Кип Торн - Интерстеллар: наука за кадром
Что же произошло за четверть столетия между 1985 и 2013 годом? Почему мое мнение по поводу падения в черную дыру кардинально изменилось?
В 1985 году мы, физики, считали, что в сердцевине всех черных дыр находятся хаотично-разрушительные БХЛ-сингулярности и что бы ни попало в черную дыру, оно будет уничтожено растяжениями и сжатиями сингулярности (см. главу 26). Это было весьма обоснованное предположение. Но мы ошибались.
За четверть века внутри черных дыр были открыты (математически) еще две сингулярности — две мягкие сингулярности, насколько сингулярность вообще может быть мягкой (см. главу 26).
Достаточно мягкие, чтобы Купер, угодив в одну из них, имел шанс выжить. Я сомневаюсь, что он бы выжил, однако не могу сказать это наверняка. Так что, как я считаю теперь, для научной фантастики вариант с выживанием вполне допустим.
Кроме того, за эту четверть столетия мы узнали, что наша Вселенная, вероятно, является браной в многомерном балке (см. главу 21). И в фантастике, на мой взгляд, вполне допустимо принять, что в балке обитают живые создания — высокоразвитая цивилизация сущностей балка, — которые могут в последний момент спасти Купера от сингулярности. Этот вариант и выбрал Кристофер Нолан.
Через горизонт событий
В фильме, когда «Рейнджер-2», пилотируемый Купером, и посадочный модуль 1, которым управляет ТАРС, отделяются от «Эндюранс», они опускаются по спирали к горизонту событий Гаргантюа и проходят сквозь него. Что говорят законы теории относительности о такой нисходящей спирали?
Согласно им, а значит и Кип-версий, Амелия Брэнд, наблюдающая за этими событиями из «Эндюранс», никогда не увидит, как «Рейнджер» проходит сквозь горизонт. И ни один сигнал, посланный Купером с той стороны горизонта, никогда не выйдет наружу. За горизонтом событий время течет вниз, и этот нисходящий поток времени увлекает Купера и все посылаемые им сигналы за собой, внутрь, прочь от горизонта (см. главу 5).
Что же видит Брэнд (если она и КЕЙС сумели стабилизировать «Эндюранс» на достаточное время, чтобы наблюдать за этими событиями)? Поскольку и «Эндюранс», и «Рейнджер» находятся довольно глубоко в цилиндрической области искривленного пространства Гаргантюа (рис. 28.1), пространственный вихрь носит их обоих по кругу примерно с одинаковой угловой скоростью (с одинаковым орбитальным периодом). Поэтому с точки зрения Брэнд, в ее орбитальной системе отсчета, «Рейнджер» удаляется от «Эндюранс», падая почти строго вниз к горизонту (рис. 28.1), как это и показано в фильме.
Рис. 28.1. Траектория, по которой «Рейнджер» движется через искривленное пространство Гаргантюа, в орбитальной системе отсчета «Эндюранс» (корабль изображен большим, чем он есть в действительности, чтобы вы могли его разглядеть). В правом верхнем углу: более крупная область искривленного пространства Гаргантюа (Изображение «Эндюранс» взято из фильма.)Когда Брэнд наблюдает, как «Рейнджер» приближается к горизонту, относительно ее времени, как требуют того законы Эйнштейна, время для «Рейнджера» замедляется, а затем останавливается. Из этого есть несколько следствий. Она должна видеть, как падение «Рейнджера» замедляется и он застывает прямо над горизонтом. Она должна видеть, как свет, идущий от «Рейнджера», сдвигается в сторону все большей и большей длины волн, все к меньшим и меньшим частотам, становясь все краснее и краснее, до тех пор пока «Рейнджер» не станет полностью черным и неразличимым. Те сигналы, которые Купер посылает Брэнд с интервалом в одну секунду (по времени «Рейнджера»), доходят до нее со все большей и большей задержкой (по времени «Эндюранс»). Через несколько часов до Амелии дойдет последний сигнал, который она когда-либо получит от Купера, — сигнал, который он отослал перед тем, как пересек горизонт. Купер же, напротив, продолжает получать сигналы от Брэнд и после пересечения горизонта. Эти сигналы без проблем проникают в Гаргантюа и достигают Купера, тогда как его сигналы не могут выйти наружу. Именно так и должно все происходить согласно законам теории относительности.
Более того, эти законы говорят нам, что Купер, пересекая горизонт, не замечает ничего особенного. Он не может знать, какой из его сигналов станет последним из дошедших до Брэнд. И он не может, оглядевшись вокруг, точно сказать, где расположен горизонт. Горизонт для него так же неразличим, как для вас — земной экватор, когда вы пересекаете его на круизном лайнере.
