Moje ime je Andrey Kolokoltsev. Zbog mog posla dugo me zanimaju priče o tome kako se poznati reditelji, producenti i studiji nose sa stvaranjem određenih vizuelnih filmova. Za svoju prvu publikaciju odabrao sam film koji je za mene postao audiovizuelno otkrovenje i prava emotivna atrakcija (prilikom gledanja filma na IMAX ekranu, 2/3 utisaka se izgubi kod kuće na TV-u). Nećete se iznenaditi jer ste već pročitali sve u naslovu - ovo je film Interstellar Christophera Nolana. Uprkos činjenici da je interesovanje za njega odavno izbledelo, želeo bih da vašoj pažnji predstavim besplatan prevod originalnog članka Mikea Seymoura „Interstellar: unutar crne umetnosti“ od 18. novembra 2014. Ovaj članak govori o tome kako je nastala vizualizacija “Gargantue” i drugih scena iz filma – mislim da će čitateljima biti zanimljiva i nakon 1,5 godine.

Reditelj Interstellar Christopher Nolan objašnjava Matthewu McConaugheyu osnove kvantne fizike, suštinu scene

Radnici u odjelu za specijalne efekte i kompjutersku grafiku često se suočavaju s potrebom da kreiraju vizualizaciju nečega što niko do sada nije vidio. Ovome se dodaje i zahtjev moderne filmske industrije da sve to izgleda stvarno, čak i uprkos činjenici da, zapravo, niko nema pojma kako bi to moglo izgledati. U Interstellaru Christophera Nolana, supervizor specijalnih efekata Paul Franklin i tim Double Negative morali su stvoriti prikaz stvari koje nisu u našoj dimenziji koje bi bile što bliže ne samo kvantnoj fizici i relativističkoj mehanici, već i našem zajedničkom razumijevanju kvantne gravitacije. .

Bila je sreća što je među ključnim timom Double Negative-a bio Oliver Džejms, glavni naučnik sa oksfordskim obrazovanjem iz optike i atomske fizike, kao i dubokim razumevanjem Ajnštajnovih relativističkih zakona. Kao i Franklin, radio je s producentom i naučnim konsultantom Kipom Thorneom. Thorne je morao izračunati složene matematičke jednadžbe i poslati ih Jamesu da ih prevede u visokokvalitetne rendere. Zahtjevi za film izazvali su Jamesa ne samo da vizualizira proračune koji bi objasnili lučne putanje svjetlosti, već i da vizualizira poprečne presjeke svjetlosnih zraka koji mijenjaju veličinu i oblik dok putuju kroz crnu rupu.

Jamesov kod je bio samo dio cjelokupnog rješenja. Radio je ruku pod ruku sa vođom umjetničkog tima i supervizorom CG efekata Eugenom von Tanzelmannom, koji je dodao akrecijski disk i stvorio galaksiju i maglinu koje se izobličuju dok svjetlost iz njih prolazi kroz crnu rupu. Podjednako izazovan je bio i zadatak da se prikaže neko kako ulazi u četvorodimenzionalni teserakt suprotstavljen trodimenzionalnom prostoru sobe male devojčice, dok gledaocu jasno stavlja do znanja šta se zapravo dešava na ekranu.

U ovom članku ćemo istaknuti neke od ključnih okvira koje je Double Negative kreirao, kao i nauku koja stoji iza njih. Imajte na umu da sljedeći materijal može sadržavati spojlere.

Stvaranje crne rupe

Možda jedno od najznačajnijih dostignuća u postizanju Nolanovog cilja maksimalnog realizma je prikaz crne rupe Gargantua. Nakon što su dobili informacije od Thornea, filmaši su se potrudili da pokažu ponašanje svjetlosti u crnoj rupi i crvotočini. Za Double Negative, ovaj izazov je zahtijevao pisanje potpuno novog fizičkog renderera.

Pogled kamere na crnu rupu u kružnoj ekvatorijalnoj orbiti, koja se okreće 0,999 puta od najveće moguće brzine rotacije. Kamera se nalazi na udaljenosti od r=6,03 GM/c^2, gdje je M masa crne rupe, G i c Njutnova konstanta i brzina svjetlosti, respektivno. Horizont događaja crne rupe je na udaljenosti od r=1,045 GM/c^2.

„Kip mi je objašnjavao relativističku zakrivljenost prostora oko crne rupe“, kaže Pol Frenklin. „Gravitacija, uvijajući se kroz vreme, savija svetlost od sebe, stvarajući fenomen nazvan Ajnštajnovo sočivo, gravitaciono sočivo oko crne rupe. I u tom trenutku sam razmišljao kako možemo napraviti takvu sliku i ima li primjera sa sličnim grafičkim efektom na koje bismo se mogli osloniti.”

„Pogledao sam osnovne simulacije koje je stvorila naučna zajednica“, dodaje Frenklin, „i pomislio sam, OK, kretanje ove stvari je toliko složeno da ćemo morati da napravimo sopstvenu verziju od nule. Kip je tada počeo blisko sarađivati ​​sa Oliverom Džejmsom, našim glavnim naučnikom, i njegovim odeljenjem. Koristili su Kipove proračune kako bi izveli sve puteve svjetlosti i putanje praćenja zraka oko crne rupe. Osim toga, Oliver je radio na hitnim pitanjima kako sve ovo oživjeti koristeći naš novi DnGR (Double Negative General Relativity) renderer.”

Novi renderer je zahtijevao postavljanje svih kritičnih parametara za njihovu digitalnu crnu rupu. "Mogli bismo postaviti brzinu, masu i prečnik", objašnjava Franklin. “U suštini, ovo su jedina tri parametra koja možete promijeniti u crnoj rupi – to je sve što imamo da je izmjerimo. Proveli smo ogromnu količinu vremena radeći na tome kako izračunati putanje svjetlosnih zraka oko crne rupe. Sav posao je išao prilično intenzivno - momci su pisali softver punih šest mjeseci. Imali smo ranu verziju crne rupe baš na vrijeme da se film završi predprodukcija."

Crna rupa u mirovanju ubrzava do brzine rotacije od 0,999 svoje moguće brzine; tada se kamera približava crnoj rupi od radijusa od 10 GM/c^2 do radijusa od r=2,60 GM/c^2, nastavljajući da se kreće duž kružne ekvatorijalne orbite. Ogromna senka crne rupe je izobličena u pravougaoni oblik zbog konverzije super slike sa kamere na ravni ekran.

Ove rane slike korištene su kao ogromne slike za pozadinu vanjske strane broda - tako da su glumci imali šta da gledaju tokom snimanja. Odnosno, nije korišten niti jedan zeleni ekran, samo je Double Negative kasnije zamijenio rane slike koje su korištene konačnim, ispravljajući neka zvjezdana jata. „Većina snimaka astronauta preko ramena koje vidite u bioskopu“, primećuje Frenklin, „pravi su snimci. Imali smo mnogo snimaka koji nisu ušli u snimke vizuelnih efekata, iako je mnogo posla uloženo u njihovo stvaranje."

Ovi snimci uživo na kameri su omogućeni zahvaljujući saradnji Double Negative i Ph.D. Physics Hoyte Van Hoytema. Reflektori ukupnog svjetlosnog toka od 40.000 lumena po sceni korišteni su za osvjetljavanje rezultirajućih pozadinskih slika.”

Ista simulacija, samo veća. Ovdje je jasno vidljiva struktura svjetlosti sa zvjezdanog neba koja prolazi kroz gravitacijsko sočivo. Na rubu crne rupe, horizont se kreće prema nama brzinom koja je blizu svjetlosti.

„Morali smo da pomerimo i rekonfigurišemo svetla na osnovu potreba scene“, nastavlja Frenklin. „Uopšteno govoreći, moglo bi da potraje nedelju dana da sve bude kako treba, ali u nekim slučajevima je moralo biti spremno za 15 minuta. Momci su se toliko trudili, jer su reflektori ogromne, glomazne mašine - svaka je bila teška oko 270 kilograma. Imali smo dva specijalno napravljena kaveza montirana na veliko električno vitlo sa mogućnošću pomicanja uzduž i poprijeko paviljona, kako bismo ga koristili za postavljanje reflektora. Preko radija sam objasnio momcima sa reflektorima kako da ih kalibriraju, dok sam istovremeno razgovarao sa čovjekom koji upravlja viličarima koji su jurili preko gusto napučenog područja.”

Stvaranje talasa

U filmu, Cooper (Matthew McConaughey), Amelia (Anne Hathaway), Doyle (Wes Bentley) i AI robot CASE posjećuju planetu potpuno prekrivenu vodom, čiji valovi, zbog vrlo bliske lokacije Gargantui, dostižu izvanredne veličine. Gledaoci su u drugim filmovima već viđali talase od trideset metara, ali prema istoriji, to nije bilo dovoljno - prema scenariju, talasi su trebali biti visoki više od kilometra. Da bi gledaocu dao osjećaj ove visine, Double Negative je morao ponovo razmisliti o standardnom pristupu stvaranju vode. “Kada uzmete objekte ovog razmjera”, objašnjava Franklin, “sve karakteristike koje povezujete s valovima, kao što su lomovi i kovrče na vrhu, jednostavno nestaju jer postaju nevidljivi u odnosu na takvu masu vode – tj. talas postaje više kao na planini koja se kreće od vode. Zato smo proveli dosta vremena radeći na pre-vizualizaciji i razmišljajući o tome kako bismo mogli da iskoristimo razmere talasa i malog svemirskog broda Rendžer koji oni odnose. Najvažniji trenutak scene je kada val pregazi Rendžera i podiže ga visoko iznad površine. I vidite kako se brod kreće uz val, postaje sve manji i odjednom se gubi na njemu. Ovo je bio ključni trenutak da se osjeti obim onoga što se dešava.”

