Содержание
внутри черной дыры и тессеракта / Хабр
Меня зовут Андрей Колокольцев. По роду деятельности меня давно интересуют истории о том, как именитые режиссеры, продюсеры, студии справляются с созданием тех или иных визуальных картин. Для первой моей публикации я выбрал кинофильм, который стал для меня аудиовизуальным откровением и настоящим эмоциональным аттракционом (это при просмотре в кино на экране IMAX, дома на телевизоре теряется 2/3 впечатлений). Вы не подпрыгните от неожиданности, так как в названии уже все прочитали — это фильма Кристофера Нолана «Интерстеллар». Несмотря на то, что интерес к нему давно угас, я хотел бы представить Вашему вниманию вольный перевод оригинальной статьи Майка Сеймура «Interstellar: inside the black art» от 18 ноября, 2014 года. Эта статья рассказывает о том, как создавалась визуализация «Гаргантюа» и других сцен из фильма — думаю, это будет интересно читателям пусть даже спустя 1,5 года.
Режиссер Интерстеллара Кристофер Нолан объясняет Мэттью Макконахи основы квантовой физики суть сцены
Работники цеха спецэффектов и компьютерной графики очень часто сталкиваются с необходимостью создать визуализацию того, чего еще никто никогда не видел.
К этому добавляется требование современной киноиндустрии, чтобы все это выглядело реально, даже несмотря на то, что, собственно, никто толком и не представляет, как это, вообще, может выглядеть. В фильме Кристофера Нолана «Интерстеллар», супервайзер спец.эффектов Пол Франклин и команда Double Negative должны были создать визуализацию вещей не из нашего измерения, при том при всем максимально приближенную не только к квантовой физике и релятивистской механике, но также и к нашему общему пониманию квантовой гравитации.
Стало удачей, что среди основной команды Double Negative был Оливер Джеймс, главный научный сотрудник с Оксфордским образованием в сфере оптики и атомной физики, а также глубоким понимание релятивистских законов Эйнштейна. Также как и Франклин, он работал с главным продюсером и научным консультантом Кипом Торном. Торн должен был рассчитать сложные математические уравнения и отправить их Джеймсу для перевода в высококачественные рендеры. Требования, предъявляемые к фильму поставили перед Джеймсом задачу не просто визуализировать объясняющие дуговые траектории света расчёты, но также визуализировать и поперечные сечения лучей света, меняющих свой размер и форму на протяжении путешествия через черную дыру.
Код Джеймса был всего лишь частью общего решения. Рука об руку он работал с руководителем художественной команды, супервайзером эффектов компьютерной графики Евгением фон Танцельманом, который добавил аккреционный диск, а также создал галактику и туманность, искажающиеся как только свет от них проходит мимо черной дыры. Не менее трудной стала задача демонстрации того, как кто-то входит в четырехмерный тессеракт, совмещенный с трехмерным пространством комнаты маленькой девочки – и все это в том виде, чтобы зритель понял, что вообще происходит на экране.
В этой статье мы расскажем про некоторые ключевые кадры, созданные Double Negative, а также про предваряющие их научные исследования. Обратите внимание, что в дальнейшем материале возможны спойлеры.
Создание черной дыры
Возможно одной из самых значительных заслуг в достижении Нолановской задачи максимального реализма является изображение черной дыры Гаргантюа. Получив входные данные от Торна, создатели фильма приложили все усилия, чтобы показать поведение света в черной дыре и червоточине.
2.
«Кип объяснял мне релятивистские искривления пространства вокруг черной дыры», — рассказывает Пол Франклин, — «Гравитация, скручиваемая во времени, отклоняет от себя свет, создавая явление, называемое линзой Эйнштейна, гравитационной линзой вокруг черной дыры. А я в этот момент думал, как же мы можем создать такое изображение и есть ли какие-то примеры, с подобным графическим эффектом, на которые мы бы могли опереться.»
«Я отсмотрел самые базовые симуляции, созданные ученым сообществом», — добавляет Франклин, — «и подумал, ок, движение этой штуки настолько сложное, что придется нам с нуля делать свою собственную версию. Затем Кип стал очень тесно работать с Оливером Джеймсом, нашим главным научным сотрудником, и его департаментом. Они использовали расчеты Кипа, чтобы получить все световые пути и пути трассировки лучей вокруг черной дыры. Помимо этого Оливер работал над насущными вопросами, как все это воплотить в жизнь при помощи нашего нового рендерера DnGR (Double Negative General Relativity).
2, продолжая двигаться по круговой экваториальной орбите. Огромная тень от черной дыры искажается в прямоугольную форму из-за преобразования сверического изображения с камеры на плоский дисплей.
Эти ранние образы использовались в виде огромных картин для заднего фона снаружи корабля – таким образом, у актеров было, на что смотреть во время съемки. То есть не использовалось ни одного зеленого экрана, просто позже сотрудники Double Negative заменили используемые ранние образы конечными, подправив некоторые звездные скопления. «Большая часть кадров из-за плеча астронавтов, которые Вы видите в прокатной версии фильма», — отмечает Франклин, — «это реальная съемка. У нас было множество кадров, которые не вошли в общий список кадров с визуальными эффектами, хотя для их создания была проделана грандиозная работа.»
