Интерстеллар: наука за кадром - Кип С. Торн

Если вы знакомы с математической записью ньютоновских законов тяготения, вас может заинтересовать их модификация, предложенная астрофизиками Богданом Пачинским и Полом Виита [Paczynski and Wiita 1980]. В этой модификации гравитационное ускорение невращающейся черной дыры вместо ньютоновского закона обратных квадратов, g = GM/r² выражается как g = GM / (r – rh)². Здесь M – это масса дыры, r – радиус снаружи дыры, на котором ощущается ускорение g, а rh = 2GM/c² – радиус горизонта невращающейся дыры. Это на удивление хорошее приближение к гравитационному ускорению, которое прогнозирует общая теория относительности[99]. Попробуйте с помощью этой модифицированной формулы сделать количественный вариант рис. 17.2[100] и определить радиус планеты Миллер. Результат будет верен лишь приблизительно, поскольку описание гравитации Гаргантюа по Пачинскому – Виита не учитывает вовлечение пространства в вихревое движение из-за вращения черной дыры.

Смысл различных математических символов, входящих в уравнение профессора (рис. 25.7), раскрыт на остальных пятнадцати досках, фотографии которых можно найти на сайте Interstellar.withgoogle.com в разделе, посвященном этой книге. Уравнение выражает «действие» S (классический предел «квантового эффективного действия») в виде интеграла лагранжевых функций L. Эти функции связаны с геометрическими свойствами пространства – времени («метриками») пятимерного балка и нашей четырехмерной браны, с набором полей, действующих в балке (которые обозначены как Q, σ, λ, ξ и φi), а также с «полями стандартной модели», действующими в нашей бране (включая электрические и магнитные поля). Поля и пространственно-временные метрики варьируются, чтобы найти экстремум (максимум, минимум или седловую точку) действия S. Условия экстремума представляют собой систему уравнений Эйлера – Лагранжа, которые определяют эволюции полей; это стандартная процедура вариационного исчисления. Профессор и Мёрф делают предположения относительно полей балка φⁱ, неизвестных функций U(Q), Hij(Q²), M (поля стандартной модели) а также неизвестных констант Wij, которые входят в лагранжевы функции. На рис. 25.8 я записываю на доске список этих предположений. Затем для каждого набора предположений профессор и Мёрф варьируют поля и метрики пространства – времени, выводят уравнения Эйлера – Лагранжа, а затем выполняют компьютерное моделирование, исследуя прогнозы этих уравнений относительно гравитационных аномалий.

Это примечание – для читателей, которые хорошо знакомы с математической записью ньютоновского закона тяготения и законов сохранения энергии и углового момента. Я предлагаю вам самостоятельно вывести нижеследующую формулу для вулканоподобной поверхности, исходя из 1) приблизительной формулы Пачинского – Виита для гравитационного ускорения Гаргантюа, g = GM / (r – rh)² (см. техническое примечание к главе 17 выше) и 2) законов сохранения энергии и углового момента. Собственно формула в системе обозначений из примечания к главе 17 с добавлением величины L – углового момента «Эндюранс» выглядит так:

Первое слагаемое здесь соответствует гравитационной энергии «Эндюранс» (на единицу массы), второе – его окружной кинетической энергии, а сумма V(r) и радиальной кинетической энергии v²/2 (где r – радиальная скорость) будет равняться полной энергии «Эндюранс» (на единицу массы). Кромка кратера соответствует такому радиусу r, где V(r) достигает максимума. Предлагаю вам с помощью этих идей и уравнений доказать мои утверждения из главы 27 – утверждения о траектории «Эндюранс», нестабильности траектории на кромке кратере и о старте к планете Эдмундс.

В балке, так же как и в нашей бране, положения в пространстве – времени, в которые можно передавать сообщения и вообще что-либо перемещать, ограничены законом, который гласит: ничто не может двигаться быстрее света. Чтобы изучить последствия этого закона, мы, физики, используем пространственно-временные схемы, на которых в точке каждого события располагается «световой конус будущего». Свет идет от этого события по световому конусу, а все остальное – то, что движется медленнее света, – попадает из точки события или на конус, или внутрь него. См., например, Gravity: An Introduction to Einstein’s General Relativity [Hartle 2003].

На рис. НТП.1 показан рисунок световых конусов будущего внутри тессеракта и на его гранях (в Кип-версии). Это математическое описание искривления пространства – времени, на которое я ссылаюсь в примечании 97 к главе 30. Физики называют такой рисунок световых конусов «каузальной структурой пространства – времени» внутри тессеракта. На рис. НТП.1 также показана мировая линия (фиолетовая кривая) гравитационно-волнового сообщения (силы), которое Купер отправил через тессеракт в спальню Мёрф, а также мировая линия луча света (красный пунктир), идущего из спальни через грани тессеракта, благодаря чему Купер видит, что происходит в спальне. Это пространственно-временная версия чисто пространственной схемы на рис. 30.5.

Рис. НТП.1. Каузальная структура пространства – времени внутри тессеракта; одно пространственное измерение опущено

Можете разобраться, почему гравитационно-волновое сообщение движется со скоростью света и тем не менее перемещается назад как относительно времени спальни, так и относительно времени Купера? И постарайтесь понять, как луч света, двигаясь со световой скоростью, перемещается, напротив, вперед относительно обоих времен. Сравните это с описанием картины Эшера (рис. 30.6) в главе 30.

Прежде всего благодарю за приглашение в Голливуд и мое знакомство с потрясающим миром кинобизнеса моего партнера Линду Обст, а также Кристофера Нолана, Эмму Томас, Джонатана Нолана, Пола Франклина и Стивена Спилберга.