Anne Hathaway kao Amelia na planeti vode

Umetnici Double Negative-a manipulisali su talasima kroz animacije deformatora, efektivno ih menjajući u svakom ključnom kadru. „Ovo nam je dalo osnovni talasni oblik“, kaže Frenklin, „ali da bismo ga učinili stvarnim, moramo da dodamo pjenu na površinu, interaktivne prskanje, vodene kovitlace i prskanje. Da bismo to učinili, koristili smo naš interni razvoj pod nazivom Squirt Ocean. I, naravno, nakon toga je bilo puno dodatnog posla u Houdiniju.”

Snimak je napravljen u visokoj rezoluciji IMAX. Ovaj zahtjev je donekle ograničio količinu vremena na raspolaganju za sve moguće iteracije Double Negative. „Gledao bih deo animacije talasa, rekao bih, 'odlično, hajde da dodamo sve ostalo'“, smeje se Frenklin, „i onda bih morao da čekam oko mesec i po dana da mi se sve to vrati, dug proces zbog IMAX rezolucije. Kao što razumijete, nismo mogli gubiti vrijeme, jer se obično cijeli proces dijeli na mnogo iteracija, ali ovaj put smo imali najviše tri.”

Robot CASE, koji spašava Ameliju od plimnog vala, i njegov pandan TARS, u stvari su bile metalne lutke teške 80 funti koje je kontrolirao islandski umjetnik Bill Irwin. Christopher Nolan je želio da film ima što je moguće više stvarnih elemenata, i umjesto da ga samo nacrta kao što su mnogi činili, Double Negative je morao poraditi na uklanjanju izvođača iza robota.

Kada se CASE rekonfiguriše da hoda po vodi, a zatim se otkotrlja prema Ameliji, zgrabi je i odnevši je, okvir kombinuje dva rešenja: praktično i digitalno. „Na tom snimku“, kaže Frenklin, „bila je napravljena mala platforma za vodu, montirana na ATV. Odnosno, mogli bismo se voziti "kroz" vodu i dobiti divne interaktivne prskanje i prskanje. Imali smo i poseban lift sa robotskim rukama instaliranim na ATV-u, na kojem smo mogli prevesti dvojnicu Anne Hathaway. Odnosno, cijela ova struktura je tjerala i “rezala” vodu, a sve što smo trebali učiniti je da je uklonimo sa slike i zamijenimo digitalnom verzijom robota.”

Double Negative je pokušao ograničiti broj trenutaka s digitalnim robotima koji rade neobične stvari što je više moguće. Takvi trenuci su bili trčanje kroz vodu, spuštanje robota u brod, trčanje po glečeru i neki trenuci bez gravitacije. “Ono što smo davno primijetili je da digitalne trenutke možete učiniti da funkcioniraju samo ako ih kombinirate sa stvarnim,” kaže Franklin, “Na primjer, na snimcima gdje se robot penje u brod na samom kraju segmenta već vidimo pravu verziju robota, a ne digitalnu. Odnosno, scena se završava snimcima stvarnosti, a to pomaže da se scena osjeti stvarno stvarnom.”

Unutar teserakta

U filmu se ispostavlja da smo "oni" samo "mi", dovoljno napredni da pomognu Kuperu da stupi u kontakt sa svojom ćerkom, koja je godinama ranije bila na Zemlji. Budući da je putovanje kroz vrijeme nemoguće u univerzumu kvantnih i relativističkih zakona, historija rješava ovaj problem na način da Cooper napušta naš trodimenzionalni prostor i ulazi u hiperprostor višeg reda. Ako se naš univerzum prikaže kao 2D disk ili membrana, onda će hiperprostor biti kutija koja okružuje ovu membranu u tri dimenzije. Način da se ovo shvati je da svaka dimenzija zahtijeva 1 dimenziju manje da bi je predstavila. Dakle, trodimenzionalni prostor je nacrtan kao 2D disk, a trodimenzionalno okruženje oko ovog diska (fizičari ga nazivaju branom) je jednu dimenziju iznad membrane.

Slika koju je nacrtao Kip Thorne objašnjavajući šta su brana i membrana

U filmu, lik Michaela Cainea, profesor Brand, pokušava razotkriti gravitacijske anomalije. Ploče u filmu jasno pokazuju pokušaj rješavanja problema u 4 i 5 dimenzijama. Film kaže da ako Brand može razumjeti ove anomalije, one se mogu koristiti za promjenu gravitacije na Zemlji i podizanje ogromne strukture koja spašava čovječanstvo u svemir.

Iako prelazak sa 3D na 4D ne rješava problem putovanja kroz vrijeme, u filmu omogućava Cooperu da pošalje gravitacijske valove u prošlost. On može vidjeti bilo koje vrijeme, ali samo u tim vremenskim periodima može uzrokovati talase - gravitacijske talase, koje Kuperova ćerka, Marfi, pokušava da razume.

Zadatak tima Double Negative bio je da vizuelno demonstrira četvorodimenzionalni teserakt koji budući "mi" pruža Cooperu kako bi on mogao da izazove gravitacione talase. Ovo bi bilo lako izvodljivo ako bi se radilo u simboličkom smislu ili kao san, ali tim Double Negative odlučio je vizualizirati četverodimenzionalni teserak na ekspresivniji način, stvarajući koncept koji je, naravno, bio hipoteza, ali bi čak mogao koristiti za nastavu. U tom trenutku se Thorne ponovo pojavio.

Formule Kipa Thornea koje objašnjavaju gravitaciju u četiri i pet dimenzija. Primijetite da je ovdje "naša" brana u sendviču između dvije alternativne stvarnosti ili drugih brana.

Da bismo razumjeli dvostruko negativno rješenje, vrijedno je razumjeti prirodu dimenzija višeg reda. Ako neki predmet miruje, recimo lopta, za dvodimenzionalni prostor to je krug; za jednodimenzionalno – linija. Ako pogledamo ovaj krug u trodimenzionalnom prostoru, vidjet ćemo kuglu (sferu). Ali šta će se s njim dogoditi ako pređemo u četverodimenzionalni prostor? Jedna od teorija koja je bila osnova našeg svakodnevnog razmišljanja bila je da zamislimo četvrti prostor kao vrijeme. Tada se ispostavi da je ista lopta, ali ne u mirovanju, već u skoku, iu beskonačno malom vremenskom periodu vidljiva kao ista lopta. Ali usput stvara oblik nalik cijevi s poluloptastim rubovima. To jest, u četverodimenzionalnom prostoru lopta je cijev, a sfera je trodimenzionalna projekcija ove četverodimenzionalne figure.

Ako kocka u trodimenzionalnom prostoru vremenom mijenja svoj oblik, na primjer, raste, onda će u četverodimenzionalnom prostoru biti prikazana kao kutija, koja vremenom preraste u veliku kutiju, prikazujući sva stanja trodimenzionalnog prostora. dimenzionalne kutije za sve vreme njenog postojanja. Može animirati i mijenjati oblik kao što je prikazano u ovom videu:

Po logici filma, ako uđete u ovaj teserakt, moći ćete da vidite trodimenzionalni prostor u svakom trenutku njegovog postojanja, na primjer, u obliku linija koje idu u prošlost i budućnost. Štaviše, ako uzmete u obzir pretpostavku da postoji beskonačan broj paralelnih stvarnosti, vidjet ćete sve linije svih mogućih paralelnih stvarnosti koje idu u beskonačnom broju smjerova. Upravo je ovo idejno rješenje četverodimenzionalnog prostora s kojim je studio radio. "Niti" vremena koje Cooper vidi izgledaju kao žice, a dodirujući ih može izazvati gravitacijske vibracije, komunicirajući tako sa svojom kćerkom. Ovo je zaista briljantan komad umjetničke naučne vizualizacije!

Ali kako to snimiti?

Nolanovo insistiranje da glumci komuniciraju sa svojom okolinom prilikom kreiranja videa proširilo se i na teserakt. Nakon pada u crnu rupu, Cooper se nalazi u četverodimenzionalnom prostoru u kojem može vidjeti sve objekte i njihovu "nit" vremena. „Chris je rekao da iako je to bio veoma apstraktan koncept, on je zaista želeo da napravi nešto što bismo mogli da snimimo“, kaže Frenklin. „Želeo je da vidi Metjua kako fizički komunicira sa nitima.“ vreme, u stvarnom prostoru, a ne visi ispred zelenog ekrana.”

To je navelo Franklina da razmisli o tome kako vizualizirati teserakt. „Proveo sam dosta vremena pitajući se kako da sve ovo implementiram u realnom prostoru“, kaže on, „kako da prikažem sve te vremenske „niti“ svih objekata u jednoj prostoriji, i da to bude razumljivo u fizičkom smislu. Na kraju krajeva, opasnost je bila da prostor ispadne toliko pretrpan „nitovima“ da ćete morati smisliti kako među njima istaknuti potrebne momente. Osim toga, bilo je izuzetno važno da Cooper ne samo da je vidio „niti“ vremena, već je uvidio i njihovu obrnutu reakciju na interakciju, a da je istovremeno mogao i dalje komunicirati s predmetima u sobi svoje kćeri.”

