Наука "Интерстеллара"

Автор: Адам Роджерс, Wired. Перевод: Лёша Горбаш, Владимир Аладьин

Сегодня в прокат выходит "Интерстеллар" — космический эпик Кристофера Нолана с Мэттью Макконахи. Ключевую роль в фильме сыграют чёрная дыра и путешествие к неизведанным мирам.  

С фантазией у Нолана всё в полном порядке ("Начало" все видели?). В "Интерстелларе" не отстаёт и научная сторона картины. Из материала Wired вы узнаете, как астрофизик Кип Торн помог Нолану создать самую передовую модель чёрной дыры в истории кинематографа.


Кип Торн смотрит на чёрную дыру, которую он помог создать, и думает: "Ну конечно. Именно так она бы себя и вела". Эта конкретная дыра — невероятно достоверная модель. Она вращается почти со скоростью света, затягивая в себя кусочки вселенной. В теории, когда-то это была звезда, но вместо того, чтобы угаснуть или взорваться, она развалилась как неудавшееся суфле и превратилась в небольшую точку неизбежной сингулярности. Светящееся кольцо, кружащееся вокруг сферообразной воронки, изгибается одновременно над вершиной и нижней частью сферы одновременно.

И это абсолютно естественно. Потому что вокруг чёрных дыр происходят странные вещи. Например, их гравитация настолько сильна, что она "сгибает ткань вселенной". Объекты вроде звёзд или чёрных дыр делают это настолько сильно, что могут искривлять траекторию света и затягивать с собой пространство и время. Но это ещё не всё: если вы будете находиться к дыре ближе, чем другой человек, ваши восприятия пространства и времени будет отличаться. Грубо говоря, ваше время будет идти медленнее для стороннего наблюдателя.


Что в этом видит Торн? Он астрофизик, чьи вычисления помогли в создании этого удивительного визуального эффекта. Самой точной имитации того, как должна выглядеть чёрная дыра. Это — результат годового труда тридцати людей и тысячи компьютеров. Вместе с созвездием голливудских звёзд эта копия играет важную роль в "Интерстелларе", фильме Кристофера Нолана о космическом путешествии. Торн видит правду. Нолан, важнейший режиссёр нашего времени, видит красоту.

Кип Торн — не стереотипный астрофизик. Он не только знаменитый теоретик, но и талантливый учёный-популяризатор. Незадолго до ухода на пенсию из Калифорнийского технологического университета он обсуждал со своей старой подругой-голливудским продюсером Линдой Обст идею фильма, который включал бы в себя удивительные особенности чёрных дыр и кротовых нор.

Тем временем в Голливуде сценарист Джонатан Нолан написал сценарий, снимать фильм по которому собирался Стивен Спилберг. В какой-то момент он отказался от работы над проектом и его место занял брат сценариста — Кристофер Нолан, режиссёр "Мементо", "Начала" и последней трилогии о Бэтмене. Пока Кристофер Нолан переписывал сценарий брата, он хотел лучше понять науку, играющую центральную роль в фильме. Так он познакомился с Кипом Торном.

На протяжении нескольких месяцев в начале 2013 года Торн и Нолан погрузились в то, что физик называет "искажённой стороной Вселенной": искривлённое пространство-время, дыры в материи реальности, гравитационные искажения траектории света. "Историю придумали Крис и Джона. Но её дух, цель сделать фильм, в который вплетена большая наука, — им удалось сохранить всё это".

Фильм рассказывает об антиутопии, недалёком будущем, в котором погибли все зерновые культуры и человечество находится на грани вымирания. Бывший астронавт, которого играет Мэттью Макконахи, соглашается на последний полёт, отчаянную попытку добраться до других звёздных систем, где человечество может расцвести заново.


И тут появляется проблема. Проблема в том, что другие звёзды находятся очень далеко. На то, чтобы добраться до ближайших из них, уйдут десятки лет на скоростях, которые ещё недоступны человеку. Ещё в 1983 году, когда астроном Карл Саган писал роман "Контакт" (в 1997 его экранизировал Роберт Земекис), Торн предложил кротовую нору. Гипотетическую дыру во вселенной, которая напрямую соединяет две удалённых точки пространства. Кротовая нора была самым очевидным решением и для "Интерстеллара". Беседы Торна и Нолана о физических размерах кротовых нор привели к неизбежному вопросу: как правильно изобразить её на экране?

Команде, работавшей над спецэффектами, пришлось ломать голову не только над вопросами физики. История Нолана опирается на разное восприятие времени: оно по-разному движется для разных героев. Чтобы научно обосновать такой шаг, Торн предложил использовать большую чёрную дыру (в фильме она называется Гаргантюа), которая будет вращаться почти со скоростью света. Нолан понятия не имел, как показать такой объект реалистично.Но у него была идея, как можно этого добиться.

Кип Торн: "Крис позвонил и сказал, что хочет отправить ко мне домой человека, чтобы мы обсудили визуальные эффекты фильма. Так на моём пороге появился Пол Франклин".