Эти «прямые» съемки на камеру стали возможны благодаря сотрудничеству Double Negative и доктора физических наук Хойте Ван Хойтема. Для подсветки полученных фоновых изображений использовались прожекторы, с совокупным световым потоком в 40 000 люмен за сцену.
»
Та же самая симуляция только крупнее. Здесь отчетливо видна структура света звездного неба, пропущенного через гравитационную линзу. На краю черной дыры горизонт движется на нас со скоростью близкой скорости света.
«Нам необходимо было перемещать и перенастраивать прожекторы исходя из задач сцены», — продолжает Франклин, — «Вообще, на то, чтобы все правильно настроить, можно было бы потратить целую неделю, но в некоторых случаях все должно было быть готово за 15 минут. Ребята работали так усердно, ведь прожекторы – это огромные неповоротливые махины – каждый весил порядка 270 килограмм. У нас было две специально изготовленных клетки, закрепленных на большой электрической лебедке с возможностью перемещать ее вдоль и поперек павильона, соответственно, мы могли использовать ее для расстановки прожекторов. По рации я объяснял ребятам с прожекторами, как калибровать их, попутно переговариваясь с человеком, управляющим грузоподъемниками, носящимимся над плотно забитой людьми площадкой.
»
Создание волн
В фильме Купер (Мэттью Макконахи), Амелия (Энн Хэтуэй), Дойл (Вес Бентли) и ИИ робот КЕЙС посещают полностью покрытую водой планету, волны на которой из-за очень близкого расположения к Гаргантюа достигают необычайных размеров. Зрители уже видели тридцатиметровые волны в других фильмах, но согласно истории, этого было мало – по сценарию волны должны были быть более километра в высоту. Чтобы дать зрителю почувствовать эту высоту, Double Negative должны были переосмыслить стандартный подход к созданию воды. «Когда Вы берете объекты такого масштаба», — объясняет Франклин, — «все характеристики, которые Вы ассоциируете с волнами, такие как буруны и завитки на вершине, просто пропадают, так как становятся незаметными относительно такой массы воды – то есть волна становится больше похожа на движущуюся гору из воды. Именно поэтому мы потратили много времени, работая над превизуализацией и раздумывая, как мы можем использовать такие масштабы волн и небольшой космический корабль Рэйнджер, смываемый ими.
Важнейший момент сцены – когда волна настигает Рэйнджер и поднимает его высоко над поверхностью. И Вы видите, как корабль движется по волне вверх, становится все меньше и вдруг вообще теряется на ней. Это был ключевой момент для ощущения масштаба происходящего.»
Энн Хэтуэй в роли Амелии на водной планете
Художники Double Negative управляли волнами посредством анимации деформаторов, эффектно изменяя их в каждый ключевой кадр. «Это дало нам базовую форму волны,» — говорит Франклин, — «но чтобы воспринять эту картинку, как реальную, мы должны добавить пену на поверхности, интерактивные брызги, водные завихрени и всплески. Для этого мы использовали свою внутреннюю разработку, называемую Squirt Ocean. Ну и, конечно же, после было много дополнительной работы в Houdini.»
Кадры создавались в высоком разрешении IMAX. Это требование несколько ограничивало количество времени, отведенное для всех возможных итераций Double Negative. «Я смотрел часть с анимацией волны, говорил «отлично, давайте добавим все остальное», — смеется Франклин, — «а затем я должен был ждать около полутора месяцев, чтобы все это снова вернулось ко мне – такой длительный процесс был обусловлен именно разрешением IMAX.
Как Вы понимаете, мы не могли тратить время впустую, ведь обычно весь процесс делился на множество итераций, а в тот раз у нас было максимум три.»
Робот КЕЙС, спасающий Амелию от приливной волны, и его двойник ТАРС, на самом деле, были 80-ти килограммовыми металлическими куклами, управляемыми исландским артистом Биллом Ирвином. Кристофер Нолан хотел, чтобы в фильме было как можно больше реальных элементов, и вместо того, чтобы, как многие, просто нарисовать его, Double Negative необходимо было заниматься удалением исполнителя, находящегося позади робота.
Когда КЕЙС реконфигурирует себя для прохода по воде, а затем катится к Амелии, хватает ее и уносит прочь, в кадре совмещаются два решения: практическое и цифровое. «В этом кадре», — рассказывает Франклин, — «находилась построенная маленькая водная буровая установка, закрепленная на квадроцикле. То есть мы могли кататься «сквозь» воду и получать прекрасные интерактивные брызги и всплески. Также на квадроцикле у нас был установлен специальный подъемник с руками робота, на котором мы могли перевозить двойника Энн Хэтуэй.
То есть вся эта конструкция ездила и «резала» воду, а нам оставалось только убрать ее с изображения и заменить цифровой версией робота.»
Double Negative постаралась максимально ограничить количество моментов с цифровыми роботами, делающими необычные вещи. Таковыми моментами были бег через воду, посадка робота в корабль, бег по леднику и некоторые моменты с отсутствующей гравитацией. «Что мы давно заметили, так это то, что ты можешь заставить цифровые моменты работать только в том случае, если совместишь их с реальными», — говорит Франклин, — «Например, в кадрах, где робот забирается в корабль, в самом конце отрезка мы уже видим реальную версию робота, не цифровую. То есть сцена заканчивается кадрами с реальностью, а это помогает почувствовать сцену, как действительно настоящую.»
