Интерстеллар: наука за кадром - Кип Торн

Актуальных книг о гравитационных волнах нет, но я рекомендую книгу Einstein’s Unfinished Symphony: Listening to the Sounds of Space-Time [Bartusiak 2000], информация в которой не особенно устарела. Про историю исследования гравитационных волн, от Эйнштейна и далее, см. Traveling at the Speed of Thought: Einstein and the Quest for Gravitational Waves [Kennefick 2007].

Глава 17. Планета Миллер

В этой главе я делаю много утверждений о планете Миллер: ее орбите, ее вращении (она всегда обращена одной и той же стороной к Гаргантюа, если не считать раскачивания), о приливных силах Гаргантюа, которые деформируют планету и заставляют ее раскачиваться; о пространственном вихре Гаргантюа, действующем на планету, и о влиянии вихря на ее инерцию, центробежные силы и ограничение скорости до световой. Эти утверждения основаны на общей теории относительности Эйнштейна. Мне неизвестны другие книги или статьи для неспециалистов, где рассматриваются эти свойства планеты, вращающейся вокруг черной дыры. Читатели с образованием университетского уровня могут проверить мои утверждения, воспользовавшись концепциями и уравнениями из учебника Gravity: An Introduction to Einstein’s General Relativity [Hartle 2003].

Вопросы, которые я поднимаю в параграфе «Прошлое планеты Миллер», не требуют особых познаний в теории относительности – на них можно ответить, пользуясь в основном законами Ньютона. Необходимую информацию можно найти в книгах и на сайтах по геофизике или физике планет и их спутников.

Глава 18. Вибрации Гаргантюа

Об открытии Билла Пресса касательно вибрации черных дыр и о выведенных Саулом Теукольским уравнениях, описывающих эти вибрации, см. [Торн 2009. С. 293–297]. Также см. научную статью [Yang et al. 2013] о вибрациях черных дыр и их особенностях, отображенных на рис. 18.1 и в данных Ромилли.

Глава 21. Четвертое и пятое измерения

Подробнее об унификации пространства и времени см. [Торн 2009]. О «суперструнной революции» Джона Шварца и Майкла Грина и о том, как физики приняли концепцию многомерного балка, см. «Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории» [Грин 2011].

Глава 22. Сущности из балка

По «Флатландии» Эдвина Эбботта снят анимационный фильм «Плоский мир» (режиссер Лэдд Элингер, 2007), получивший высокие оценки. Подробный рассказ о математических основах «Флатландии» и о связи сюжета романа с обычаями английского общества XIX века см. The Annotated Flatland: A Romance of Many Dimensions [Stewart 2002]. Относительно визуального представления четвертого измерения см. The Visual Guide to Extra Dimensions, Volume 1: Visualizing the Fourth Dimension, Higher-Dimensional Polytopes, and Curved Hypersurfaces [McMullen 2008].

Глава 23. Ограничение гравитации

К этой главе я рекомендую книгу «Закрученные пассажи. Проникая в тайны скрытых размерностей пространства» [Рэндалл 2011]. Это исчерпывающий рассказ об идеях и прогнозах современных физиков относительно балка и его дополнительных измерений. Автор книги – Лиза Рэндалл, которая вместе с Раманом Сандрамом обнаружила, что AdS-искривление может удерживать гравитацию вблизи нашей браны (рис. 23.4 и 23.6). Заново открытая мной идея AdS-бутерброда была впервые предложена и рассмотрена в техническом документе [Gregory, Rubakov, Sibiryakov 2000], а о нестабильности AdS-бутерброда говорится в техническом документе [Witten 2000].

Глава 24. Гравитационные аномалии

Подробную историю об открытии аномальной прецессии Меркурия и о поисках планеты Вулкан можно узнать из трактата историка науки Н. Т. Роузвера «Перигелий Меркурия. От Леверье до Эйнштейна» [Роузвер 1985], а также из более простого для чтения, но менее полного отчета астрономов Ричарда Баума и Уильяма Шихана In Search of Planet Vulcan: The Ghost in Newton’s Clockwork Universe [Baum, Sheehan 1997].

Что касается свидетельств существования темной материи в нашей Вселенной и поисков темной материи, рекомендую увлекательнейшую книгу Кэтрин Фриз (одного из ведущих исследователей в этой области) The Cosmic Cocktail: Three Parts Dark Matter [Freeze 2014].

Касательно аномального ускорения расширения Вселенной и темной энергии, которая предположительно является его причиной, рекомендую последнюю главу The Cosmic Cocktail [Freeze 2014], а также The 4 % Universe: Dark Matter, Dark Energy, and the Race to Discover the Rest of Reality [Panek, 2011].

