Интерстеллар и физика

[krazzzer.livejournal.com]

Оригинал взят у krazzzer в Интерстеллар и физика

Как кино "Интерстеллар" великолепен. Это на моей памяти первая драма, которая завязана на проблемах пространства-времени. В условиях заданного мира все очень логично и связно, ни одна сюжетная линия не провисает, все шнурочки заправлены. Это потом все приестся, а сейчас очень даже смотрибельно.

Но это с точки зрения кино, а вот с точки зрения науки все не так радужно.
Ну что же, давайте глянем...

1. Грибок. Тот самый грибок, который в кино не только поел пшеницу с картошкой и подбирается к кукурузе (интересно, как это вообще возможно), но и сжирает азот воздуха...
Вот что я скажу - сейчас биологи молятся, чтобы такой азотный грибок появился.

Дело в том, что растения строят свою клетчатку с целлюлозой не только из воды и углекислого газа. Растениям еще нужен азот, фосфор и кучу
микроэлементов. Но азота нужно много и поэтому сейчас одно из главных удобрений это селитра.

И тут проблема - азот ну очччень не любит связанного состояния. А растения не любят его связывать, потому что слишком затратно энергетически, на связывание одного грамма атмосферного азота требуется 10 грам глюкозы. Поэтому сами растения это не делают, это делают разве что клубеньковые бактерии. Ну и еще при гниении органики образовывается аммиак, который много проще бактериям связывать (перегной поэтому удобрение).

Естественно, натуральной селитры не хватает. И, естественно, человек придумал химическую, для которой нужен цикл Габера, который работает при температуре 500 градусов и давлении в 300 атмосфер. И в котором для производства 1 тонны аммиака требуется энергия сжигания 4-х тонн нефти.

И тут... какой-то грибок.. на пустом месте... Да за этот связанный азот ему нужно памятник поставить!
Хочу такой грибок, я с ним стану миллиардером через пару лет!!

Так что если бы такой грибок появился - то тут же вывели бы растения, резистентные к нему.
И были бы фермы, на которых он плодится, и фермы, которые используют результаты его жизнедеятельности.
Сельское хозяйство получило бы такой толчок, которого не было со дня открытия селитры как удобрения!

Нефть перестали бы качать, все перешли бы на биодизель из рапса, который бы в цене сильно упал. И да - ездили бы все не на электромобилях, а на таких вот старых пикапах, как в кино. И, возможно, даже глобальное потепление бы закончилось, потому что растения резко бы разрослись и пожрали бы углекислый газ из атмосферы. Планета была бы не пустыней - планета превратилась бы в сплошные джунгли!

И еще один побочный эффект. Те пыльные бури и та пыль, которая показана в фильме, состояла бы из селитры и клеток погибших грибков. До рецепта черного пороха не хватает только серы, но и это, поверьте, вспыхивать будет со страшной силой.

Вывод: такой грибок будет скорее благом, чем злом.

2. Космический полет более-менее вменяемо показан до прибытия к сингулярности возле Сатурна.
Вопросы, кто строил сам корабль и поддерживал его на орбите вокруг Земли, оставляем за кадром, в конце концов ничего принципиально невозможного тут нет.
Но вот за сингулярностью...

Туда улетело 12 кораблей. И, как выясняется, каждый полетел к своей звездной системе. Они что там, на расстоянии Луны от Земли??
Каким образом они на химическом топливе так быстро добрались к другим звездам, если тут до несчастной Альфа Центавра (всего 4.7 световых года) никак не достаться? При этом отправилась не одна экспедиция, а 12? При этом корабль, который с нашими героями прилетел с Земли, побывал в трех звездных системах??
И что самое интересное - на третью систему он добрался на остатках топлива, отложенных для обратного полета (то есть от Сатурна на Землю).
Это, вообще, как???
Там за сингулярностью законы физики иные? Химический двигатель тянет круче фотонного?

Вывод: для того, чтобы провести исследовательский полет, который произошел до начала фильма, нужны были технологии, полученные в конце фильма.