Внутри тессеракта
В фильме некто «они» оказываются «нами», только достаточно продвинутыми, чтобы помочь Куперу связаться с его дочерью, находящуюся на Земле годами ранее.
Так как во вселенной квантовых и релятивистских законов путешествия во времени невозможны, история решает этот вопрос так, что Купер покидает наше трехмерное пространство и попадает в гиперпространство высшего порядка. Если наша вселенная отображается как 2D диск или мембрана, то гиперпространство будет коробкой, окружающей эту мембрану в трех измерениях. Путь к осмыслению этого в том, что каждое измерение требует для его отображения на 1 измерение меньше. Таким образом, трехмерное пространство рисуется как 2Д диск, а трехмерное окружение вокруг этого диска (физики называют ее брана) – на одно измерение выше мембраны.
Изображение, нарисованное Кипом Торном, объяснящее, что такое брана и мембрана
В фильме персонаж Майкла Кейна, Профессор Брэнд, пытается разгадать гравитационные аномалии. На досках в фильме отчетливо видна попытка решить задачу в 4-х и 5 измерениях. В фильме говорится, что если Брэнд сможет понять эти аномалии, их можно будет использовать, чтобы менять гравитацию на Земле и поднять огромную спасающую человечество конструкцию в космос.
Тогда как переход из трехмерного пространства в четырехмерное не решает проблемы путешествий во времени, в фильме это позволяет Куперу отправлять гравитационные волны обратно во времени. Он может видеть любое время, но может только вызывать рябь в этих отрезках времени – гравитационная рябь, которую и пытается понять дочь Купера, Мёрфи.
Работой команды Double Negative было визуально продемонстрировать четырехмерный тессеракт, который будущие «мы» предоставляют Куперу, чтобы тот смог вызывать гравитационные волны. Это было бы легко осуществимо, если делать это в символическом смысле или в виде сновидения, но команда Double Negative решила визуализировать четырехмерный тессеракт в более выразительном виде, создав концепт, который был бы, конечно, гипотезой, но ее можно было бы использовать даже для обучения. Именно в этот момент снова появился Торн.
Формулы Кипа Торна, объясняющие гравитацию в четырех и пяти измерениях. Обратите внимание, что здесь «наша» брана зажата как сэндвич между двумя альтернативными реальностями или другими бранами.
Чтобы понять решение Double Negative, стоит понять природу измерений высшего порядка. Если объект покоится, допустим, мяч – для двухмерного пространства — это круг; для одномерного – линия. Если смотреть на этот круг в трехмерном пространстве, то мы увидим мяч (сферу). А вот что станет с ним, если перейти к четырехмерному пространству? Одна из теорий, которая была основой к нашему ежедневному размышлению, была представить четвертое пространство, как время. Тогда выходит, что тот же самый мяч, но не покоящийся, а прыгающий, и в бесконечно малый промежуток времени виден как тот же мяч. Но на протяжении всего пути он создает фигуру в виде трубы с полусферическими краями. То есть в четырехмерном пространстве мяч – это труба, а сфера – трехмерная проекция этой четырехмерной фигуры.
Если куб в трехмерном пространстве будет с течением времени менять свою форму, например, расти, то он же в четырехмерном пространстве будет изображаться, как коробка, которая со временем перерастает в большую коробку, отображая все состояния трехмерной коробки в течение всего времени ее существования.
Она может анимироваться и менять форму так, как показано в этом видео:
По логике фильма, если Вы попадете в этот тессеракт, Вы сможете увидеть трехмерное пространство в любой момент времени его существования, например, в виде линий, уходящих в прошлое и будущее. Более того, если учесть предположение, что существует бесконечное множество параллельных реальностей, Вы увидите все линии всех возможных параллельных реальностей, уходящих в бесконечное множество направлений. Именно это и есть концептуальное решение четырехмерного пространства, с которым работала студия. «Нити» времени, которые видит Купер, выглядят как струны, и касаясь их, он может вызывать гравитационные вибрации, таким образом, общаясь со своей дочерью. Это действительно блестящий кусочек художественной научной визуализации!
Но как это снимать?
Установка Нолана, что при создании видеороликов актеры должны взаимодействовать с окружением распространялась и на тессеракт.
После попадания в черную дыру Купер оказывается четырехмерном пространстве, в котором он может видеть любые объекты и их «нить» времени. «Крис сказал, что несмотря на то, что это очень абстрактная концепция, он очень бы хотел построить что-то, что мы могли бы снимать в реальности», — рассказывает Франклин, — «Он хотел увидеть Мэттью, физически взаимодействующего с «нитями» времени, в реальном космосе, а не болтающегося напротив зеленого экрана.»