Konačni dizajn "otvorene rešetkaste strukture" inspirisan je konceptom teserakta. “Tesseract je trodimenzionalna projekcija četverodimenzionalne hiperkocke. Ima prekrasnu strukturu nalik na rešetku, tako da smo imali grubu ideju o tome šta ćemo raditi. Dugo sam gledao skenove sa fotografija duge ekspozicije (fotografija s prorezom) i kako vam ova tehnika omogućava da prikažete istu tačku u prostoru u svakom trenutku. Sama fotografija pretvara vrijeme u jednu od dimenzija konačne slike. Kombinacija ove tehnike snimanja i rešetkaste strukture teserakta omogućila nam je da stvorimo ove trodimenzionalne "niti" vremena, kao da teče iz objekta. Sobe su fotografije, trenuci ugrađeni u rešetkastu strukturu vremenskih niti, među kojima Cooper može tražiti one koje mu trebaju, pomičući ih naprijed-nazad.”

„Na kraju smo napravili jedan deo ovog fizičkog modela sa četiri sekcije koja se ponavljaju oko njega“, kaže Frenklin, „Onda smo na računaru množili te delove na neodređeno vreme, tako da bez obzira gde pogledate, oni su trajali zauvek. Koristili smo i dosta stvarnih projekcija tokom snimanja. Aktivne „nitove“ vremena postavili smo pod stvarne sekcije pomoću projektora. To nam je dalo osjećaj drhtavice i grozničave energije – sve su informacije tekle duž ovih „niti“ od odjeljka do odjeljka i natrag. Ali, naravno, svaka slika konačnog filma ima i suludu količinu digitalnih efekata ugrađenih u scenu."

No, neki trenuci su natjerali Double Negative da pređe na potpuno digitalne vizualne efekte - poput Cooperovog kretanja kroz tunele teserakta. "Nismo imali dovoljno teseraktovnih dijelova da uhvatimo ovaj pokret, pa smo snimili Matthewa s projekcionim ekranima oko sebe koji prikazuju pretprodukcijsko prikazivanje scene, tako da je imao s čime komunicirati", kaže Franklin. Glumcima se to apsolutno svidjelo jer su, za razliku od snimanja reklame ili filma na zelenom platnu, imali šta da pogledaju. Kasnije smo ovu verziju zamijenili visokokvalitetnom finalnom verzijom, samo u nekim trenucima ostavljajući pred-finiš verziju, jer je jednostavno bila van fokusa i nije bila vidljiva.”

Franklin također napominje da je bilo potrebno puno digitalnih efekata, uklanjanje kablova i ogromna količina rotoskopa (roto, rotpaint) da bi se završile ove scene. Postojale su i određene poteškoće u implementaciji efekata koji su u potpunosti izvedeni pomoću kompjuterske grafike. Na primjer, u dijelu gdje se teserakt zatvara i počinje da se urušava. „Uzeli smo kompjutersku geometriju teserakta i proveli je kroz rotaciju hiperkocke. Momci su radili na tome kako implementirati transformaciju rotacije hiperkocke i primijeniti je direktno na geometriju teserakta koji smo kreirali. Bio je to poseban trenutak za mene. Kada sam vidio rezultate, znao sam da je savršeno, upravo ono što sam želio." Dodaj oznake

U novije vrijeme, nauka je postala pouzdano svjesna šta je crna rupa. Ali čim su naučnici shvatili ovaj fenomen Univerzuma, na njih je pao novi, mnogo složeniji i zbunjujući: supermasivna crna rupa, koja se ne može nazvati crnom, već zasljepljujuće bijelom. Zašto? Ali zato što je upravo to definicija data centru svake galaksije, koji sija i sija. Ali kada stignete tamo, ne ostaje ništa osim crnila. Kakva je ovo slagalica?

Podsjetnik na crne rupe

Pouzdano se zna da je obična crna rupa nekada sjajna zvijezda. U određenoj fazi svog postojanja, počeo je naglo rasti, dok je radijus ostao isti. Ako se ranije zvijezda "širila" i rasla, sada su sile koncentrisane u njenom jezgru počele privlačiti sve ostale komponente. Njegove ivice se "kolapsiraju" na centar, formirajući nevjerovatan kolaps, koji postaje crna rupa. Takve "bivše zvijezde" više ne sijaju, već su potpuno izvana nevidljivi objekti Univerzuma. Ali oni su vrlo uočljivi, jer bukvalno upijaju sve što spada u njihov gravitacijski radijus. Ne zna se šta se krije iza ovakvog horizonta događaja. Na osnovu činjenica, tako ogromna gravitacija doslovno će smrviti bilo koje tijelo. Međutim, u posljednje vrijeme ne samo pisci naučne fantastike, već i naučnici drže se ideje da bi to mogli biti svojevrsni svemirski tuneli za putovanja na velike udaljenosti.

Šta je kvazar?

Supermasivna crna rupa ima slična svojstva, drugim riječima, jezgro galaksije, koje ima super-moćno gravitacijsko polje koje postoji zbog svoje mase (milioni ili milijarde solarnih masa). Princip formiranja supermasivnih crnih rupa još nije utvrđen. Prema jednoj verziji, uzrok ovog kolapsa su pretjerano komprimirani plinovi oblaci, plin u kojima se izuzetno ispušta, a temperatura je nevjerovatno visoka. Druga verzija je povećanje mase raznih malih crnih rupa, zvijezda i oblaka do jednog gravitacijskog centra.

Naša galaksija

Supermasivna crna rupa u centru Mliječnog puta nije jedna od najmoćnijih. Činjenica je da sama galaksija ima spiralnu strukturu, što zauzvrat tjera sve njene sudionike da budu u stalnom i prilično brzom kretanju. Stoga se čini da se gravitacijske sile, koje bi mogle biti koncentrisane isključivo u kvazaru, rasipaju i ravnomjerno povećavaju od ruba do jezgra. Lako je pretpostaviti da stvari stoje suprotno u eliptičnim ili, recimo, nepravilnim galaksijama. Na "predgrađu" prostor je izuzetno rijedak, planete i zvijezde se praktično ne kreću. Ali u samom kvazaru život je bukvalno u punom jeku.

Parametri kvazara Mliječnog puta

Koristeći radio interferometriju, istraživači su uspjeli izračunati masu supermasivne crne rupe, njen radijus i gravitacijsku silu. Kao što je gore navedeno, naš kvazar je mutan, teško ga je nazvati super-moćnim, ali čak ni sami astronomi nisu očekivali da će pravi rezultati biti ovakvi. Dakle, Strelac A* (to je naziv jezgra) jednak je četiri miliona solarnih masa. Štaviše, prema očiglednim podacima, ova crna rupa čak ni ne upija materiju, a objekti koji se nalaze u njenom okruženju se ne zagrijavaju. Primijećena je i zanimljiva činjenica: kvazar je bukvalno zatrpan u oblacima plina, čija je materija izuzetno rijetka. Možda evolucija supermasivne crne rupe naše galaksije tek počinje, a za milijarde godina ona će postati pravi gigant koji će privući ne samo planetarne sisteme, već i druge, manje

Bez obzira koliko mala masa našeg kvazara bila, ono što je najviše oduševilo naučnike je njegov radijus. Teoretski, takva udaljenost može se preći za nekoliko godina na jednoj od modernih svemirskih letjelica. Dimenzije supermasivne crne rupe su nešto veće od prosječne udaljenosti od Zemlje do Sunca, odnosno 1,2 astronomske jedinice. Gravitacioni radijus ovog kvazara je 10 puta manji od glavnog prečnika. Sa takvim pokazateljima, prirodno, materija se jednostavno neće moći singularizirati sve dok direktno ne pređe horizont događaja.

Paradoksalne činjenice

Galaksija spada u kategoriju mladih i novih zvezdanih jata. O tome svjedoči ne samo njegova starost, parametri i položaj na karti svemira poznatog čovjeku, već i moć koju posjeduje njena supermasivna crna rupa. Međutim, kako se pokazalo, ne samo mladi mogu imati "smiješne" parametre. Mnogi kvazari, koji imaju nevjerovatnu snagu i gravitaciju, iznenađuju svojim svojstvima:

• Običan vazduh je često gušći od supermasivnih crnih rupa.
• Jednom na horizontu događaja, tijelo neće iskusiti plimne sile. Činjenica je da je centar singularnosti prilično dubok, a da biste do njega došli, morat ćete prijeći dug put, a da ne sumnjate da neće biti povratka.

Divovi našeg univerzuma

Jedan od najobimnijih i najstarijih objekata u svemiru je supermasivna crna rupa u kvazaru OJ 287. Riječ je o čitavom lacertidu koji se nalazi u sazviježđu Raka, koji je, inače, vrlo slabo vidljiv sa Zemlje. Zasnovan je na binarnom sistemu crnih rupa, dakle, postoje dva horizonta događaja i dvije tačke singularnosti. Veći objekat ima masu od 18 milijardi solarnih masa, skoro istu kao mala galaksija. Ovaj pratilac je statičan; rotiraju se samo objekti koji spadaju u njegov gravitacijski radijus. Manji sistem teži 100 miliona solarnih masa i takođe ima orbitalni period od 12 godina.

Opasno susjedstvo

Utvrđeno je da su galaksije OJ 287 i Mliječni put susjedne - udaljenost između njih je otprilike 3,5 milijardi svjetlosnih godina. Astronomi ne isključuju mogućnost da će se u bliskoj budućnosti ova dva kosmička tijela sudariti, formirajući složenu zvjezdanu strukturu. Prema jednoj verziji, upravo zbog približavanja takvom gravitacionom divu kretanje planetarnih sistema u našoj galaksiji neprestano se ubrzava, a zvijezde postaju toplije i aktivnije.

