В конечном счете кинокартина «Гравитация» при всех огрехах сценария производит великолепное визуальное впечатление. Но, как вы догадались, его создателей интересовало другое: благодаря им у нас появился отличный предлог поговорить об орбитальной физике!

Благодарность

Выражаем благодарность Кристофу Бонналю из Национального центра космических исследований (Франция) за ценные сведения о космическом мусоре и о несчастных случаях в космосе.

Что почитать и посмотреть

• Полетом при g = 0 можно полюбоваться по адресу: https://www.youtube.com/watch?v=lVTTpKShVtE.

• Опыт Дэвида Скотта с падением предметов в экспедиции «Аполлона-15» выложен по адресу: https://www.youtube.com/watch?v=03SPBXALJZI.

Глава 3.

«Интерстеллар»: прогулка в черной дыре

На Земле разразилась страшная экологическая катастрофа, планета умирает, на ней бушуют ураганные ветры и пыльные бури[16]. Падают урожаи, не хватает еды… В условиях недостатка ресурсов человечество агонизирует. Группа ученых-затворников (НАСА!), ища выход, отправляет маленькую экспедицию в космос, на поиски новой Земли. Скитаясь по экзотическим планетам, герой в конце концов попадает в черную дыру, чтобы научить нас той истине, что пространству и времени неподвластна одна любовь…

Притом что «Интерстеллар» (Кристофер Нолан, 2014) не слишком цепляет зрительское внимание, этот фильм, заявляющий о своей преемственности с «Космической одиссеей 2001 года», представляет немалый педагогический интерес ввиду неоспоримой научной серьезности действия и добросовестности режиссера[17]. Правда, он подправил некоторые эпизоды — особенно те, где фигурирует черная дыра, — в ущерб научной точности: «в Голливуде даже черные дыры прихорашиваются», как сострил по этому поводу британский журнал «Нью сайентист». В итоге многие научные моменты фильма не могут не вызвать у зрителя недоверие[18]. Мы не станем задерживаться на этих подробностях, а поговорим о науке, чтобы привести кое-какие сведения, никак не вытекающие из некоторых сцен в фильме. Сосредоточимся на черной дыре Гаргантюа и на ее влиянии на окружающее пространство, что составляет сердцевину интриги. Итак, пристегните ремни: отправляемся к черной дыре!

Изгибы пространства-времени

В центре интриги «Интерстеллара», как и «Гравитации» (см. предыдущую главу), находится сила тяготения. Но если для понимания физических процессов в фильме Альфонсо Куарона достаточно теории Ньютона, то, чтобы следовать за интригой Кристофера Нолана, придется обратиться к понятию относительности.

Согласно теории Альберта Эйнштейна, обнародованной в 1915 году, четырехмерное пространство-время представляет собой гибкую эластичную материю, деформируемую присутствующими в ней крупными телами. Распределение энергии порождает гравитационное поле, так как энергия связана с материей по знаменитой формуле Е = mс2. В этой логике то, что мы называем гравитацией, есть не что иное, как проявление деформаций в пространстве-времени. В свою очередь, материя и энергия испытывают последствия порождаемых ими деформаций. Из теории следует, что тело, свободно перемещающееся в этом искривленном пространстве-времени, описывает кратчайшую траекторию, называемую «геодезической линией». В «плоском», то есть не содержащем материи, пространстве-времени геодезические линии представляют собой прямые. Но в деформированном пространстве-времени это кривые, какими являются эллиптические орбиты планет Солнечной системы. Вопреки классической физике, свет — а он состоит из лишенных массы частиц, фотонов, — становится чувствительным к присутствию материи, так как тоже должен следовать геодезическим линиям пространства-времени. Значит, его траектория вблизи массивного тела изгибается. Эйнштейн вычислил угол отклонения в случае Солнца: видимое положение звезды, проходящее по границе его лимба, должно переместиться на 1,75 дуговой секунды (этот крохотный угол соответствует видимому размеру монеты в 1 евро с расстояния 2,7 км!). Это явление впервые наблюдали при солнечном затмении 29 мая 1919 года.

Сегодня отклонение световых лучей под воздействием материи — неоспоримый факт. На нем основывается явление гравитационной линзы: изображение удаленной галактики деформируется при прохождении через скопление более близких галактик[19]. Но что происходит по соседству с черной дырой?

Что такое черная дыра?

Черная дыра, безусловно, самый знаменитый обитатель космического зверинца. Истинная звезда «Интерстеллара» — это, конечно, Гаргантюа, вымышленная черная дыра, вокруг которой (а потом и внутри) разворачивается действие.

Согласно теории относительности, черная дыра — это область пространства-времени, искривленная до такой степени, что из нее не может вырваться ничто, даже свет. Нематериальная граница, отделяющая эту область от остальной вселенной, называется горизонтом событий. Если земной горизонт — понятие относительное, зависящее от наблюдателя, то горизонт черной дыры абсолютен и делит события на две категории. За этим горизонтом, вне его, возможна коммуникация на расстояниях произвольно большой величины благодаря световым сигналам: это обычная вселенная, в которой находимся все мы. Внутри горизонта событий лучи света сходятся в центре и не могут оттуда вырваться. Иначе говоря, ничто из происходящего в черной дыре не может повлиять на внешнее пространство-время; этим и объясняется сам термин «черная дыра». В ее середине расположена сингулярность — область, где кривизна пространства-времени стремится к бесконечности.

Простейшую черную дыру предложил и описал немецкий физик Карл Шварцшильд (1873–1916), сумевший решить уравнение Эйнштейна для сферической инертной массы. Горизонт черной дыры Шварцшильда — это сфера, радиус которой пропорционален массе. У черной дыры с массой Солнца радиус должен быть равен 2 км, притом что фактический радиус нашей звезды равен 696 тыс. км. На расстояниях, значительно превосходящих радиус Шварцшильда, пространство-время вне черной дыры не отличается от пространства-времени звезды эквивалентной массы. Иными словами, замена нашего Солнца черной дырой той же массы ничего не изменит в орбитах планет. Искажения пространственно-временных характеристик черной дыры проявляются только вблизи ее горизонта.