Это подвигло Франклина обдумать, как воплотить визуализацию тессеракта. «Я провел уйму времени, ломая голову, как же реализовать все это в реальном пространстве», — рассказывает он, — Как показать все эти временные «нити» всех объектов в одной комнате, и чтобы это было понятно в физическом смысле. Ведь опасность была в том, что пространство получится настолько загроможденным «нитями», что придется придумывать, как выделить среди них нужные моменты. Плюс к этому было крайне важно, чтобы Купер не только видел «нити» времени, но и видел их обратную реакцию на взаимодействие, и при этом еще мог сам взаимодействовать с предметами в комнате дочери.
»
Финальный вид «открытой решетчатой структуры» был вдохновлен именно концепцией тессеракта. «Тессеракт – трехмерная проекция четырехмерного гиперкуба. Он имеет красивую решетчеподобную структуру, так что мы примерно понимали, что будем делать. Долгое время я рассматривал развертки из выполненных на большой выдержке фотографий (slit-scan photography) и то, как эта техника позволяет отобразить одну и ту же точку в пространстве во все моменты времени. Фотография сама по себе превращает время в одно из измерений конечного изображения. Комбинация этой техники съемки и решетчатой структуры тессеракта позволила нам создать эти трехмерные «нити» времени, как бы вытекающие из объекта. Комнаты – это фотографии, моменты, встроенные в решетчатую структуру «нитей» времени, среди которых Купер может искать нужные, перемещая их назад и вперед.»
«Мы закончили строить одну секцию этой физической модели с четырьмя повторяющимися секциями вокруг», — рассказывает Франклин, — «Затем на компьютере мы размножили эти секции до бесконечности таким образом, что куда бы Вы не взглянули, они уходили в вечность.
Также во время съемки мы использовали множество реальных проекций. Мы подкладывали активные «нити» времени под реальные секции, используя проекторы. Это дало нам ощущение дрожи и фебрильной энергии – вся информация перетекала вдоль этих «ните» из секции в секцию и обратно. Но, конечно же, каждое изображение финальной версии фильма помимо всего прочего содержит в себе безумное количество цифровых эффектов, встроенных в сцену.»
Но некоторые моменты вынуждали Double Negative перейти полностью на цифровые визуальные эффекты – таким моментом было, например, движение Купера через тоннели тессеракта. «У нас не было достаточного количества секций тессеракта, чтоб отснять это перемещение, поэтому мы снимали Мэттью среди проекционных экранов, на которых вокруг него отображался предчистовой вариант визуализации этой сцены – так что ему было, с чем взаимодействовать», — рассказывает Франклин, — «Актерам все это безумно нравилось, потому что в противовес изготовлению рекламных роликов или фильма на зеленом экране, у них было, на что смотреть.
Позже мы заменили эту версию на высококачественную финальную, только лишь в некоторых моментах оставив предчистовую, так как она просто оказалась не в фокусе и была не видна.»
Франклин также отмечает, что немало цифровых эффектов, удаления троссов и огромное количество ротоскоупинга (roto, rotopaint) потребовалось, чтобы закончить эти сцены. В реализации эффектов, выполненных полностью при помощи компьютерной графики, тоже были определенные сложности. Например, в той части, где тессеракт закрывается и начинает разрушаться. «Мы взяли компьютерную геометрию тессеракта, и пропустили ее через вращение гиперкуба. Ребята работали над тем, как воплотить в жизнь трансформацию вращения гиперкуба и применить ее напрямую к геометрии тессеракта, который мы создали. Для меня это был особенный момент. Когда я увидел результаты, я понял, что это идеально, именно то, что я хотел.»
Другой сложной частью по словам Франклина был момент, когда Купер взаимодействует с пылью и рисует двоичный код на полу во время шторма.
«Мы должны были работать с движениями Мэттью на площадке в объеме тессеракта и сделать так, чтобы они взаимодействовали с чем-то, что действительно заставляло эти формы появляться на полу в комнате перед ним.»
Спасибо! Надеюсь, Вам было интересно, и мы встретимся с Вами в следующий раз на рассказе о том, чего так старался избегать Кристофер Нолан — кейинге.
Физик из «Интерстеллара»: фильм помог нам увидеть реальные черные дыры
https://ria.ru/20161119/1481713237.html
Физик из «Интерстеллара»: фильм помог нам увидеть реальные черные дыры
Физик из «Интерстеллара»: фильм помог нам увидеть реальные черные дыры — РИА Новости, 19.11.2016
Физик из «Интерстеллара»: фильм помог нам увидеть реальные черные дыры
Знаменитый американский физик Кип Торн, один из сценаристов фильма «Интерстеллар», рассказал РИА «Новости» о том, почему гравитационный детектор LIGO обманул ожидания большинства ученых, верит ли он в колонизацию Марса и «кротовые норы», и поделился своими мыслями о том, как съемки фильма помогли науке.
2016-11-19T15:06
2016-11-19T15:06
2016-11-19T16:17
/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content
/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content
https://cdnn21.img.ria.ru/images/sharing/article/1481713237.jpg?14165238061479561451
москва
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
2016
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
Новости
ru-RU
https://ria.ru/docs/about/copyright.html
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
1
5
4.
