Пыль оседает полосами. Монетку Купера притягивает к одной из них.

Члены команды профессора Брэнда отслеживают эти изменения и, в частности, с интересом выслушивают сообщение Купера. От собираемых данных и отталкивается профессор Брэнд в своих исследованиях гравитации, исследованиях, краеугольным камнем которых является уравнение профессора.

В «Интерстеллар» гравитационные аномалии волнуют профессора Брэнда по двум причинам. Если он поймет их природу, это может привести к революционному скачку в наших познаниях о гравитации, к скачку столь же грандиозному, как эйнштейновская теория относительности. Но что более важно, если профессор разберется, как управлять аномалиями, это поможет NASA эвакуировать большие колонии людей с умирающей Земли и отправить их к новому дому где-то на просторах Вселенной.

Ключом к пониманию аномалий и к управлению ими профессор считает уравнение, которое он записал на своей доске (рис. 25.7). В фильме он вместе с Мёрф бьется над решением этого уравнения.

Рис. 25.1. Майкл Кейн (профессор Брэнд) и я на съемочной площадке (в кабинете профессора Брэнда)

Прежде чем начались съемки фильма, два выдающихся студента-физика из Калтеха заполнили блокноты расчетами, связанными с уравнением профессора. Елена Мурчикова заполнила новенький блокнотик расчетами взрослой Мёрф – расчетами, записанными элегантным каллиграфическим почерком. Кейт Мэтьюс заполнила потрепанный блокнот вычислениями профессора Брэнда, почерком более неряшливым, какой присущ стариканам вроде профессора и меня.

В фильме взрослая Мёрф (актриса Джессика Честейн) обсуждает расчеты, записанные в ее блокноте, с профессором (актер Майкл Кейн). Мурчикова, специалист по квантовой гравитации и космологии, присутствовала на съемочной площадке, чтобы консультировать Честейн по поводу ее реплик, блокнота и того, что ей предстояло писать на доске. Они смотрелись потрясающе – две рыжеволосые женщины, одинаково прекрасные, но из совершенно разных миров, склонившиеся над блокнотом.