3. Но это еще не все. На первой водяной планете сила тяжести 1.3g. И тут вступает в дело формула Циолковского о массе ракеты. Ведь на любой
планете удельный импульс химического двигателя мало меняется, а первая космическая заметно возрастает. 1.3g близко к ситуации, когда конструктивно такую громадную ракету просто невозможно построить.
И что?
Вместо гигантского ракето-носителя, в несколько раз больше современных ракет, мы видим копеечную игрушку у которой "вода в дюзы затекла"!
Ну как, как такая мелкая хреновина на химическом топливе может выйти на орбиту вообще где-нибудь?

Но и это не все. Планета ведь находится очень близко к черной дыре, и чтобы не только выйти на ее орбиту, но и в конце вообще уйти от черной дыры, нам нужно набрать третью космическую. А она для условий, когда тяготение сжимает семь лет до одного часа... Мне страшно представить, какая нужна скорость. Да там ракета нужна размером со всю эту планету!!

Не верите? Ну тогда чуть посчитаем. Замедление времени 7 лет за один час это замедление времени в чуть больше чем 61 тысячу раз.
Следовательно, для того чтобы уйти оттуда, скорость должна быть больше, чем 0.9999999 скорости света.

Но и это не все.
НИКАКАЯ планета в этих условиях не уцелеет. Просто потому, что время на ее стороне, обращенной к черной дыре будет идти в разы медленней, чем на стороне, противоположной черный дыре. Ее разорвет просто во время первого оборота.

Вывод: Замедление времени 7 лет за час настолько чудовищно, что его не выдержит ни планета, ни корабль. И не существует никакой возможности вернуться с того места, где настолько медленно течет время.

4. Когда герои сидели на первой планете и проскакивали семь лет за час, на большом космическом корабле время шло как надо.
Мне вот интересно - а на каком расстоянии корабль должен был находится от планеты? Световой год? Два световых года?
Это же черная дыра, там чудовищная гравитация!

Вывод: Создатели фильма просто брали правильные физические законы, но никто не удосужился посчитать числа, которые должны были получиться при тех вводных.

5. На второй планете нет поверхности. Она все состоит из замерзшего аммиака и прочей мути.
Однако, на ней сильные ветра. А на дюнах - явные следы эрозии, понятно что временами теплеет и какие-то вещества там превращаются в жидкости.
Так вот - эти ветра рано или поздно посдували бы это все в кучу и за считанные миллионы лет образовалась бы классическая поверхность.
Гравитация бы постаралась, никуда бы не делись.

Вывод: Все тела в космосе стремятся к шарообразности, даже комета Чурюмова-Герасименко. Но режиссерам не дают спать спокойно висячие сады Аватара.

6. Ну и очень порадовал эпизод, когда корабль сбрасывал в горизонт событий робота и главного героя.
Тут возникает несколько интересных вопросов.
Я даже не буду разбирать ситуацию, что твердое тело в цельном виде не может приблизится к горизонту событий. При этом "в НЕ цельном виде" это чтобы не то, чтобы на атомы разорвало, а с атомов электроны посдувало (гуглим "спагеттификация").
Вопрос в том, что горизонт событий - это орбита, на которой первая космическая будет равна скорости света. Свет при этом вырваться не может - вот и "черная дыра". Соответственно, на той орбите, которая показана в фильме, скорость корабля на орбите будет... ну скажем 0.999999999999 световой. А чтобы уйти от этой дыры (что корабль и сделал), соответственно, нужно больше.

0.99999999999 скорости света на химическом топливе? Вы шутите?
Да плевать на какой скорости, разве это вообще возможно для макроскопического объекта, а не протона в ускорителе??
Но интересно другое - а какое замедление времени будет при такой скорости? Семь лет за один час - мелочь. Есть подозрение, что по возвращению главный герой будет выглядеть примерно как для нас живой динозавр. Но беспокоится не стоит, кормить его в зоопарке будут хорошо.

Вывод: Фильм построен на замедлении времени, но самое основное замедление времени из сценария почему-то выпало. Как всегда, не удосужились посчитать реальные цифры.

P.S. Я бы это все не писал, если бы "Интерстеллар" не продвигали как "научно верное кино", у него не было бы научного консультанта (Кип Торн) и даже не снимали ролики на эту тему, например:

Или вот, где про физику в фильме рассказывает директор планетария в Нью-Йорке:

P.P.S. Я не замечал мелкие нестыковки. Например, как человек, надышавшийся аммиаком через полминуты будет вести космический корабль? Что за анабиоз в воде комнатной температуры? Как живые организмы выжили возле аккреционного диска черной дыры?