7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
москва, космос — риа наука, мгу имени м. в. ломоносова, гравитация
Москва, Наука, Космос — РИА Наука, МГУ имени М. В. Ломоносова, гравитация
МОСКВА, 19 ноя – РИА Новости. Знаменитый американский физик Кип Торн, один из сценаристов фильма «Интерстеллар», рассказал РИА «Новости» о том, почему гравитационный детектор LIGO обманул ожидания большинства ученых, верит ли он в колонизацию Марса и «кротовые норы», и поделился своими мыслями о том, как съемки фильма помогли науке.
Кип Торн – один из ведущих физиков-теоретиков мира, занимающихся изучением черных дыр, гравитации и космологии. Торн является одним из сооснователей и руководителей проекта LIGO, гравитационной обсерватории, которая впервые в истории человечества обнаружила в сентябре 2015 года гравитационные волны.
Сейчас Торн возглавляет небольшую команду ученых, которая работает над симуляцией поведения черных дыр и использует эти модели для анализа данных, собираемых LIGO.
Торн выступил с публичной лекцией (прослушать ее можно здесь) в стенах Физического факультета МГУ, сотрудники которого сыграли ключевую роль в создании LIGO и доведении обсерватории до той чувствительности, которая была необходима для открытия гравитационных волн. На этой лекции физик, которому прочили Нобелевскую премию в этом году, рассказал о том, как были открыты эти «эйнштейновские колебания» пространства-времени, и поделился с публикой мыслями о том, как LIGO поможет увидеть то, что происходило в первые мгновения после Большого Взрыва.
— Ваш коллега Лоуренс Краусс сыграл особую роль в истории открытия гравитационных волн, послужив главным источником слухов и сообщив всему миру об их обнаружении за несколько месяцев до того, как вы официально заявили об этом.
Как вы относитесь к его действиям?
— Строго говоря, он не сливал информацию о самом открытии – информация об открытии и так была у всех на виду, он просто показал прессе и другим людям, где ее нужно искать. Лоуренс не знал, что именно мы открыли, какими массами обладали черные дыры и другие их свойства, он просто натолкнулся на слухи о том, что мы совершили какое-то открытие, и распространил их.
11 февраля 2016, 20:15
Физик: открытие гравитационных волн – ключ к пониманию жизни ВселеннойМеждународная гравитационная обсерватория LIGO заявила об феноменальном обнаружении гравитационных волн, чье открытие, как считает российский физик Михаил Городецкий, открывает нам дорогу к созданию теорий квантовой гравитации и теории «великого объединения», объясняющей все процессы во Вселенной.
Я и мои коллеги по LIGO, конечно, расстроились, когда узнали, что Краусс сообщил об этом в своем Twitter, но, с другой стороны, его деятельность обернулась нам на пользу.
Конечно, если бы он знал все подробности и рассказал о них публике, это было бы плохо – мы хотели представить их в ходе нашей собственной пресс-конференции и привлечь максимум внимания.
Но так как Краусс ничего не знал о них, он просто разогрел публику, привлек ее внимание к LIGO и заставил всех считать, что мы действительно что-то открыли. Иными словами, его деятельность оказалась плюсом для нас, но все могло пойти и по иному, менее приятному пути.
— Другим громким событием этого года, касающимся изучения космоса, была речь Элона Маска в конце сентября, в которой он рассказал миру о своих планах по колонизации Марса. Как вы считаете, сможет ли SpaceX реализовать эти планы?
— Верю ли я, что Маск построит колонию на Марсе к середине столетия? Элон – мой хороший друг, и мы постоянно общаемся с ним в неформальной обстановке. За несколько дней до того, как он объявил об этих планах, у нас состоялась длительная застольная дискуссия на эту тему, к концу которой мы оба были несколько навеселе.
Он рассказал мне о своих планах, и если бы это был кто-то другой, а не Элон Маск, я бы покрутил пальцем у виска и очень скептично отнесся бы к подобной инициативе. Но Элон — не обычный человек, за свою жизнь он успел реализовать целый список вещей, за которые никто никогда бы не взялся. Он умеет превращать мысли и идеи в реальность. И поэтому я думаю, что если он вложит титанические усилия в то, что он запланировал, и убедит инвесторов сделать то же самое, то добьется того, о чем он рассказал нам в сентябре. В данном случае я полностью верю в гений Маска.
— Если говорить о других невозможных вещах — помогут ли LIGO и другие гравитационные обсерватории найти знаменитые «кротовые норы» или их существование невозможно в принципе?
— Я думаю, что подобные тоннели в ткани пространства-времени вряд ли существуют. Возможно, что я ошибаюсь, но я несколько десятилетий пытался найти условия, в которых они могут существовать в реальном мире, и мне, как и всем остальным физикам, не удалось их найти.
Законы физики, о которых мы сегодня знаем, указывают на то, что их не существует в природе.
Конечно, вполне возможно, что я неправ и они существуют, тогда нам было бы очень интересно взглянуть на то, как взаимодействуют друг с другом гравитационные волны, вырабатываемые парами «кротовых нор», вращающимися друг вокруг друга. Но для их обнаружения нам необходимо больше знать о физике, управляющей их поведением.