Supermasivne crne rupe su zapravo bijele

Na samom početku članka pokrenuto je vrlo osjetljivo pitanje: boja u kojoj se pred nama pojavljuju najmoćniji kvazari teško se može nazvati crnom. Čak i najjednostavnija fotografija bilo koje galaksije može se vidjeti golim okom da je njen centar ogromna bijela tačka. Zašto onda mislimo da je to supermasivna crna rupa? Fotografije snimljene teleskopom pokazuju nam ogromno jato zvijezda koje privlači jezgro. Planete i asteroidi koji kruže u blizini reflektiraju se zbog svoje neposredne blizine, čime umnožavaju svu svjetlost koja je prisutna u blizini. Kako kvazari ne uvlače sve susjedne objekte brzinom munje, već ih samo drže u svom gravitacionom radijusu, oni ne nestaju, već počinju još više svijetliti, jer im temperatura brzo raste. Što se tiče običnih crnih rupa koje postoje u svemiru, njihov naziv je potpuno opravdan. Dimenzije su relativno male, ali je sila gravitacije kolosalna. Oni jednostavno "pojedu" svjetlost, ne ispuštajući ni jedan kvant iz svojih banaka.

Bioskop i supermasivna crna rupa

Gargantua - čovječanstvo je počelo naširoko koristiti ovaj izraz u vezi s crnim rupama nakon što je objavljen film "Interstellar". Gledajući ovu sliku, teško je razumjeti zašto je odabrano baš ovo ime i gdje je veza. Ali u originalnom scenariju planirali su da naprave tri crne rupe, od kojih bi se dvije zvale Gargantua i Pantagruel, preuzete iz satiričnog romana. Nakon izmjena ostala je samo jedna "zečja rupa" za koju je izabrano prvo ime. . Vrijedi napomenuti da je u filmu crna rupa prikazana što je moguće realističnije. Da tako kažem, dizajn njegovog izgleda izvršio je naučnik Kip Thorne, koji se temeljio na proučavanim svojstvima ovih kosmičkih tijela.

Kako smo znali za crne rupe?

Da nije bilo teorije relativnosti, koju je početkom dvadesetog veka predložio Albert Ajnštajn, verovatno niko ne bi ni obraćao pažnju na ove misteriozne objekte. Supermasivna crna rupa bi se smatrala običnom jatom zvijezda u centru galaksije, a obične, male bi ostale potpuno neprimijećene. Ali danas, zahvaljujući teorijskim proračunima i zapažanjima koja potvrđuju njihovu ispravnost, možemo uočiti takav fenomen kao što je zakrivljenost prostor-vremena. Moderni naučnici kažu da pronalaženje "zečje rupe" nije tako teško. Oko takvog objekta materija se ponaša neprirodno, ne samo da se skuplja, već ponekad čak i svijetli. Svijetli oreol se formira oko crne tačke, koja je vidljiva kroz teleskop. Na mnogo načina, priroda crnih rupa nam pomaže da shvatimo istoriju formiranja Univerzuma. U njihovom središtu nalazi se tačka singularnosti, slična onoj iz koje se prethodno razvio cijeli svijet oko nas.

Ne zna se sa sigurnošću šta se može dogoditi osobi koja pređe horizont događaja. Hoće li ga gravitacija slomiti ili će završiti na sasvim drugom mjestu? Jedino što se može sa potpunim povjerenjem reći je da gargantua usporava vrijeme, a u nekom trenutku kazaljka na satu konačno i neopozivo stane.

Film Interstellar, objavljen početkom novembra, s pravom se može smatrati glavnim događajem sezone. I ne samo filmski. Događaji prikazani u filmu - svemirski letovi kroz hiperprostor, padanje u crne rupe i putovanje kroz vrijeme - izazvali su burne rasprave kako među ljubiteljima naučne fantastike, tako i u pseudoznanstvenim krugovima. Ono što nije iznenađujuće je da je poznati teoretski fizičar Kip Thorne bio konsultant za film. A kada je u pitanju moderna teorijska fizika, često se ispostavi da ono što je jučer bila pomahnitala fantazija danas se ispostavlja kao respektabilna naučna teorija.
*Pažnja, tekst sadrži spojlere.

Mole Hole

Glavni događaji u filmu počinju letom glavnih likova kroz crvotočinu koja se odvija u blizini Saturna. Fizički, to je tunel koji povezuje dva udaljena regiona prostor-vremena. Ove oblasti mogu biti ili u istom univerzumu ili povezivati ​​različite tačke različitih univerzuma (unutar koncepta multiverzuma). U zavisnosti od mogućnosti povratka kroz rupu, dijele se na prohodne i neprohodne. Neprohodne rupe se brzo zatvaraju i sprečavaju potencijalnog putnika da se vrati.

Rješenja općih jednačina relativnosti tipa crvotočina prvi put je otkrio Ludwig Flamm 1916. godine. 1930-ih za njih su se zainteresovali Albert Ajnštajn i Natan Rozen, a kasnije i Džon Viler. Međutim, sve ove crvotočine bile su neprohodne. Tek 1986. Kip Thorne je došao do rješenja za prolaznu crvotočinu.

Sa matematičke tačke gledišta, crvotočina je hipotetički objekat dobijen kao posebno nesingularno (konačno i fizički smisleno) rešenje jednadžbi Opće teorije relativnosti Alberta Einsteina (GTR). Obično se crvotočine prikazuju kao savijena dvodimenzionalna površina. Možete doći s jedne strane na drugu krećući se na uobičajen način. Ili možete napraviti rupu i spojiti obje strane tunelom. U vizualnom slučaju dvodimenzionalnog prostora, može se vidjeti da to omogućava značajno smanjenje udaljenosti.

U dvije dimenzije, grla crvotočine - rupe iz kojih počinje i završava tunel - imaju oblik kruga. U tri dimenzije (kao u filmu), otvor crvotočine izgleda kao sfera. Takvi objekti su formirani od dva singulariteta u različitim regionima prostor-vremena, koji se u hiperprostoru (prostoru više dimenzije) povlače jedan prema drugom kako bi formirali rupu. Pošto je rupa prostorno-vremenski tunel, kroz nju možete putovati ne samo u prostoru, već iu vremenu.

U Interstellar-u, rupa je bila prohodna i povezivala je različite galaksije u svemiru. Ali da bi se vratila nazad kroz nju, crvotočina mora biti ispunjena materijom sa negativnom prosečnom gustinom mase, sprečavajući da se tunel zatvori. Ne postoje elementarne čestice koje su poznate nauci koje imaju takva svojstva. Međutim, vjerovatno bi mogli biti dio tamne materije.

Plankova dužina je otprilike 1,62x10 -35 metara, što je 2x10 20 puta manje od “prečnika” protona. Numerička vrijednost Planckovih jedinica (dužina, masa, vrijeme i druge) dobijena je iz četiri fundamentalne fizičke konstante i ocrtava granicu primjenjivosti moderne fizike.

Vjeruje se da bi takva crvotočina mogla biti zarobljena u kvantnoj pjeni, a zatim proširena i potencijalno pogodna za putovanje kroz hipersvemir. Takva pena predstavlja fluktuacije prostora na Planckovim skalama dužine, gde ne funkcionišu klasični zakoni opšte relativnosti, jer se kvantni efekti moraju uzeti u obzir.

Drugi način da se stvori crvotočina je da se rastegne jedna oblast prostora, formirajući rupu sa singularnošću koja, u hiperprostoru, doseže drugu oblast prostora. U oba slučaja, predlaže se održavanje prolaza rupe propuštanjem materije sa negativnom gustinom mase kroz nju. Takvi projekti nisu u suprotnosti sa GTR.

Egzoplanete i dilatacija vremena

Nakon što prolete kroz crvotočinu, svemirski putnici se šalju na egzoplanete koje su potencijalno nastanjive prema informacijama dobijenim iz izviđačkih misija. Da bi planeta bila barem potencijalno pogodna za ljudski život, mora imati stabilne svjetlosne, temperaturne i gravitacijske režime slične onima na Zemlji. Pritisak u atmosferi mora biti uporediv sa onim na Zemlji, a hemijski sastav mora biti pogodan za život barem nekih kopnenih organizama. Preduslov je prisustvo vode. Sve ovo nameće određena ograničenja na masu i zapreminu planete, kao i na njenu udaljenost do zvijezde i parametre orbite.

Trenutno je u Zemljinoj orbiti stvoreno najpovoljnije putovanje kroz vrijeme za ljude. Što duže kosmonauti i astronauti ostaju na Međunarodnoj svemirskoj stanici, koja kruži oko planete brzinom većom od sedam kilometara u sekundi, to sporije (u poređenju sa zemljanima na površini) stare. Rekord putovanja kroz vreme pripada Sergeju Krikalevu, koji se za više od 803 dana pomerio u budućnost za otprilike 0,02 sekunde.

Istovremeno, pokazalo se da se prva od planeta (Miller) nalazi vrlo blizu supermasivne crne rupe Gargantua s masom od 100 miliona sunaca i 10 milijardi svjetlosnih godina udaljena od Zemlje. Radijus rupe je uporediv sa radijusom Zemljine orbite oko Sunca, a akrecijski disk koji ga okružuje protezao bi se daleko izvan orbite Marsa. Zbog jakog gravitacionog polja crne rupe, jedan sat proveden na površini Millerove planete je ekvivalentan sedam godina na Zemlji.

