Книга Интерстеллар: наука за кадром - Кип С. Торн

Согласно Кип-версии, «Эндюранс» был сконструирован так, чтобы выдерживать серьезные воздействия сил приливной гравитации. Необходимая предосторожность, если собираешься путешествовать сквозь червоточину. Диаметр кольца «Эндюранс» – 64 метра – равен примерно одному проценту от длины окружности червоточины. Сталь и другие твердые материалы не годились, поскольку они ломаются или необратимо теряют изначальную форму, если подвергнуть их деформациям величиной более нескольких десятых долей процента. К тому же было неясно, что случится с «Эндюранс» по другую сторону червоточины, возле Гаргантюа, так что «Эндюранс» требовался гораздо больший запас прочности, чем необходим для преодоления приливных сил в червоточине.

Углеродное волокно можно изгибать как угодно, при этом деформация материала составит значительно меньше одного процента. Причина в малой толщине волокна. Можно предположить, что прочность «Эндюранс» обеспечивается множеством тончайших углеродных волокон, натянутых по кольцу – подобно тросам, которые держат подвесной мост, изгибаясь и растягиваясь при сильном ветре. Но тогда кольцо стало бы очень гибким. А оно должно обладать достаточной жесткостью, чтобы изгибающие кольцо силы приливной гравитации не столкнули друг с другом его модули.

Конструкторы (в Кип-версии) приложили немало усилий, чтобы «Эндюранс» был устойчив к деформациям, но при этом, подвергаясь воздействию приливных сил, значительно превышающих ожидаемые, мог деформироваться без разрушения.

Взрыв на орбите вокруг планеты Манн

Такой подход к конструированию корабля приносит свои плоды, когда доктор Манн невольно инициирует сильный взрыв, который размыкает кольцо «Эндюранс», уничтожает два модуля и еще два повреждает (рис. 20.2).

Рис. 20.2. Вверху: взрыв на «Эндюранс», выше – посадочный модуль, ниже – планета Манн. (Десять радиальных лучей света не имеют прямого отношения к взрыву, это эффект светорассеивания в объективе камеры.) Внизу: поврежденный взрывом «Эндюранс» (Кадры из «Интерстеллар», с разрешения «Уорнер Бразерс».)

Взрыв заставляет кольцо вращаться с такой скоростью, что его модули подвергаются центробежной силе величиной в 70g (то есть в 70 раз больше притяжения Земли). Несмотря на это, разомкнутое кольцо не продолжает ломаться, а модули не сталкиваются друг с другом. Это, в Кип-версии, результат блестящей работы искусных инженеров, рассчитавших конструкцию на наихудшие условия!

Кстати говоря, я приятно поражен тем, как в фильме показан взрыв. В космосе взрывы беззвучны, поскольку там нет воздуха, в котором распространялись бы звуковые волны. И взрыв «Эндюранс» беззвучен. Пламя от такого взрыва должно быстро погаснуть, поскольку в космосе нет кислорода, который бы его подпитывал. И в фильме пламя гаснет быстро. Пол Франклин рассказал мне, скольких усилий стоил его команде этот взрыв, ведь он был снят на съемочной площадке, а не нарисован на компьютере. Еще один пример того, как тщательно Кристофер Нолан придерживался научной достоверности.

Разговор об окрестностях Гаргантюа привел нас к физике планет (приливная деформация, цунами, приливные боры…) и далее, через колебания Гаргантюа и поиск следов органической жизни, – к инженерии (конструкция «Эндюранс» и последствия взрыва). Как бы ни любил я эти темы – а я проводил исследования или писал учебники по большинству из них, – не они предмет моей главной страсти. Моя главная страсть – это экстремальная физика, физика на границе человеческих познаний и за ними. Об этом я сейчас и расскажу.

VI. Экстремальная физика

21. Четвертое и пятое измерения

Время как четвертое измерение

Пространство нашей Вселенной обладает тремя осями координат: «верх – низ», «восток – запад» и «север – юг». Однако чтобы пообедать с подругой, придется договориться не только о месте встречи, но и о времени. В этом смысле время – четвертая ось координат. Но при этом время отличается от пространственных измерений. Мы можем двигаться на запад или на восток – куда захотим, туда и пойдем. Однако явившись к тому самому обеду, мы не можем внезапно перенестись во времени назад. Как бы мы ни старались, единственный путь – двигаться во времени вперед, и законы теории относительности гарантируют это[65].

И все же время – это четвертое измерение нашей Вселенной. Сцена нашей жизни – четырехмерное пространство – время: три пространственных измерения и одно временное.

Когда мы, физики, исследуем пространство – время с помощью экспериментов и расчетов, выясняется, что пространство и время во многом схожи. Простой пример: куда бы мы ни смотрели, мы смотрим в прошлое, поскольку свету нужно время, чтобы дойти до наших глаз. Наблюдая квазар, находящийся в миллиарде световых лет от нас, мы видим, каким он был миллиард лет назад, когда лучи света, пришедшие в наш телескоп, только начали свой путь.

Пример посложнее: если вы относительно меня, находящегося на Земле, двигаетесь с большой скоростью, наши мнения по поводу того, синхронно ли произошли некоторые события, могут разойтись. Вам может показаться, что два взрыва, один на Солнце, а другой на Луне, произошли одновременно, тогда как для меня взрыв на Луне произошел на пять минут раньше, чем на Солнце. Для вас разница между взрывами – вопрос пространства, тогда как в моем случае придется добавить «координату» времени.

Такое смешение пространства и времени может показаться сложным для понимания, но оно лежит в основе природы нашей Вселенной. Впрочем, в этой книге (за исключением главы 30) мы можем не обращать на это внимания.

Есть ли балк на свете

На иллюстрациях к этой книге я изображаю нашу Вселенную как искривленную двумерную мембрану (брану), расположенную в трехмерном балке (как, например, на рис. 21.1). Разумеется, в действительности наша брана имеет три пространственных измерения, а балк – четыре, но мне нелегко такое изобразить, так что обычно я опускаю по одному измерению.

Рис. 21.1. Маленькая черная дыра, падающая по спирали в большую черную дыру: вид из балка, одно пространственное измерение опущено (Рисунок Дона Дэвиса по моему наброску.)