Наука и культура · шесть фильмов, шесть научных идей. Кино умеет заставить нас волноваться за человека, который летит вокруг Земли, заблудился на Марсе или опоздал домой на несколько десятилетий. Но иногда самый интересный персонаж в кадре — закон природы. Он не произносит реплик, зато решает, смогут ли герои стоять на полу, дышать и дождаться ответа.
Разберём шесть космических фильмов: от вполне земной проблемы с воздухом до искривлённого света у чёрной дыры. Здесь есть детали отдельных сцен, но мы не пересказываем финалы. Иллюстрации — наши поясняющие схемы, не кадры из фильмов; размеры и расстояния на них условные.
1. «Интерстеллар» (2014): почему диск загнулся вокруг чёрной дыры
У Гаргантюа странный вид: светящаяся полоса пересекает тёмный силуэт, а над ним и под ним видны дуги. Кажется, художники надели на чёрную дыру несколько огненных обручей. Однако для такого изображения не нужны несколько дисков.
Раскалённое вещество обращается вокруг чёрной дыры в аккреционном диске. Сильная гравитация искривляет пути света, и наблюдатель может увидеть части дальней стороны диска, которые при прямолинейном распространении света оказались бы скрыты. Получается гравитационная линза: видимый облик объекта меняется по дороге от него к нам.
Для фильма команда визуальных эффектов и физик Кип Торн разработали программу, рассчитывающую распространение пучков света в пространстве-времени вращающейся чёрной дыры. Работа стала научной публикацией. Это не фотография реального объекта: выбор параметров и художественная подача по-прежнему влияют на результат. Но необычная геометрия имеет физическое основание. Статья создателей модели →
Схема принципа линзирования. Это не расчёт лучей у Гаргантюа и не изображение её диска. Открыть крупнее →
Другая идея фильма — разный ход времени — тоже относится к общей теории относительности. Сравниваемые часы могут накопить разное время в зависимости от движения и гравитационных условий. Для каждого наблюдателя его собственные часы идут нормально. Однако конкретные экстремальные условия сюжета нельзя переносить на любую планету рядом с любой чёрной дырой. Кип Торн о научных темах фильма →
2. «Марсианин» (2015): у ветра есть скорость, но ему нужна плотность
В начале фильма буря выглядит так, будто Марс решил немедленно выселить экспедицию. Пыль, плохая видимость и опасность для техники вполне марсианские. А вот способность ветра толкать тяжёлые предметы показана с большим драматическим запасом.
Упрощённо действие потока описывает динамическое давление q = ½ρv², где ρ — плотность газа, v — его скорость. Чтобы получить силу, нужно также учитывать площадь и форму предмета. Марсианский воздух намного разреженнее земного: одинаковая скорость ветра ещё не означает одинакового напора.
Возьмём для учебной оценки скорость 30 м/с и плотности 1,2 кг/м³ для Земли и 0,02 кг/м³ для Марса. Получим около 540 Па против 9 Па — разницу в 60 раз. Это расчёт с выбранными округлёнными плотностями, а не метеосводка из конкретной сцены: реальные значения зависят от температуры, высоты и погоды.
Напор сравнивается при одинаковой скорости и явно заданных плотностях. Открыть крупнее →
Но успокаиваться рано. Пыль закрывает солнечный свет, оседает на панелях и мешает механизмам. Настоящая марсианская буря может угрожать запасу энергии, даже если не сносит астронавта с ног. NASA разбирает правду и вымысел марсианских бурь →
3. «2001 год: Космическая одиссея» (1968): пол можно раскрутить
Люди в космосе не обязаны всё время плавать между стенами. В «Космической одиссее» вращающаяся станция предлагает простое на вид решение: сделаем так, чтобы внешняя стенка стала полом. Такой пол действительно может давить на подошвы.
Человеку, который вращается вместе со станцией, нужно центростремительное ускорение. Его обеспечивает опора: пол толкает человека к оси вращения. В системе отсчёта самой станции это описывают с помощью центробежной силы, направленной наружу. Привычное ощущение веса появляется благодаря контакту с полом; новую массивную планету под станцию не подкладывают.
Связь проста: a = ω²r. Для придуманной станции радиусом 100 метров земное ускорение у обода потребует примерно 3 оборотов в минуту. Это наш пример, не измерение декораций фильма. Уменьшим радиус — придётся вращаться быстрее, а разница условий у головы и ног станет заметнее.
Ощущение веса и направление силы опоры — разные вещи: сила пола направлена к центру. Открыть крупнее →
Инженерные трудности остаются: конструкция, стыковка, переносимость вращения, необычные отклонения движущихся предметов из-за эффекта Кориолиса. Поэтому верная физическая идея ещё не означает готовый комфортабельный отель. NASA: вращающиеся системы отсчёта; разговор специалистов об искусственной тяжести →
4. «Гравитация» (2013): невесомость — когда падает всё помещение
Герои плавают рядом с Землёй, и зрителю легко решить: наверное, притяжение сюда уже не достаёт. Название фильма подсказывает обратное. Земная гравитация как раз и удерживает орбитальный аппарат на траектории.