Nije iznenađujuće, kaže teorijska fizika, da je to zbog efekta dilatacije vremena u jakom gravitacionom polju crne rupe u kojoj se planeta nalazi. U specijalnoj teoriji relativnosti (STR) - teoriji kretanja tijela pri brzinama skorom svjetlosti - zapaža se dilatacija vremena u pokretnim objektima. A u opštoj relativnosti, koja je generalizacija specijalne relativnosti uzimajući u obzir gravitaciju, postoji ekvivalencija inercije i gravitacije, čija je dugoročna posledica gravitaciona dilatacija vremena.

Supermasivna crna rupa

Nakon neuspješnih misija na egzoplanetama, heroja Matthewa McConaugheya (zajedno s robotom) Gargantua usisa u supermasivnu crnu rupu. Štaviše, ni Mekonahijev junak ni njegov robot nisu bili rastrgani na hiljadu malih Metjua i robota monstruoznom gravitacijom kada su se približavali rupi. Međutim, moderna fizika i ovdje ima objašnjenje.

Ajnštajn je zasnovao opštu relativnost na lokalnoj ekvivalenciji polja ubrzanja i gravitacije. To se može lako ilustrirati na primjeru laboratorija unutar lifta koji pada. Svi objekti unutar takvog lifta će pasti s njim istim ubrzanjem, a njihova relativna ubrzanja će biti nula. U ovom slučaju, situacija se može opisati u dva referentna sistema. U prvom, inercijskom i povezanom sa Zemljom, lift pada pod uticaj Zemljine gravitacije. U drugom, povezanom sa liftom (neinercijalnim), nema gravitacionog polja. Ako se unutar lifta nalazi posmatrač, onda on ne može odrediti u kojem se polju: ubrzanju ili gravitaciji nalazi. Ispada da su u lokalnom smislu (kada ubrzanje gravitacije ima približno iste vrijednosti u datom području prostora, odnosno gravitacijsko polje je homogeno) inercija i gravitacija ekvivalentne.

Crna rupa je masivni objekat, čija gravitaciona privlačnost, prema klasičnoj verziji opšte teorije relativnosti, ne dozvoljava materiji da napusti svoje granice. Granica rupe sa okolnim prostorom naziva se horizont događaja. Prošavši kroz njega, tijelo se, kako se vjeruje, ne može vratiti nazad (barem na isti način).

Postoji nekoliko scenarija za formiranje takvih objekata. Osnovni mehanizam uključuje gravitacijski kolaps određenih vrsta zvijezda ili materije u centrima galaksija. Takođe je moguće da su nastali tokom Velikog praska i tokom reakcija elementarnih čestica. Postojanje crnih rupa je van sumnje među većinom naučnika.

Jačina gravitacionog polja (drugim riječima, vrijednost ubrzanja zbog gravitacije) crne rupe opada s rastojanjem od nje. To se ne primjećuje na velikim udaljenostima, gdje je polje crne rupe lokalno, uniformno i značajno na malim udaljenostima: različiti dijelovi istog proširenog objekta padaju u rupu s različitim ubrzanjima, a objekt se rasteže.

Upravo tako djeluje plimna sila crne rupe. Međutim, ovdje postoji rupa. Sila plime je direktno proporcionalna masi crne rupe i obrnuto proporcionalna kocki radijusa horizonta događaja. Radijus horizonta događaja rupe raste proporcionalno njenoj masi. Stoga je, po redu veličine, sila plime in oseke obrnuto proporcionalna kvadratu mase rupe. Za obične crne rupe dobijaju se enormne vrijednosti plimnih sila, dok za supermasivne one nisu toliko velike, što su heroji Interstellar-a iskoristili.

Hyperspace

Unutar crne rupe koja se vrti, heroj Matthewa McConaugheya (i njegov robot) otkrili su petodimenzionalni svemir. I tu su, iskreno, imali sreće – da se crna rupa nije rotirala, putnici bi nastavili kretanje prema njenom centru – singularnosti, a u ovom slučaju bi kraj filma bio potpuno drugačiji.

Matematički, koncept fizičkog hiperprostora nastao je krajem 1910. godine, kada je Teodor Kaluza ugradio četvorodimenzionalni prostor Opšte teorije relativnosti u petodimenzionalni i time uveo novu dimenziju. Tipično, u teorijama s dodatnim dimenzijama, dimenzije opserviranog svemira duž novih dimenzija su toliko male da nemaju gotovo nikakav utjecaj na ostale četiri.

Opća teorija relativnosti dopušta mogućnost rješenja Ajnštajnovih jednačina, na primjer, u obliku Kerrove metrike, čija analitička svojstva omogućavaju bijeg od singularnosti. Takva rješenja imaju neobična svojstva, a posebno impliciraju mogućnost postojanja unutar crne rupe posebnih prostorno-vremenskih putanja koje narušavaju uobičajene uzročno-posljedične veze.

Može se pretpostaviti da je McConaugheyjev junak (i ​​njegov robot) uspio prodrijeti u takvu crnu rupu, pobjeći njenoj singularnosti i otputovati unutar nje posebnom putanjom koja ga je odvela u novi univerzum. U njemu se pokazalo da je geometrija lokalno raspoređena na način da su četiri dimenzije prostorne i simultane. Formalno, ovo nije u suprotnosti sa OTU.

I iako je osoba, po svemu sudeći, sposobna da percipira samo tri prostorne i jednu vremensku dimenziju, u filmu je glavni lik u novom svemiru dobio priliku ne samo da putuje kroz vremensku dimenziju, već i da posmatra projekcije četiri- dimenzionalni u trodimenzionalnom prostoru.

"jednačina gravitacije"

Dok Matthew McConaughey (zajedno s robotom) leti kroz egzoplanete i ulazi u crnu rupu, profesor koji ostaje na zemlji, kojeg glumi Michael Caine, pokušava riješiti određenu "jednačinu gravitacije" koja bi mu omogućila da poveže kvantnu mehaniku i općenito relativnosti u jednu teoriju i na taj način razumjeti fiziku crvotočine i crne rupe.

Gribov-Hawkingovo zračenje sugerira isparavanje crne rupe zbog kvantnih fluktuacija povezanih s formiranjem parova virtualnih čestica. Jedna čestica iz takvog para odleti iz crne rupe, a druga - s negativnom energijom - "padne" u nju. Po prvi put je sovjetski teorijski fizičar Vladimir Gribov govorio o mogućnosti takvog fenomena. A u prvoj polovini 1970-ih, nakon posjete SSSR-u, Stephen Hawking je objavio rad u kojem je predvidio postojanje radijacije iz crnih rupa (nazvano Hawkingovo zračenje u književnosti na engleskom jeziku ili Gribov-Hawking u književnosti na ruskom jeziku ).

I, moram reći, heroj Michaela Cainea ne pati sam. Stvaranje univerzalne teorije koja povezuje opću relativnost i kvantnu mehaniku glavni je zadatak većine modernih matematičkih fizičara – specijalista za teoriju struna. Glavni zadatak teorije je da ujedini sve četiri poznate interakcije: jaku, slabu, elektromagnetnu i gravitacionu. Prva tri opisana su kvantnom teorijom polja (QFT), matematičkim modelom moderne fizike čestica, a posljednja općom teorijom relativnosti. U isto vrijeme, Opšta relativnost u cjelini nije u suprotnosti s QFT, jer govori o pojavama na drugim skalama dužine i energije. Ali ako se GR bavi kosmološkim objektima ogromnih masa, onda je QFT primjenjiv na subatomskom nivou.

Problem je u tome što se obje teorije međusobno sukobljavaju na Planckovim skalama, jer se na njima kvantne korekcije moraju uzeti u obzir u opštoj relativnosti. Dakle, u crnoj rupi, kvantni efekti dovode do njenog isparavanja. Kvantna verzija opšte teorije relativnosti, dobijena na sličan način kao QFT, ispada da nije renormalizabilna, odnosno da se posmatrane veličine ne mogu učiniti konačnima. Većina istraživanja u ovoj oblasti posvećena je rješavanju ovog problema. Sama teorija struna (M-teorija) zasniva se na pretpostavci postojanja na Planckovim skalama hipotetičkih jednodimenzionalnih objekata – struna, čije se pobude tumače kao elementarne čestice i njihove interakcije.

Moje ime je Andrey Kolokoltsev. Zbog mog posla dugo me zanimaju priče o tome kako se poznati reditelji, producenti i studiji nose sa stvaranjem određenih vizuelnih filmova. Za svoju prvu publikaciju odabrao sam film koji je za mene postao audiovizuelno otkrovenje i prava emotivna atrakcija (prilikom gledanja filma na IMAX ekranu, 2/3 utisaka se izgubi kod kuće na TV-u). Nećete se iznenaditi jer ste već pročitali sve u naslovu - ovo je film Interstellar Christophera Nolana. Uprkos činjenici da je interesovanje za njega odavno izbledelo, želeo bih da vašoj pažnji predstavim besplatan prevod originalnog članka Mikea Seymoura „Interstellar: unutar crne umetnosti“ od 18. novembra 2014. Ovaj članak govori o tome kako je nastala vizualizacija “Gargantue” i drugih scena iz filma – mislim da će čitateljima biti zanimljiva i nakon 1,5 godine.