13 февраля 2015, 16:50
Фильм Interstellar помог ученым раскрыть новые свойства черных дырЧеловек или робот, попавший в окрестности вращающейся черной дыры, будет видеть огромное количество звезд, так как гравитационные возмущения, порождаемые черной дырой, будут создавать дюжину копий светил и всей галактики в целом, заявляют физики и аниматоры, участвовавшие в съемках фильма Interstellar.
Они будут гораздо сложнее, чем черные дыры, поведение которых можно полностью описать, используя всего два параметра – массу и скорость вращения вокруг своей оси.
В противоположность этому форма и свойства «кротовых нор» могут быть заметно разнообразнее, что не позволит нам предсказывать, какие гравитационные волны они будут вырабатывать при взаимодействии друг с другом, что сильно затруднит их поиски. В целом я не могу сказать, что оптимистично смотрю на проблему их поиска, но загадка их существования или несуществования точно заслуживает внимания с нашей стороны.
— Ваши российские коллеги по LIGO, к примеру Михаил Городецкий, отмечали, что научная команда изначально ожидала увидеть гравитационные волны, порожденные сталкивающимися пульсарами, а не черными дырами. Все произошло наоборот. Почему?
— Да, большинство из нас действительно считало, что мы увидим сначала пульсары, а потом уже черные дыры, но я никогда не входил в их число. С начала 80-х годов прошлого века я считал, что мы увидим то, что мы действительно увидели в сентябре 2015 года. Поводом для подобных мыслей – и причиной тех реальных событий, которые произошли, — является закон, управляющий тем, как далеко мы можем видеть подобные события.
Дело в том, что расстояние до нашего «горизонта зрения» зависит от массы объектов, которые излучают гравитационные волны. Чем она больше, тем дальше мы можем их видеть. Соответственно, так как черные дыры гораздо тяжелее, чем пары пульсаров, мы можем заметить их на более далеком расстоянии, чем сливающиеся нейтронные звезды. Те черные дыры, которые мы увидели, были в 10-15 раз тяжелее, чем пульсары, и поэтому в обозримой Вселенной мы можем увидеть в 153 раза (~3300 раз) больше слияний черных дыр, чем пульсаров.
Почему мои коллеги думали иначе? Мы не знаем, сколько двойных черных дыр существует во Вселенной, и мы считали, что их гораздо меньше, чем пар пульсаров. Но столь большая разница, о которой я говорил выше, заставляла меня считать, что мы увидим черные дыры раньше, чем пульсары. И это в точности то, что произошло при наблюдениях на LIGO.
— Увидите ли вы пульсары после перезапуска LIGO?
— Да, конечно. Это может произойти как сейчас – мы буквально через несколько недель приступим к повторным наблюдениям после обновления LIGO и замены лазера, вышедшего из строя, — или в ходе последующей кампании наблюдений.
Я пока не знаю, когда именно это произойдет, но я абсолютно уверен в том, что это действительно случится. В любом случае, в 2019-2020 годах, когда мы достигнем максимальной для LIGO чувствительности, ее должно хватить, чтобы гарантированно увидеть слияния пульсаров в нашей Галактике.
— Российские физики говорили, что используемые сегодня шаблоны для анализа сигнала, разработанные вашей командой, являются почти идеальными по своему качеству и что их улучшение не позволит вам подтвердить еще одно слияние черных дыр, которые LIGO почти обнаружил в ходе прошлогодней сессии наблюдений. Сможете ли вы когда-нибудь подтвердить, что это событие действительно произошло?
— Точность просчета колебаний гравитационных волн в наших моделях заведомо превышает то, что нам требуется для анализа данных, которые мы получаем при помощи LIGO, и их дальнейшее улучшение не поможет сделать их более достоверными.
2 июня 2016, 19:57
«Хаббл» помог ученым раскрыть неожиданно быстрое расширение ВселеннойОказалось,что Вселенная расширяется сейчас еще быстрее, чем показывали расчеты, построенные на наблюдениях за «эхом» Большого Взрыва.
Это указывает на существование третьей загадочной «темной» субстанции — темного излучения или на неполноту теории относительности.
С другой стороны, в будущем, когда чувствительность детекторов улучшится и мы будем видеть гораздо больше событий подобного рода, к примеру, одно слияние черных дыр в день или несколько таких катаклизмов в час, тогда нам придется найти какой-то новый способ проводить подобные расчеты. Дело в том, что у нас просто не будет хватать вычислительных мощностей и времени для того, чтобы просчитывать черные дыры и использовать эти расчеты для распознавания сигнала.
Иными словами, улучшение детекторов, скорее всего, потребует улучшения симуляций, но сейчас их обновление не даст нам никаких дополнительных плюсов.
— Вы недавно опубликовали статью, в которой вы и программисты, работавшие над 3D-эффектами в «Интерстелларе», рассказали о том, как создавали реалистичную компьютерную модель черной дыры. Продвигают ли науку подобные работы?
— Как я считаю, самым важным в этом отношении было то, что я и коллеги из студии Double Negative, создававшей эти эффекты, и особенно мой друг Оливер Джеймс, главный научный сотрудник этой команды, создали новые методики визуализации черных дыр и даже улучшить их.