В конце концов, герои могут быть ГМО-организмами, только внешне похожими на людей. :D

Я поднимал только вопросы, на которые просто ОБЯЗАН был ответить Кип Торн, как научный консультант. Деньги-то ему наверняка уплачены.

Comments

[krazzzer.livejournal.com]

Я о второй космической скорости, которая нужна чтобы уйти от планеты (или черной дыры) и о первой, которая нужна чтобы выйти на орбиту.

Собственно, "горизонт событий" - это орбита, где эта скорость превышает скорость света и поэтому свет не может оттуда выйти. То есть свет крутится вокруг черной дыры (и расчеты показывают что он там крутится). И именно поэтому это черная дыра, а не красная или фиолетовая.

[Евгений Машков (from livejournal.com)]

На мой взгляд, вы тут становитесь жертвой распространённого заблуждения, порождённого уровнем развития современной космонавтики. Заблуждение же в том, что чтобы покинуть сферу притяжения небесного тела, необходимо набрать некие "космические скорости". Вспомним пленников ужасной "железной звезды" и т.д. Действительно, чтобы современный космический аппарат вышел на орбиту Земли, став её искусственным спутником, необходимо набрать первую космическую скорость. Но это лишь потому, что по-другому мы пока не умеем. Для того чтобы убедиться, что "можно по-другому", проведём простой мысленный эксперимент. Я приставляю лестницу к стене своего сарая и забираюсь на его крышу. Усилия, которые развивают мои мышцы, вполне достаточны, чтобы двигаться в гравитационном поле Земли против вектора гравитации. Ничто не мешает предположить, что если бы верхний конец лестницы упирался в Луну, а "конструктивные особенности" моего тела позволяли бы продолжать движение в безвоздушном пространстве, а главное, энергии, запасённой в моём теле было бы достаточно, то в конце концов, я покинул бы сферу притяжения Земли и оказался бы на Луне, развивая при этом скорость меньше скорости пешехода. Вспомним, как современный самолёт делает фигуру высшего пилотажа "колокол": поднимается "свечкой", уравновешивает силу тяги с земным тяготением, останавливается и т.д. Если бы конструктивные особенности позволяли ему двигаться в любой среде, и он бы не уменьшал тягу, то улетел бы прочь от Земли даже не приближаясь к второй космической. Это справедливо для любого космического тела, в т.ч. для "чёрной дыры" Для того чтобы "уйти" необходимы два условия: иметь двигатель, развивающий тягу, достаточную, чтобы двигаться в поле тяготения против вектора силы тяжести с любой отличной от нуля скоростью и достаточный запас энергии на борту. Скорости здесь совершенно ни при чём. Разумеется, герои фильма необходимыми технологиями для этого не обладали, стартуя с Земли старым дедовским способом.

[krazzzer.livejournal.com]

Обожаю мысленные эксперименты. Если их проводить, то добавляя скорости по чуть-чуть, можно набрать скорость больше скорости света. И пофиг всякии теории относительностей.

Тут проблема в том, что нужно набрать скорость больше, чем скорость планеты. Скорость планеты при замедлении в 61 тысячу раз - как у протона в БАК. И чтобы набрать "еще чуть-чуть больше", нужны усилия титанические, скорее всего для такого кораблика придется сжечь Солнце (или еще какую звезду подобной массы).

[Евгений Машков (from livejournal.com)]

Не берусь спорить на предмет теории относительности, но мой мысленный эксперимент безупречен. Погуглил на досуге - физики со мной согласны. "Космический век уже создал свои, космические, предрассудки. Надо от них освобождаться... С выключенными двигателями можно достичь Луны только при условии, что у Земли корабль приобрел вторую космическую скорость. А полет с постоянно включенными двигателями позволяет добраться до Луны при любой скорости...Итак, полет к Луне можно осуществить с комфортом: без перегрузок и почти без невесомости. Такие условия может перенести любой нетренированный человек. Почему же современные корабли летают иначе: с сильной перегрузкой на активном участке полета и с полной невесомостью на орбите? Только из-за необходимости экономить топливо" П.В. Маковевецкий "Смотри в корень!" Итак, энергозатратно, но вполне осуществимо. Про скорость планеты, да ещё при замедлении в 61 тысячу раз, извините, не понял.