Reditelj Interstellar Christopher Nolan objašnjava Matthewu McConaugheyu osnove kvantne fizike, suštinu scene

Radnici u odjelu za specijalne efekte i kompjutersku grafiku često se suočavaju s potrebom da kreiraju vizualizaciju nečega što niko do sada nije vidio. Ovome se dodaje i zahtjev moderne filmske industrije da sve to izgleda stvarno, čak i uprkos činjenici da, zapravo, niko nema pojma kako bi to moglo izgledati. U Interstellaru Christophera Nolana, supervizor specijalnih efekata Paul Franklin i tim Double Negative morali su stvoriti prikaz stvari koje nisu u našoj dimenziji koje bi bile što bliže ne samo kvantnoj fizici i relativističkoj mehanici, već i našem zajedničkom razumijevanju kvantne gravitacije. .

Bila je sreća što je među ključnim timom Double Negative-a bio Oliver Džejms, glavni naučnik sa oksfordskim obrazovanjem iz optike i atomske fizike, kao i dubokim razumevanjem Ajnštajnovih relativističkih zakona. Kao i Franklin, radio je s producentom i naučnim konsultantom Kipom Thorneom. Thorne je morao izračunati složene matematičke jednadžbe i poslati ih Jamesu da ih prevede u visokokvalitetne rendere. Zahtjevi za film izazvali su Jamesa ne samo da vizualizira proračune koji bi objasnili lučne putanje svjetlosti, već i da vizualizira poprečne presjeke svjetlosnih zraka koji mijenjaju veličinu i oblik dok putuju kroz crnu rupu.

Jamesov kod je bio samo dio cjelokupnog rješenja. Radio je ruku pod ruku sa vođom umjetničkog tima i supervizorom CG efekata Eugenom von Tanzelmannom, koji je dodao akrecijski disk i stvorio galaksiju i maglinu koje se izobličuju dok svjetlost iz njih prolazi kroz crnu rupu. Podjednako izazovan je bio i zadatak da se prikaže neko kako ulazi u četvorodimenzionalni teserakt suprotstavljen trodimenzionalnom prostoru sobe male devojčice, dok gledaocu jasno stavlja do znanja šta se zapravo dešava na ekranu.

U ovom članku ćemo istaknuti neke od ključnih okvira koje je Double Negative kreirao, kao i nauku koja stoji iza njih. Imajte na umu da sljedeći materijal može sadržavati spojlere.

Stvaranje crne rupe

Možda jedno od najznačajnijih dostignuća u postizanju Nolanovog cilja maksimalnog realizma je prikaz crne rupe Gargantua. Nakon što su dobili informacije od Thornea, filmaši su se potrudili da pokažu ponašanje svjetlosti u crnoj rupi i crvotočini. Za Double Negative, ovaj izazov je zahtijevao pisanje potpuno novog fizičkog renderera.

Pogled kamere na crnu rupu u kružnoj ekvatorijalnoj orbiti, koja se okreće 0,999 puta od najveće moguće brzine rotacije. Kamera se nalazi na udaljenosti od r=6,03 GM/c^2, gdje je M masa crne rupe, G i c Njutnova konstanta i brzina svjetlosti, respektivno. Horizont događaja crne rupe je na udaljenosti od r=1,045 GM/c^2.

„Kip mi je objašnjavao relativističku zakrivljenost prostora oko crne rupe“, kaže Pol Frenklin. „Gravitacija, uvijajući se kroz vreme, savija svetlost od sebe, stvarajući fenomen nazvan Ajnštajnovo sočivo, gravitaciono sočivo oko crne rupe. I u tom trenutku sam razmišljao kako možemo napraviti takvu sliku i ima li primjera sa sličnim grafičkim efektom na koje bismo se mogli osloniti.”

„Pogledao sam osnovne simulacije koje je stvorila naučna zajednica“, dodaje Frenklin, „i pomislio sam, OK, kretanje ove stvari je toliko složeno da ćemo morati da napravimo sopstvenu verziju od nule. Kip je tada počeo blisko sarađivati ​​sa Oliverom Džejmsom, našim glavnim naučnikom, i njegovim odeljenjem. Koristili su Kipove proračune kako bi izveli sve puteve svjetlosti i putanje praćenja zraka oko crne rupe. Osim toga, Oliver je radio na hitnim pitanjima kako sve ovo oživjeti koristeći naš novi DnGR (Double Negative General Relativity) renderer.”

Novi renderer je zahtijevao postavljanje svih kritičnih parametara za njihovu digitalnu crnu rupu. "Mogli bismo postaviti brzinu, masu i prečnik", objašnjava Franklin. “U suštini, ovo su jedina tri parametra koja možete promijeniti u crnoj rupi – to je sve što imamo da je izmjerimo. Proveli smo ogromnu količinu vremena radeći na tome kako izračunati putanje svjetlosnih zraka oko crne rupe. Sav posao je išao prilično intenzivno - momci su pisali softver punih šest mjeseci. Imali smo ranu verziju crne rupe baš na vrijeme da se film završi predprodukcija."

Crna rupa u mirovanju ubrzava do brzine rotacije od 0,999 svoje moguće brzine; tada se kamera približava crnoj rupi od radijusa od 10 GM/c^2 do radijusa od r=2,60 GM/c^2, nastavljajući da se kreće duž kružne ekvatorijalne orbite. Ogromna senka crne rupe je izobličena u pravougaoni oblik zbog konverzije super slike sa kamere na ravni ekran.

Ove rane slike korištene su kao ogromne slike za pozadinu vanjske strane broda - tako da su glumci imali šta da gledaju tokom snimanja. Odnosno, nije korišten niti jedan zeleni ekran, samo je Double Negative kasnije zamijenio rane slike koje su korištene konačnim, ispravljajući neka zvjezdana jata. „Većina snimaka astronauta preko ramena koje vidite u bioskopu“, primećuje Frenklin, „pravi su snimci. Imali smo mnogo snimaka koji nisu ušli u snimke vizuelnih efekata, iako je mnogo posla uloženo u njihovo stvaranje."

Ovi snimci uživo na kameri su omogućeni zahvaljujući saradnji Double Negative i Ph.D. Physics Hoyte Van Hoytema. Reflektori ukupnog svjetlosnog toka od 40.000 lumena po sceni korišteni su za osvjetljavanje rezultirajućih pozadinskih slika.”

Ista simulacija, samo veća. Ovdje je jasno vidljiva struktura svjetlosti sa zvjezdanog neba koja prolazi kroz gravitacijsko sočivo. Na rubu crne rupe, horizont se kreće prema nama brzinom koja je blizu svjetlosti.

„Morali smo da pomerimo i rekonfigurišemo svetla na osnovu potreba scene“, nastavlja Frenklin. „Uopšteno govoreći, moglo bi da potraje nedelju dana da sve bude kako treba, ali u nekim slučajevima je moralo biti spremno za 15 minuta. Momci su se toliko trudili, jer su reflektori ogromne, glomazne mašine - svaka je bila teška oko 270 kilograma. Imali smo dva specijalno napravljena kaveza montirana na veliko električno vitlo sa mogućnošću pomicanja uzduž i poprijeko paviljona, kako bismo ga koristili za postavljanje reflektora. Preko radija sam objasnio momcima sa reflektorima kako da ih kalibriraju, dok sam istovremeno razgovarao sa čovjekom koji upravlja viličarima koji su jurili preko gusto napučenog područja.”

Stvaranje talasa

U filmu, Cooper (Matthew McConaughey), Amelia (Anne Hathaway), Doyle (Wes Bentley) i AI robot CASE posjećuju planetu potpuno prekrivenu vodom, čiji valovi, zbog vrlo bliske lokacije Gargantui, dostižu izvanredne veličine. Gledaoci su u drugim filmovima već viđali talase od trideset metara, ali prema istoriji, to nije bilo dovoljno - prema scenariju, talasi su trebali biti visoki više od kilometra. Da bi gledaocu dao osjećaj ove visine, Double Negative je morao ponovo razmisliti o standardnom pristupu stvaranju vode. “Kada uzmete objekte ovog razmjera”, objašnjava Franklin, “sve karakteristike koje povezujete s valovima, kao što su lomovi i kovrče na vrhu, jednostavno nestaju jer postaju nevidljivi u odnosu na takvu masu vode – tj. talas postaje više kao na planini koja se kreće od vode. Zato smo proveli dosta vremena radeći na pre-vizualizaciji i razmišljajući o tome kako bismo mogli da iskoristimo razmere talasa i malog svemirskog broda Rendžer koji oni odnose. Najvažniji trenutak scene je kada val pregazi Rendžera i podiže ga visoko iznad površine. I vidite kako se brod kreće uz val, postaje sve manji i odjednom se gubi na njemu. Ovo je bio ključni trenutak da se osjeti obim onoga što se dešava.”

Anne Hathaway kao Amelia na planeti vode

Umetnici Double Negative-a manipulisali su talasima kroz animacije deformatora, efektivno ih menjajući u svakom ključnom kadru. „Ovo nam je dalo osnovni talasni oblik“, kaže Frenklin, „ali da bismo ga učinili stvarnim, moramo da dodamo pjenu na površinu, interaktivne prskanje, vodene kovitlace i prskanje. Da bismo to učinili, koristili smo naš interni razvoj pod nazivom Squirt Ocean. I, naravno, nakon toga je bilo puno dodatnog posla u Houdiniju.”