На высоте около 400 километров ускорение свободного падения составляет примерно 89% поверхностного. Оценка получается из отношения [R / (R + h)]²: при R ≈ 6371 км и h = 400 км выходит 0,885. Подняться на эту высоту — совсем не то же самое, что выключить Землю.
Секрет невесомости в совместном свободном падении. Корабль и человек внутри постоянно падают, но большая боковая скорость позволяет им огибать планету. Пол не поддерживает человека так, как в неподвижной комнате. Поэтому тело почти не давит на опору, хотя сила тяжести действует.
Скорость и ускорение имеют разные направления. Орбита — непрерывное свободное падение вокруг Земли. Открыть крупнее →
Эта идея объясняет плавание людей, но сама по себе не подтверждает остальные манёвры фильма. Встретиться на орбите — значит согласовать положение и скорость, а не просто направиться к видимой точке. Для нашего разбора важен один вывод: отсутствие веса не равно отсутствию гравитации. NASA объясняет микрогравитацию →
5. «Аполлон-13» (1995): кислород есть, а дышать всё равно опасно
Одна из самых напряжённых инженерных сцен обходится без футуристической машины: надо приспособить неподходящий фильтр. После аварии лунный модуль стал убежищем для троих астронавтов, и возникла проблема удаления углекислого газа.
Мы выдыхаем CO₂. В замкнутом объёме недостаточно просто иметь запас кислорода: состав воздуха нужно поддерживать, удаляя продукты дыхания. В миссии использовали поглотители с гидроксидом лития. Квадратные картриджи командного модуля не подходили к круглым отверстиям системы лунного модуля. Земные специалисты разработали переходник из доступных на борту материалов, а экипаж собрал его по инструкциям.
Показан принцип работы, а не сборочный чертёж исторического переходника. Открыть крупнее →
Здесь встречаются химия и инженерия: поглотитель связывает углекислый газ, а переходник заставляет воздух проходить через нужный картридж. Сам фильтр не превращает CO₂ в кислород. У него ограниченная ёмкость, и без правильно организованного потока полезное вещество внутри коробки не спасает ситуацию.
В основе сцены — документированная проблема реальной миссии апреля 1970 года. Это хороший пример науки, которая работает не только в лаборатории: иногда решающий вопрос звучит как «как соединить эти две штуки?». NASA: ход миссии и проблема несовместимых поглотителей →
6. «Контакт» (1997): межзвёздная переписка требует терпения
Элли Эрроуэй ловит радиосигнал с направления на Вегу. Если мысленно заменить загадочное послание простым «привет», возникает бытовой вопрос: когда можно ждать ответа на наш ответ?
Радиоволны — электромагнитное излучение. В вакууме они распространяются с той же скоростью, что и видимый свет, — примерно 300 тысяч километров в секунду. Антенна побольше помогает принять слабый сигнал, но не заставляет его добраться раньше. NASA: скорость электромагнитных волн →
До Веги около 25 световых лет. Световой год — расстояние, которое свет проходит за год. Значит, наш сигнал шёл бы туда примерно четверть века. Если там немедленно ответят, обратный путь займёт ещё столько же: около 50 лет от отправки вопроса до получения ответа. Это простая оценка задержки для неподвижных относительно друг друга адресатов, а не обещание, что передачу вообще удастся обнаружить. NASA: расстояние до Веги →
Учебная временная шкала. Время подготовки ответа не включено. Открыть крупнее →
Есть и тонкость киноязыка: радиосигнал не является звуком, летящим через пустоту. Приёмник может преобразовать данные в слышимое представление. Реальный поиск требует обработки сигналов и проверки помех, а не одного внимательного уха. На сайте NRAO сохранился разбор фильма специалистами SETI. Что «Контакт» показывает точно, а что упрощает →
Что спросить у следующего космического фильма
Не обязательно смотреть кино с калькулятором. Достаточно трёх вопросов: что создаёт силу, куда уходит энергия и сколько времени нужно сигналу? Они помогают отделить эффектный приём от интересной физической идеи. А иногда обнаружить, что реальность устроена удивительнее декораций: можно падать и всё время промахиваться мимо Земли, увидеть спрятанную сторону диска и получить ответ на школьное письмо уже после выхода на пенсию.
Если хочется продолжить: как Рёмер заметил, что свет не мгновенен, как взвесили Землю и как наука попала в рок-песни.
Источники указаны рядом с соответствующими объяснениями. Числовые примеры и схемы подготовлены редакцией Мозг.ру; они поясняют отдельные принципы, а не подтверждают научную достоверность фильмов целиком.