Глава 25. Уравнение профессора

Идеи об изменении ньютоновской гравитационной константы G в зависимости от места и времени, а также о том, что этими изменениями можно управлять с помощью некоего негравитационного поля, были очень популярны на физическом факультете Принстонского университета, когда я в начале шестидесятых учился там на доктора наук. Эта концепция была предложена профессором Робертом Г. Дикке и его учеником Карлом Брансом в соответствии с их «теорией гравитации Бранса – Дикке» (см. главу 8 Was Einstein Right? в [Will 1993]) – интересной альтернативой общей теории относительности. Эти идеи и эксперименты легли в основу моей интерпретации некоторых аномалий в «Интерстеллар» и способа управления ими: поля балка управляют величиной G, заставляя ее меняться.

Уравнение профессора, записанное на доске (рис. 25.6), также основано на этих идеях и на законах общей теории относительности, расширенных до пятого измерения балка (см. технический обзор Роя Маартенса и Коямы Казуи [Maartens, Kazuya 2010]). Кроме того, в уравнении использованы элементы вариационного исчисления (см. ru.wikipedia.org/wiki/Вариационное_исчисление). Подробности по поводу уравнения профессора см. в приложении «Некоторые технические примечания».

Глава 26. Сингулярности и квантовая гравитация

Для первого знакомства с квантовыми флуктуациями и вообще квантовой физикой я рекомендую книгу The Ghost in the Atom: A Discussion of the Mysteries of Quantum Physics [Davies, Brown 1986]. Я не знаю книг или статей для неспециалистов о квантовом поведении объектов человеческого масштаба, таких как зеркала ЛИГО; на техническом же уровне я рассказываю об этом во второй части третьей лекции (первой в списке) по адресу multimedia.ethz.ch/speakers/pauli/2011. Джон Уилер в автобиографии рассказывает, как он пришел к идее квантовой пены, – см. главу 11 в книге Geons, Black Holes and Quantum Foam: A Life in Physics [Wheeler, Ford 1998].

В главе 11 книги «Черные дыры и складки времени» [Торн 2009] я рассказываю, что нам известно (по состоянию на 1994 год) о внутреннем строении черных дыр и как мы получили эти знания – в частности, о БХЛ-сингулярностях и их динамике, о квантовой гравитации применительно к сингулярности, о том, как все это связано с квантовой пеной, а также о падающей сингулярности (сингулярности инфляции массы), которую относительно недавно открыли Эрик Пуассон и Вернер Израэль [Poisson, Israel 1990] и которая до сих пор мало изучена. Вылетающая сингулярность была обнаружена настолько недавно, что об этом нет никаких материалов для неспециалистов; см. академическую статью Дональда Марольфа и Амоса Ори с описанием этого открытия [Marolf, Ori 2013]. Открытие Чоптюка о возможности существования крохотных, недолговечных голых сингулярностей описано в его статье [Choptuik, 1993].

Глава 27. Кромка кратера

Вулканоподобную поверхность, о которой идет речь в этой главе (рис. 27.3, 27.5, 27.9), можно описать с помощью уравнений элементарной физики – равно как и траекторию «Эндюранс», ее нестабильность на кромке и запуск «Эндюранс» к планете: см. приложение «Некоторые технические примечания».

Глава 28. Внутрь Гаргантюа

В прологе книги «Черные дыры и складки времени» [Торн 2009] я значительно подробнее описываю, как бы выглядело и ощущалось падение сквозь горизонт событий – как для самого падающего, так и для наблюдателя, который находится снаружи черной дыры. Также я рассказываю, какое влияние на это оказывают масса и скорость вращения черной дыры.

Эндрю Гамильтон создал «симулятор полета в черную дыру», который рассчитывает изображение для падения в невращающуюся черную дыру. Эти расчеты похожи на те, что выполняла для «Интерстеллар» команда Пола Франклина (см. главу 8, главу 9 и главу 15), но они появились на много лет раньше «Интерстеллар». Эндрю использовал свой симулятор для создания замечательных видеороликов, которые можно найти на его сайте, jila.colorado.edu/~ajsh/insidebh, кроме того, их показывают в планетариях по всему миру (см. spitzinc.com/fulldome_shows/show_blackholes).

Клипы Эндрю отличаются от графики в «Интерселлар» несколькими моментами: во-первых, в учебных целях Эндрю порой изображает на горизонте черной дыры сетку из линий (такой сетки нет у настоящих черных дыр, нет ее и в «Интерстеллар»), а также заменяет звезду, которая коллапсировала с образованием черной дыры, «горизонтом прошлого»[98]. Во-вторых, в своем «путешествии в реалистичную черную дыру» (jila.colorado.edu/~ajsh/insidebh/realistic.html) Эндрю наделяет дыру джетом и аккреционным диском. Газ из диска падает к горизонту и сквозь него, и этот падающий газ преобладает на изображениях того, что камера видит на горизонте и за ним. В «Интерстеллар» же, напротив, у черной дыры нет джета, а аккреционный диск столь слаб и тонок, что в фильме газ из него не падает к горизонту, и дыра изнутри выглядит довольно темной. Однако в «Интерстеллар» Купер во время падения встречается с тусклым светящимся туманом и с белыми хлопьями вещества, которое упало в дыру прежде него. Эти явления не относятся к результатам моделирования, их вручную добавила к изображению команда студии Double Negative.