Snimak je napravljen u visokoj rezoluciji IMAX. Ovaj zahtjev je donekle ograničio količinu vremena na raspolaganju za sve moguće iteracije Double Negative. „Gledao bih deo animacije talasa, rekao bih, 'odlično, hajde da dodamo sve ostalo'“, smeje se Frenklin, „i onda bih morao da čekam oko mesec i po dana da mi se sve to vrati, dug proces zbog IMAX rezolucije. Kao što razumijete, nismo mogli gubiti vrijeme, jer se obično cijeli proces dijeli na mnogo iteracija, ali ovaj put smo imali najviše tri.”

Robot CASE, koji spašava Ameliju od plimnog vala, i njegov pandan TARS, u stvari su bile metalne lutke teške 80 funti koje je kontrolirao islandski umjetnik Bill Irwin. Christopher Nolan je želio da film ima što je moguće više stvarnih elemenata, i umjesto da ga samo nacrta kao što su mnogi činili, Double Negative je morao poraditi na uklanjanju izvođača iza robota.

Kada se CASE rekonfiguriše da hoda po vodi, a zatim se otkotrlja prema Ameliji, zgrabi je i odnevši je, okvir kombinuje dva rešenja: praktično i digitalno. „Na tom snimku“, kaže Frenklin, „bila je napravljena mala platforma za vodu, montirana na ATV. Odnosno, mogli bismo se voziti "kroz" vodu i dobiti divne interaktivne prskanje i prskanje. Imali smo i poseban lift sa robotskim rukama instaliranim na ATV-u, na kojem smo mogli prevesti dvojnicu Anne Hathaway. Odnosno, cijela ova struktura je tjerala i “rezala” vodu, a sve što smo trebali učiniti je da je uklonimo sa slike i zamijenimo digitalnom verzijom robota.”

Double Negative je pokušao ograničiti broj trenutaka s digitalnim robotima koji rade neobične stvari što je više moguće. Takvi trenuci su bili trčanje kroz vodu, spuštanje robota u brod, trčanje po glečeru i neki trenuci bez gravitacije. “Ono što smo davno primijetili je da digitalne trenutke možete učiniti da funkcioniraju samo ako ih kombinirate sa stvarnim,” kaže Franklin, “Na primjer, na snimcima gdje se robot penje u brod na samom kraju segmenta već vidimo pravu verziju robota, a ne digitalnu. Odnosno, scena se završava snimcima stvarnosti, a to pomaže da se scena osjeti stvarno stvarnom.”

Unutar teserakta

U filmu se ispostavlja da smo "oni" samo "mi", dovoljno napredni da pomognu Kuperu da stupi u kontakt sa svojom ćerkom, koja je godinama ranije bila na Zemlji. Budući da je putovanje kroz vrijeme nemoguće u univerzumu kvantnih i relativističkih zakona, historija rješava ovaj problem na način da Cooper napušta naš trodimenzionalni prostor i ulazi u hiperprostor višeg reda. Ako se naš univerzum prikaže kao 2D disk ili membrana, onda će hiperprostor biti kutija koja okružuje ovu membranu u tri dimenzije. Način da se ovo shvati je da svaka dimenzija zahtijeva 1 dimenziju manje da bi je predstavila. Dakle, trodimenzionalni prostor je nacrtan kao 2D disk, a trodimenzionalno okruženje oko ovog diska (fizičari ga nazivaju branom) je jednu dimenziju iznad membrane.

Slika koju je nacrtao Kip Thorne objašnjavajući šta su brana i membrana

U filmu, lik Michaela Cainea, profesor Brand, pokušava razotkriti gravitacijske anomalije. Ploče u filmu jasno pokazuju pokušaj rješavanja problema u 4 i 5 dimenzijama. Film kaže da ako Brand može razumjeti ove anomalije, one se mogu koristiti za promjenu gravitacije na Zemlji i podizanje ogromne strukture koja spašava čovječanstvo u svemir.

Iako prelazak sa 3D na 4D ne rješava problem putovanja kroz vrijeme, u filmu omogućava Cooperu da pošalje gravitacijske valove u prošlost. On može vidjeti bilo koje vrijeme, ali samo u tim vremenskim periodima može uzrokovati talase - gravitacijske talase, koje Kuperova ćerka, Marfi, pokušava da razume.

Zadatak tima Double Negative bio je da vizuelno demonstrira četvorodimenzionalni teserakt koji budući "mi" pruža Cooperu kako bi on mogao da izazove gravitacione talase. Ovo bi bilo lako izvodljivo ako bi se radilo u simboličkom smislu ili kao san, ali tim Double Negative odlučio je vizualizirati četverodimenzionalni teserak na ekspresivniji način, stvarajući koncept koji je, naravno, bio hipoteza, ali bi čak mogao koristiti za nastavu. U tom trenutku se Thorne ponovo pojavio.

Formule Kipa Thornea koje objašnjavaju gravitaciju u četiri i pet dimenzija. Primijetite da je ovdje "naša" brana u sendviču između dvije alternativne stvarnosti ili drugih brana.

Da bismo razumjeli dvostruko negativno rješenje, vrijedno je razumjeti prirodu dimenzija višeg reda. Ako neki predmet miruje, recimo lopta, za dvodimenzionalni prostor to je krug; za jednodimenzionalno – linija. Ako pogledamo ovaj krug u trodimenzionalnom prostoru, vidjet ćemo kuglu (sferu). Ali šta će se s njim dogoditi ako pređemo u četverodimenzionalni prostor? Jedna od teorija koja je bila osnova našeg svakodnevnog razmišljanja bila je da zamislimo četvrti prostor kao vrijeme. Tada se ispostavi da je ista lopta, ali ne u mirovanju, već u skoku, iu beskonačno malom vremenskom periodu vidljiva kao ista lopta. Ali usput stvara oblik nalik cijevi s poluloptastim rubovima. To jest, u četverodimenzionalnom prostoru lopta je cijev, a sfera je trodimenzionalna projekcija ove četverodimenzionalne figure.

Ako kocka u trodimenzionalnom prostoru vremenom mijenja svoj oblik, na primjer, raste, onda će u četverodimenzionalnom prostoru biti prikazana kao kutija, koja vremenom preraste u veliku kutiju, prikazujući sva stanja trodimenzionalnog prostora. dimenzionalne kutije za sve vreme njenog postojanja. Može animirati i mijenjati oblik kao što je prikazano u ovom videu:

Po logici filma, ako uđete u ovaj teserakt, moći ćete da vidite trodimenzionalni prostor u svakom trenutku njegovog postojanja, na primjer, u obliku linija koje idu u prošlost i budućnost. Štaviše, ako uzmete u obzir pretpostavku da postoji beskonačan broj paralelnih stvarnosti, vidjet ćete sve linije svih mogućih paralelnih stvarnosti koje idu u beskonačnom broju smjerova. Upravo je ovo idejno rješenje četverodimenzionalnog prostora s kojim je studio radio. "Niti" vremena koje Cooper vidi izgledaju kao žice, a dodirujući ih može izazvati gravitacijske vibracije, komunicirajući tako sa svojom kćerkom. Ovo je zaista briljantan komad umjetničke naučne vizualizacije!

Ali kako to snimiti?

Nolanovo insistiranje da glumci komuniciraju sa svojom okolinom tokom snimanja također se odnosilo na teserakt. Nakon pada u crnu rupu, Cooper se nalazi u četverodimenzionalnom prostoru u kojem može vidjeti sve objekte i njihovu "nit" vremena. „Chris je rekao da iako je to bio veoma apstraktan koncept, on je zaista želeo da napravi nešto što bismo mogli da snimimo“, kaže Frenklin. „Želeo je da vidi Metjua kako fizički komunicira sa nitima.“ vreme, u stvarnom prostoru, a ne visi ispred zelenog ekrana.”

To je navelo Franklina da razmisli o tome kako vizualizirati teserakt. „Proveo sam dosta vremena pitajući se kako da sve ovo implementiram u realnom prostoru“, kaže on, „kako da prikažem sve te vremenske „niti“ svih objekata u jednoj prostoriji, i da to bude razumljivo u fizičkom smislu. Na kraju krajeva, opasnost je bila da prostor ispadne toliko pretrpan „nitovima“ da ćete morati smisliti kako među njima istaknuti potrebne momente. Osim toga, bilo je izuzetno važno da Cooper ne samo da je vidio „niti“ vremena, već je uvidio i njihovu obrnutu reakciju na interakciju, a da je istovremeno mogao i dalje komunicirati s predmetima u sobi svoje kćeri.”

Konačni dizajn "otvorene rešetkaste strukture" inspirisan je konceptom teserakta. “Tesseract je trodimenzionalna projekcija četverodimenzionalne hiperkocke. Ima prekrasnu strukturu nalik na rešetku, tako da smo imali grubu ideju o tome šta ćemo raditi. Dugo sam gledao skenove sa fotografija duge ekspozicije (fotografija s prorezom) i kako vam ova tehnika omogućava da prikažete istu tačku u prostoru u svakom trenutku. Sama fotografija pretvara vrijeme u jednu od dimenzija konačne slike. Kombinacija ove tehnike snimanja i rešetkaste strukture teserakta omogućila nam je da stvorimo ove trodimenzionalne "niti" vremena, kao da teče iz objekta. Sobe su fotografije, trenuci ugrađeni u rešetkastu strukturu vremenskih niti, među kojima Cooper može tražiti one koje mu trebaju, pomičući ih naprijed-nazad.”