Эти противоречивые на первый взгляд наблюдения Брэнд и Купера — результат двух обстоятельств: искривления времени и того, что время, которое проводят в пути свет и сигналы, конечно. Если обратить внимание на эти два аспекта, то все противоречия будут сняты.
Между сингулярностями
Когда «Рейнджер» несет Купера глубже и глубже в недра Гаргантюа, Купер продолжает видеть над собой внешнюю Вселенную. И следом за лучами света, которые приносят ему это изображение, мчится падающая сингулярность. Сначала она слаба, но быстро усиливается по мере того, как все больше и больше вещества падает в Гаргантюа и собирается тонким слоем (см. главу 27). Этого требуют законы Эйнштейна.
А под «Рейнджером» находится вылетающая сингулярность, порожденная всем, что упало в черную дыру уже давно и теперь рассеивается в направлении «Рейнджера» (см. главу 27).
«Рейнджер» находится между двух сингулярностей (рис. 28.2). И он неизбежно встретится или с той, или с другой.
Рис. 28.2. «Рейнджер» зажат между падающей и вылетающей сингулярностями Гаргантюа. «Рейнджер» здесь гораздо больше, чем был бы в действительностиКогда я рассказал об этих сингулярностях Крису, он сразу понял, с какой из них повстречается «Рейнджер» — с вылетающей сингулярностью. А почему? Потому что Крис уже внес в правила фильма запрет, гласящий, что физические объекты никогда не могут путешествовать во времени назад (см. главу 30). Падающая сингулярность порождена всем, что упало в Гаргантюа спустя много времени после падения Купера (много — по меркам внешней Вселенной, по земному времени). Если Купер столкнется с этой сингулярностью и выживет, далекое будущее Вселенной станет его прошлым. Он окажется настолько далеко в нашем будущем, что даже с помощью сущностей из балка не сможет вернуться в Солнечную систему раньше, чем спустя миллиарды лет после того, как он ее покинул (если сможет вообще). И это не позволит ему когда-либо воссоединиться с дочерью.
Поэтому Крис твердо решил, что Купер столкнется с вылетающей, а не падающей сингулярностью — сингулярностью, которая образована всем, что упало в Гаргантюа прежде «Рейнджера», а не после него.
Правда, решение Криса несколько усложнило мою задачу интерпретировать события фильма с научной точки зрения (хоть, разумеется, и не так, как ее могло бы усложнить путешествие назад во времени). Если «Рейнджер» сразу падает с критической орбиты прямиком в Гаргантюа, его падение будет достаточно медленным — и тогда его нагонит падающая сингулярность. Чтобы вместо этого он столкнулся с вылетающей сингулярностью, как хотел этого Крис, «Рейнджер» должен убежать от падающей сингулярности, которая опускается на него со скоростью света. Он сможет это сделать, если сильно подтолкнуть его внутрь. Но как? Уже привычным нам способом. С помощью гравитационной пращи от черной дыры средней массы, вскоре после отделения от «Эндюранс».
Что видит Купер внутри Гаргантюа
Глядя вверх во время своего падения, Купер видит внешнюю Вселенную. Поскольку его падение было ускорено, он видит, как время во внешней Вселенной течет примерно с той же скоростью, что и его собственное[87], и он видит изображение внешней Вселенной уменьшенным[88] — оно занимает не около половины неба, а примерно четверть.
Рис. 28.3. Внешняя Вселенная, окруженная аккреционным диском, как ее видит Купер из Гаргантюа, глядя вверх вдоль фюзеляжа «Рейнджера». Черная область слева — тень Гаргантюа (Кадр из «Интерстеллар», с разрешения «Уорнер Бразерс».)Впервые увидев соответствующие кадры из фильма, я порадовался, что команда Пола Франклина поняла все правильно. Более того, они обратили внимание на то, о чем забыл я: в фильме изображение Вселенной окружено аккреционным диском Гаргантюа (рис. 28.3). Можете объяснить почему?
Купер видит все, что над ним, но не видит падающей сингулярности, которая опускается за ним со скоростью света, вслед за лучами, которые приносят ему изображение аккреционного диска и внешней Вселенной, но не настигая их.
Поскольку мы весьма невежественны по части внутреннего устройства черных дыр, я сказал Крису и Полу, что изображая то, что Купер видит внизу (то, что приближается к нему по мере его падения), они могут дать волю своей фантазии. Я попросил их лишь об одном: «Пожалуйста, не показывайте внутри черной дыры Сатану и адское пламя, как это было в фильме студии Диснея». В ответ Крис и Пол захихикали. Само собой, у них и в мыслях такого не было.
