Читаем The Science of Interstellar полностью

Late in Interstellar, Cooper has just dragged the Endurance out of its death spiral at Mann’s planet and feels a great sense of relief when the robot Case says to him: “We’re heading into Gargantua’s pull.”

Cooper makes a quick decision: “The navigation mainframe’s destroyed and we don’t have enough life support to make it back to Earth. But we might scrape to Edmunds’ planet.” “What about fuel?” Amelia Brand asks. “Not enough,” Cooper responds. “Let Gargantua suck us right to [near] the horizon, then a powered slingshot around to launch us at Edmunds’ planet.” “Manually?” “That’s what I’m here for. I’ll take us just inside the critical orbit.”

Within minutes they are at the critical orbit and all hell breaks loose.

In this chapter, I describe my scientist’s interpretation of this.

Tidal Gravity: Breaking the Endurance Away from Mann’s Planet

In my interpretation Mann’s planet is on a highly elongated orbit (Chapter 19). When the Endurance arrived at the planet, it was rather far from Gargantua but zooming inward. The Endurance’s explosion (Chapter 20) occurred when the planet was nearing the black hole (Figure 27.1).

Cooper rescues the Endurance after the explosion and lifts it upward, away from the planet. In my interpretation, he lifts the Endurance high enough for Gargantua’s huge tidal forces to pry it away from the planet, sending it on a separate trajectory (Figure 27.2).

Centrifugal forces fling Mann’s planet outward on its next distant excursion, while the Endurance heads onto the critical orbit.[49]

Fig. 27.1. The orbit of Mann’s planet and its location at the moment of the Endurance’s explosion.Fig. 27.2. The Endurance is pried away from Mann’s planet by Gargantua’s tidal forces. [Image of the Endurance is from Interstellar.]The Critical Orbit and the Volcano Analogy

I discuss the critical orbit using a different type of picture than I’ve used before: Figure 27.3. I first describe this picture heuristically, and then I explain it in physicists’ language.

Fig. 27.3. The Endurance’s trajectory on a volcano-like surface that represents its gravitational and centrifugal energies.

Think of the surface in Figure 27.3 as that of a smooth, granite sculpture sitting on the floor in your home. It sinks down to a deep moat that surrounds a sculpted volcano.

The Endurance, after being pried away from Mann’s planet, is like a tiny marble that rolls freely on this granite surface. As it rolls inward toward the moat, the marble picks up speed, because of the surface’s downward slope. It then rolls up the volcano’s side, slowing as it goes, and arrives on the volcano’s rim with some residual circumferential motion. And it then rolls around and around on the rim, delicately and unstably balanced between falling inward, into the volcano, and falling back outward and down to the moat.

The volcano’s interior is Gargantua, and the volcano’s rim is the critical orbit, from which the Endurance launches toward Edmunds’ planet.

The Meaning of the Volcano: Gravitational and Circumferential Energy

To explain the volcano’s meaning—how it relates to the laws of physics—I have to get a bit technical.

For the sake of simplicity, let’s pretend the Endurance is moving in Gargantua’s equatorial plane. (For the Endurance’s nonequatorial trajectory the ideas are the same but because the black hole is not spherical, the details are more complicated.) The volcano analogy neatly encapsulates the true physics of the critical orbit and Gargantua’s trajectory. To explain how, I need two physics concepts: the Endurance’s angular momentum, and its energy.

After tidal forces pry it apart from Mann’s planet, the Endurance has a certain amount of angular momentum (its circumferential speed around Gargantua times its distance from Gargantua). The relativistic laws tell us that this angular momentum remains fixed (conserved) along the Endurance’s trajectory; see Chapter 10. This means that, as the Endurance plunges toward Gargantua, with its distance from Gargantua decreasing, its circumferential speed increases. This is similar to an ice-skater, whose whirling speed increases when she moves her arms in (Figure 27.4).

Fig. 27.4. Ice skater.
Перейти на страницу:

Похожие книги

100 великих научных открытий
100 великих научных открытий

Астрономия, физика, математика, химия, биология и медицина — 100 открытий, которые стали научными прорывами и изменили нашу жизнь. Патенты и изобретения — по-настоящему эпохальные научные перевороты. Величайшие медицинские открытия — пенициллин и инсулин, группы крови и резусфактор, ДНК и РНК. Фотосинтез, периодический закон химических элементов и другие биологические процессы. Открытия в физике — атмосферное давление, инфракрасное излучение и ультрафиолет. Астрономические знания о магнитном поле земли и законе всемирного тяготения, теории Большого взрыва и озоновых дырах. Математическая теорема Пифагора, неевклидова геометрия, иррациональные числа и другие самые невероятные научные открытия за всю историю человечества!

Дмитрий Самин , Коллектив авторов

Астрономия и Космос / Энциклопедии / Прочая научная литература / Образование и наука
Теория струн и скрытые измерения Вселенной
Теория струн и скрытые измерения Вселенной

Революционная теория струн утверждает, что мы живем в десятимерной Вселенной, но только четыре из этих измерений доступны человеческому восприятию. Если верить современным ученым, остальные шесть измерений свернуты в удивительную структуру, известную как многообразие Калаби-Яу. Легендарный математик Шинтан Яу, один из первооткрывателей этих поразительных пространств, утверждает, что геометрия не только является основой теории струн, но и лежит в самой природе нашей Вселенной.Читая эту книгу, вы вместе с авторами повторите захватывающий путь научного открытия: от безумной идеи до завершенной теории. Вас ждет увлекательное исследование, удивительное путешествие в скрытые измерения, определяющие то, что мы называем Вселенной, как в большом, так и в малом масштабе.

Стив Надис , Шинтан Яу , Яу Шинтан

Астрономия и Космос / Научная литература / Технические науки / Образование и наука