„Na kraju smo napravili jedan deo ovog fizičkog modela sa četiri sekcije koja se ponavljaju oko njega“, kaže Frenklin, „Onda smo na računaru množili te delove na neodređeno vreme, tako da bez obzira gde pogledate, oni su trajali zauvek. Koristili smo i dosta stvarnih projekcija tokom snimanja. Aktivne „nitove“ vremena postavili smo pod stvarne sekcije pomoću projektora. To nam je dalo osjećaj drhtavice i grozničave energije – sve su informacije tekle duž ovih „niti“ od odjeljka do odjeljka i natrag. Ali, naravno, svaka slika konačnog filma ima i suludu količinu digitalnih efekata ugrađenih u scenu."

No, neki trenuci su natjerali Double Negative da pređe na potpuno digitalne vizualne efekte - poput Cooperovog kretanja kroz tunele teserakta. "Nismo imali dovoljno teseraktovnih dijelova da uhvatimo ovaj pokret, pa smo snimili Matthewa s projekcionim ekranima oko sebe koji prikazuju pretprodukcijsko prikazivanje scene, tako da je imao s čime komunicirati", kaže Franklin. Glumcima se to apsolutno svidjelo sve zato što su, za razliku od snimanja na zelenom ekranu, imali šta da gledaju. Kasnije smo ovu verziju zamijenili visokokvalitetnom finalnom verzijom, samo u nekim trenucima ostavljajući pred-finiš verziju, jer je jednostavno bila van fokusa i nije bila vidljiva.”

Franklin također napominje da je bilo potrebno puno digitalnih efekata, uklanjanje kablova i ogromna količina rotoskopa (roto, rotpaint) da bi se završile ove scene. Postojale su i određene poteškoće u implementaciji efekata koji su u potpunosti izvedeni pomoću kompjuterske grafike. Na primjer, u dijelu gdje se teserakt zatvara i počinje da se urušava. „Uzeli smo kompjutersku geometriju teserakta i proveli je kroz rotaciju hiperkocke. Momci su radili na tome kako implementirati transformaciju rotacije hiperkocke i primijeniti je direktno na geometriju teserakta koji smo kreirali. Bio je to poseban trenutak za mene. Kada sam vidio rezultate, znao sam da je savršeno, upravo ono što sam želio."

Još jedan izazovan dio, prema Franklinu, bio je kada Cooper komunicira sa prašinom i crta binarni kod na podu tokom oluje. “Morali smo raditi s Matthewovim pokretima na setu u volumenu teserakta i dovesti ih u interakciju s nečim zbog čega se ti oblici zapravo pojavljuju na podu u sobi ispred njega.”

Nedavno objavljeni vizuelno uzbudljiv film Inrestellar zasnovan je na naučnim podacima iz stvarnog životakoncepti, kao što je rotirajuće crne rupe, crvotočine i dilatacija vremena.

Ali ako niste upoznati s ovim konceptima, možda ćete biti malo zbunjeni dok gledate.

U filmu tim istraživača svemira odlazi u ekstragalaktičko putovanje kroz crvotočinu. S druge strane, oni se nalaze u drugom solarnom sistemu sa rotirajućom crnom rupom umjesto zvijezde.

Oni su u utrci sa prostorom i vremenom kako bi završili svoju misiju. Ova vrsta svemirskog putovanja može izgledati malo zbunjujuće, ali se zasniva na osnovnim principima fizike.

Evo glavnih 5 koncepata fizike stvari koje trebate znati da biste razumjeli Interstellar.

Umjetna gravitacija

Najveći problem sa kojim se mi ljudi suočavamo tokom dugotrajnog putovanja u svemir je bestežinsko stanje. Rođeni smo na Zemlji i naša tijela su se prilagodila određenim gravitacijskim uvjetima, ali kada smo dugo u svemiru, naši mišići počinju da slabe.

Sa ovim problemom suočavaju se i junaci u filmu Interstellar.

Kako bi se izborili s tim, naučnici stvaraju umjetna gravitacija u svemirskim letjelicama. Jedan od načina da to učinite je da pokrenete svemirski brod, baš kao u filmu. Rotacija stvara centrifugalnu silu koja gura predmete prema vanjskim zidovima broda. Ovo odbijanje je slično gravitaciji, samo u suprotnom smjeru.

Ovo je oblik umjetne gravitacije koji doživljavate kada se vozite oko krivine malog radijusa i osjećate se kao da ste gurnuti prema van, dalje od središnje točke krivine. U svemirskom brodu koji se vrti, zidovi postaju vaš pod.

Rotirajuća crna rupa u svemiru

Astronomi su, doduše indirektno, posmatrali u našem Univerzumu rotirajuće crne rupe. Niko ne zna šta je u centru crne rupe, ali naučnici imaju ime za to -singularnost .

Rotirajuće crne rupe iskrivljuju prostor oko sebe drugačije od stacionarnih crnih rupa.

Ovaj proces izobličenja naziva se "inercijalno uvlačenje okvira" ili efekat Lense-Thirringa, i utiče na to kako će crna rupa izgledati tako što izobličuje prostor, i što je još važnije prostor-vrijeme oko nje. Dovoljna je crna rupa koju vidite u filmuveoma blizak naučnom konceptu.

• Svemirski brod Endurance ide prema Gargantui - izmišljena supermasivna crna rupa sa masom 100 miliona puta većom od Sunčeve.
• Udaljeno je 10 milijardi svjetlosnih godina od Zemlje i oko njega kruži nekoliko planeta. Gargantua se okreće sa zapanjujućih 99,8 posto brzine svjetlosti.
• Garagantuin akrecijski disk sadrži gas i prašinu sa temperaturom Sunčeve površine. Disk opskrbljuje planete Gargantua svjetlošću i toplinom.

Složen izgled crne rupe u filmu je zbog činjenice da je slika akrecionog diska izobličena gravitacionim sočivom. Na slici se pojavljuju dva luka: jedan se formira iznad crne rupe, a drugi ispod nje.

Mole Hole

Crvotočina ili crvotočina koju koristi ekipa u Interstellaru jedan je od fenomena u filmu čije postojanje nije dokazano. Hipotetički je, ali vrlo zgodan u zapletima naučnofantastičnih priča u kojima morate savladati veliku svemirsku udaljenost.

Samo crvotočine su neka vrsta najkraći put kroz svemir. Svaki objekat sa masom stvara rupu u prostoru, što znači da se prostor može rastegnuti, savijati, pa čak i savijati.

Crvotočina je poput nabora u tkivu prostora (i vremena) koji povezuje dva veoma udaljena regiona, što pomaže svemirskim putnicima preći velike udaljenosti u kratkom vremenskom periodu.

Zvanični naziv za crvotočinu je "Ajnštajn-Rozenov most" jer su ga prvi predložili Albert Ajnštajn i njegov kolega Nejtan Rozen 1935. godine.

• U 2D dijagramima, otvor crvotočine je prikazan kao krug. Međutim, kada bismo mogli vidjeti crvotočinu, ona bi izgledala kao sfera.
• Na površini sfere bi se mogao vidjeti gravitacijsko iskrivljeni pogled na prostor s druge strane “rupe”.
• Dimenzije crvotočine u filmu: 2 km u prečniku, a udaljenost prijenosa je 10 milijardi svjetlosnih godina.

Gravitaciona dilatacija vremena

Gravitaciona dilatacija vremena je pravi fenomen koji se opaža na Zemlji. Nastaje zato što vrijeme je relativno. To znači da različito teče za različite koordinatne sisteme.

Kada ste u jakom gravitacionom okruženju, vrijeme ti ide sporije u poređenju sa ljudima u slabom gravitacionom okruženju.

Ako ste u blizini crne rupe, kao u filmu, vaš koordinatni sistem, a samim tim i vaša percepcija vremena, razlikuje se od onoga na Zemlji. To je zato što je gravitaciona sila crne rupe jača što ste joj bliže.

• Prema Ajnštajnovoj jednačini, vreme se kreće sporije u višim gravitacionim poljima. Ista stvar se dešava na planeti blizu crne rupe: sat otkucava sporije nego na svemirskoj letelici koja kruži dalje.
• Prisustvo mase savija membranu, poput gumenog lima.
• Ako se u jednoj tački koncentriše dovoljno mase, formira se singularnost. Objekti koji se približavaju singularnosti prolaze kroz horizont događaja iz kojeg se nikada ne vraćaju.

Za vas bi minut u blizini crne rupe trajao 60 sekundi, ali kada biste mogli da pogledate sat na Zemlji, minut bi trajao manje od 60 sekundi. To znači da starićeš sporije od ljudi na Zemlji, a što je gravitacijsko polje jače, vrijeme se više usporava.

Ovo igra važnu ulogu u filmu kada istraživači naiđu na crnu rupu u središtu drugog Sunčevog sistema.

Petodimenzionalni univerzum

Albert Ajnštajn je poslednjih 30 godina svog života posvetio razvoju" teorije svega“, koji bi kombinovao matematičke koncepte gravitacije sa druge tri fundamentalne sile prirode: jakom silom, slabom silom i elektromagnetnom silom. On, kao i drugi fizičari, to nije uspio.

Neki fizičari vjeruju da je jedini način da se riješi ova misterija da sagledamo naše Univerzum je 5-dimenzionalan, a ne 4-dimenzionalan, kako je Ajnštajn predložio u teoriji relativnosti, koja kombinuje trodimenzionalni prostor sa jednodimenzionalnim vremenom.

U filmu je naš svemir predstavljen u 5 dimenzija, a u svemu tome važnu ulogu igra gravitacija.

Naš trodimenzionalni Univerzum može se zamisliti kao ravna membrana (ili “brana”) koja lebdi u četverodimenzionalnom hiperprostoru.

Trejler "Interstellar" 2014