Они позволяют взглянуть на черные дыры с более высоким разрешением, чем мы это могли делать раньше, что необходимо для получения снимков черных дыр и изучения того, что происходит вокруг них. В той статье, о которой мы говорим, мы представили метод для проведения подобных расчетов, и теперь их используют астрофизики и кинокомпании, чтобы изучать черные дыры и правильно рисовать их в фильмах.
Кроме того, мы выяснили, что гравитационные линзы, порождаемые черными дырами, необычным образом искажают свет звезд, находящихся непосредственно за ними. Мы выяснили, почему и как их излучение искажается при прохождении через окрестности черных дыр. Все это очень интересно для физиков и математиков, но не особо важно для поисков гравитационных волн.
— В последние два года астрономы находят все больше намеков на то, что Вселенная расширяется не так, как мы считали раньше, что скорость ее расширения менялась не так, как показывали расчеты Нобелевских лауреатов 2011 года, открывших феномен ее ускоренного расширения.
Помогут ли LIGO, LISA и другие детекторы гравитационных волн найти ответ на этот вопрос?
— Главное понимать, что сегодня ученые не сомневаются в том, что Вселенная расширяется с ускорением, а пытаются понять, как быстро это происходит. Открытие этого феномена астрономами, изучавшими сверхновые звезды, стало большой неожиданностью для всех нас — все считали, что скорость расширения Вселенной должна падать, а не расти.
Сейчас мне и другим ученым не совсем понятно, почему мы вообще называем причину этого ускорения «темной энергией» — мы абсолютно ничего не знаем о ее свойствах, поведении и генезисе. Чтобы понять, что она собой представляет, нам нужно измерить, как менялось это ускорение в последние несколько миллиардов лет. В свою очередь, для этого необходимо в разы больше данных, чем те, которые были использованы первооткрывателями этого феномена.
16 июня 2016, 15:47
Физик: в LIGO ожидали увидеть сначала пульсары, а не одни черные дырыФизик Михаил Городецкий из Московского государственного университета, участник коллаборации LIGO, рассказал РИА «Новости» о том, как будет работать детектор после его обновления в этом году и что ожидают увидеть ученые от «гравитационной Вселенной».
Именно этим сегодня занимаются ученые, о которых вы говорите. Они проводят эти наблюдения при помощи обычных телескопов, работающих в разных частях спектра электромагнитного излучения, и гравитационные обсерватории, если понадобится, подключатся к подобным измерениям, наблюдая за слиянием нейтронных звезд и черных дыр.
С другой стороны, я считаю, что мы найдем ответ на этот вопрос еще до того, как мы накопим достаточное количество данных по гравитационным волнам, и наше участие в раскрытии тайн темной энергии не понадобится. Тем не менее, если этого не произойдет, тогда, конечно, гравитационная астрономия поможет найти ответ на данный вопрос. Это может быть одной из тех неожиданных вещей, которые, как я говорил в лекции, может нам принести гравитационная астрономия.
МГУ имени М. В. ЛомоносоваМосква
Фильм «
Interstellar» помогает ученым моделировать НАСТОЯЩИЕ черные дыры
Команда, создавшая удивительные спецэффекты Interstellar, серьезно относилась к делу, когда они намеревались имитировать факты о космосе, небесных объектах и черных дырах настолько научно, насколько это возможно.
В статье, опубликованной в журнале Classical and Quantum Gravity, , команда спецэффектов подробно описывает инновационный компьютерный код, который они использовали для создания потрясающих изображений, а также для совершения новых научных открытий. Всякий раз, когда научно-фантастический фильм рассказывает о новых научных достижениях, вы знаете, что это хороший фильм!
Наука о черных дырах
Черная дыра Гаргантюа из Интерстеллар. Фото: Double Negative
Спецэффектами для Interstellar занималась лондонская компания по созданию визуальных эффектов Double Negative. Ответственные за это люди, по просьбе директора Кристофера Нолана, хотели работать как можно более реалистично, поэтому они привлекли всемирно известного физика-теоретика Кипа Торна, бывшего профессора Калифорнийского технологического института, чтобы он помог им наиболее точно смоделировать то, что когда-либо делал черный человек. отверстие будет выглядеть. Итак, Торн начал генерировать уравнения, которые будут управлять их программным обеспечением эффектов так же, как физика управляет реальным миром.
Все они согласились сначала начать с червоточин. Сотни страниц и заметок были отправлены туда и обратно, и в конце концов все усилия окупились. Они сделали потрясающий хрустальный шар, который отражает Вселенную обратно в себя.
«Научная фантастика всегда хочет приукрасить вещи, как будто ей никогда не нравилась обычная вселенная», — говорит Торн. «То, что мы получали от программного обеспечения, сразу бросалось в глаза».
Диаграмма Торна, показывающая, как черная дыра искажает свет. Фото: Кип Торн
Черные дыры были намного сложнее. Лучи света, которые проходят близко к черной дыре, захватываются и не могут выйти. Следовательно, область вокруг черной дыры представляет собой темный диск. Лучи света, которые проходят немного дальше, не захватываются, но преломляются под действием гравитации черной дыры. Из-за этого звездное поле кажется искаженным, как в кривом зеркале. Он также создает несколько изображений. Вы увидите два одинаковых изображения одной и той же звезды на противоположных сторонах черной дыры, потому что лучи света, проходящие через черную дыру с обеих сторон, отклоняются к вам.