[krazzzer.livejournal.com]

Ну так я и писал, что мысленные эксперименты они всегда безупречны. И всегда разбиваются в клочья о грубую действительность.

А 61 тысячу раз - это замедление времени из фильма на водяной планете.

[ztarlitz.livejournal.com]

Если вы поставите свою лестницу просто перпендикулярно поверхности, как нормаль, то взбираясь по ней наверх вы будете сохранять нулевую угловую скорость относительно земли, при этом планета через лестницу передаст вам огромную реальную абсолютную скорость, грубо говоря если продолжить ваш мысленный эксперимент, и вывести лестницу за пределы галактики или вселенной, то ваша скорость превысит световую, вы на своей лестнице, будете лететь быстрее света, прикиньте? В общем завязывайте с такими экспериментами.

[tr1gger.livejournal.com]

Краз, уже не первый раз замечаю, что вы защищаете правильные выводы неправильными аргументами.

Евгений прав, можно добраться до Луны на маленькой скорости, но это выгоднее только если у нас не реактивный двигатель, а та самая лестница aka космический лифт. С реактивным двигателем выгоднее быстро набрать нужную скорость и дальше лететь по инерции. См. мой другой комментарий: http://engineering-ru.livejournal.com/283570.html?thread=18128562#t18128562

Кстати, для замедления времени в 61к раз не обязательно иметь высокую скорость (СТО), можно также просто быть рядом с сильным источником гравитации (ОТО). Хотя это конечно не отменяет вашей искодного постулата о том, что покинуть такое гравитационное поле на химических двигателях потребовался бы корабль размером с такую планету.

Оффтоп: рекомендую игру Kerbal Space Program, наглядно представлены орбитальные манёвры, и зачем нужен эффект Оберта. Всякие контр-интуитивные штуки, например о том, что вывести спутник на геостационарную орбиту дороже(!) по топливу, чем разогнать до второй космической и послать его вообще на Марс.

[krazzzer.livejournal.com]

Обожаю аргументы, в которых в середине такое себе "НО" :D

А по поводу "быть вблизи источника гравитации" - а посчитайте-ка орбитальную скорость планеты возле источника, который замедлил время в 61 тыщ раз.

[tr1gger.livejournal.com]

С лестницей всё верно, но только энергии для поднимания с низкой скоростью требуется больше, чем для достижения скорости на которой корабль сам продолжит улетать с выключенными двигателями.
Баллисты называют это "бороться с гравитацией".

Как пример, приведу крайний случай -- если реактивный двигатель настолько слаб, что лишь удерживает корабль на одной высоте. В таком случае корабль никуда не движется (относительно поверхности земли), но энергия расходуется. Поэтому для настоящих полётов стараются как можно быстрее набрать необходимую скорость, быстрее покинуть гравитационное поле. Иногда даже выгоднее поставить двигатель тяжелее и с меньшим КПД, но с большей силой тяги, чтобы достичь нужной скорости как можно быстрее.

Поэтому также орбитальные манёвры часто выгоднее выполнять с химическими, а не ионными двигателями, несмотря на то что ионные имеют гораздо выше КПД. Потому что у химических намного выше тяга могут выдать необходимый delta V быстрее. А если тяга очень низкая, то не получится использовать эффект Оберта.

Отчасти поэтому с Луны легко взлетать, не только гравитация ниже, но ещё и атмосферы нет, так что можно практически сразу газовать параллельно земле, набирая орбитальную скорость, а не подниматься выше. И газовать можно очень резко, на Земле не позволяет атмосфера.

Поэтому сегодня в орбитальных манёврах все баллисты оперируют единицами delta V, это ключевое понятие.

Возвращаясь к вашему примеру с лестницей -- вообще говоря, если у нас не реактивный двигатель, а как раз лестница (aka космический лифт), то тут формула Циолковского не применима, и лестница конечно гораздо эффективнее реактивных двигателей, потому что есть от чего отталкиваться и не надо разгонять с собой топливо. Можно даже пустить электричество по самой лестнице, и не брать топлива вообще.