Франклин знал, что компьютеры смогут выполнить любой его запрос. В этом одновременно заключались проблема и большой соблазн. "Было очень просто поддаться искушению нарушить законы реальности. А это очень строгие законы", — говорит Пол, старший сотрудник компании спецэффектов Double Negative, обладателей премии "Оскар" за фильм "Начало".

Так что он попросил Торна написать уравнения, которые помогли бы их оборудованию давать результаты, соответствующие законам физики. Они начали с кротовых нор. Если свет вокруг норы будет вести себя нестандартно (то есть, не будет двигаться по прямой), то как он себя поведёт? Как математически описать это?

Ответ Торна пришёл в форме объёмных заметок. Множество исписанных уравнениями страниц, подкреплённых самыми разными источниками. Это было очень похоже на статьи из научных журналов. Основываясь на этих уравнениях команда Франклина написала новую программу для рендеринга, в которой они попробовали создать кротовую нору. Результат был невероятным. Они получили зеркальный шар, отражающий вселенную, сферичную дыру в пространстве-времени. "Научная фантастика всегда стремится всё приукрасить, а настоящий мир от этого далёк. Но то, что у нас получилось, было неотразимым с самого начала", — говорит Франклин.

Последний трейлер "Интерстеллара"

Успех с кротовой норой вдохновил команду попробовать сделать то же самое с чёрной дырой. Но чёрная дыра, как и следует из названия, "убивает" свет. В киноиндустрии часто прибегают к трассировке лучей: приём, при котором для построения изображения отслеживается обратная траектория распространения луча от экрана к источнику. "Трассировка лучей работает на вполне логичных для нашего мира предположениях: свет двигается по прямой. Но тут мы столкнулись с совершенно другой физикой, нам пришлось написать абсолютно новую программу обработки", — Юджиния фон Тунзельман, глава отдела компьютерной графики в Double Negative.

На обработку отдельных кадров уходило до ста часов, они осложнялись искривлением, вызванным эффектом гравитационной линзы, о котором писал ещё Эйнштейн в начале 20 века. В итоге, во время работы над фильмом было создано 800 терабайт данных. Фон Тунзельман переживала, что объём их работы перевалит за 1 петабайт (1000 терабайт).

"Крис очень хотел, чтобы мы достоверно отразили сферичную чёрную дыру", — говорит Франклин. — "А она была больше похожа на диск. Единственное, что можно было понять, это как она изгибает свет". После этого Франклин стал изучать аккреционные диски, агломерацию материи, которая окружает некоторые чёрные дыры. Он понял, что может использовать кольца детритов (скоплений вещества), чтобы очертить сферу чёрной дыры.

Фон Тунзельман создала сложную демоверсию. Плоское разноцветное кольцо, исполнявшее роль аккреционного диска, поместили над вращающейся чёрной дырой. Произошло нечто странное: "Мы увидели, что искажение пространства вокруг чёрной дыры также искажает и аккреционный диск. Так что вместо того, чтобы увидеть что-то типа колец Сатурна, этот свет превратился в невероятный ореол над чёрной звездой".

Это помогло Торну придти к понимаю того, что они сделали, когда он увидел финальный результат. Команда Double Negative считала, что программа дала сбой. Но Торн понял, что они правильно смоделировали феномен, с самого начала вложенный в предоставленные им математические вычисления.

Свет, на время застрявший вокруг чёрной дыры, произвёл невероятно сложный "отпечаток" рядом с тенью чёрной дыры. Светящийся аккреционный диск появился над, под и перед чёрной дырой. "Я не ожидал ничего подобного. Это было невероятно". До этого никто не знал, как на самом деле выглядит чёрная дыра.

В итоге, Нолан получил удивительные кадры, которые помогли ему развить историю. Торн, в свою очередь, получил фильм, который покажет широкой аудитории настоящую науку. Но также он получил то, на что не надеялся, начиная работу над фильмом — научное открытие. "Все визуальные эффекты фильма научно достоверны. Так ведёт себя природа", — уверенно говорит Торн. По его словам, их работа приведёт к публикации сразу двух научных статей: для астрофизиков и графических дизайнеров.


Торн использует много аналогий, когда рассказывает о своих любимых явлениях в астрофизике: от сталкивающихся чёрных дыр до искажения времени. Он говорит о двух сталкивающихся торнадо или лучах света, метающихся по ветру. Но метафоры могут быть обманчивы. Люди начинают думать, что они понимают некоторые вещи, хотя на самом деле они просто имеют представление, на что эти вещи похожи. Но чёрная дыра и кротовая нора Торна — не просто метафоры. Большинство зрителей увидит в "Интерстелларе" красоту. Торн видит в нём правду. И с определённой точки зрения, эта правда прекрасна.

---

Сайт The-Flow выходит офлайн и отмечает первые полгода своего существования в клубе Powerhouse — и вы тоже имеете право быть там. Все подробности по ссылкам.