На самом деле существует бесконечно много изображений каждой звезды, соответствующих световым лучам, которые несколько раз огибают черную дыру, прежде чем прийти к вам.
РЕКЛАМА
Согласно Wired :
Кинематографисты часто используют технику, называемую трассировкой лучей, для передачи света и отражений на изображениях. «Но программное обеспечение для трассировки лучей делает в целом разумное предположение, что свет движется по прямым путям», — говорит Эжени фон Тунцельманн, супервайзер компьютерной графики в Double Negative. Это была совершенно другая физика. «Нам пришлось написать совершенно новый рендерер», — говорит она.
На рендеринг некоторых отдельных кадров уходило до 100 часов, вычисления были перегружены изгибами битов искажения, вызванными эйнштейновским эффектом, называемым гравитационным линзированием. В итоге фильм справился с 800 терабайтами данных
Общая теория относительности Эйнштейна предсказывает, что каждый объект искривляет лучи света под действием своей гравитации.
Это называется гравитационным линзированием. Для нашего Солнца этот эффект очень слаб, но измерен. Для более массивных и удаленных объектов во Вселенной наблюдалось гораздо более сильное линзирование. Однако пока не удалось наблюдать этот эффект вблизи черной дыры или напрямую сфотографировать темный диск, окружающий черную дыру.
Гаргантюа
Рендеринг цилиндра О’Нила, один из моих любимых кадров в фильме. Он вдохновлен кораблем из книги Артура Кларка «Свидание с Рамой», которую я очень рекомендую.
Для своего фильма команда Double Negative выбрала альтернативный путь от обычных спецэффектов для космических фильмов. Вместо того, чтобы отслеживать отдельные траектории световых лучей, они смоделировали пучки света, которые отлично подходят для имитации гравитационного линзирования. Фактически, их код настолько точен, что астрофизики думают использовать его для моделирования своих космических странностей.
РЕКЛАМА
В конце концов, Double Negative сорвала джекпот и создала изображение, которое уже стало одним из самых знаковых в научной фантастике, соперничая с Монолитом из «Космической одиссеи»: черной дырой Гаргантюа.
Компьютерный код создал черную дыру, дополненную светящимся аккреционным диском с беспрецедентной четкостью.
Соавтор исследования и главный научный сотрудник Double Negative Оливер Джеймс сказал: «Чтобы избавиться от мерцания и создать реалистично плавные изображения для фильма, мы изменили наш код так, как никогда раньше. . Вместо того, чтобы отслеживать пути отдельных световых лучей с помощью уравнений Эйнштейна — по одному на пиксель — мы прослеживали искаженные пути и формы световых лучей».
Соавтор исследования Кип Торн сказал: «Этот новый подход к созданию изображений будет иметь большое значение для таких астрофизиков, как я. Нам тоже нужны плавные изображения».
Оливер Джеймс продолжил: «Когда наш код под названием DNGR (Double Negative Gravitational Renderer) стал зрелым и создал изображения, которые вы видите в фильме Interstellar , мы поняли, что у нас есть инструмент, который можно легко адаптировать для научных исследований».
Вот интересный кусочек из газеты. Кажется, что Гаргантюа, хотя и потрясающий и довольно точный, на самом деле не самое точное изображение черной дыры, которое они могли сделать. Окончательная версия Гаргантюа содержит дополнительный код, учитывающий огромные вращательные силы, которые будут создаваться при вращении черной дыры. Теперь Гаргантюа выглядит значительно иначе: с одной стороны извергается больше вещества, а наблюдатель увидит другой цвет из-за эффекта Доплера.
Более точная версия Гаргантюа, недавно опубликованная в научной статье. Кредит: IOP
Теги: черная дыраinterstellar
Как создание черной дыры для «Интерстеллара» привело к удивительному научному открытию
Кип Торн смотрит в черную дыру, которую он помог создать, и думает: «Ну, конечно. Вот что сделал бы ». ¶ Эта конкретная черная дыра является симуляцией беспрецедентной точности. Кажется, что он вращается почти со скоростью света, увлекая за собой кусочки вселенной.
(Это для вас гравитация; теория относительности суперстранна.) Теоретически когда-то она была звездой, но вместо того, чтобы погаснуть или взорваться, она рухнула, как несостоявшееся суфле, в крошечную точку неизбежной сингулярности. Светящееся кольцо, вращающееся вокруг сфероидального водоворота, кажется, изгибается одновременно над вершиной и под дном.
Все это естественно, потому что рядом с черными дырами происходят странные вещи. Например, их гравитация настолько сильна, что они искривляют ткань вселенной. Эйнштейн объяснил это так: чем массивнее объект, тем большую гравитацию он производит. Такие объекты, как звезды и черные дыры, делают это настолько мощно, что на самом деле искривляют свет и тянут за собой пространство и время. И это еще более странно: если бы вы были ближе к черной дыре, чем я, наши представления о пространстве и времени разошлись бы. Условно говоря, время для меня бежит быстрее.
Что там видит Торн? Он астрофизик; его математика руководила созданием этого завораживающего визуального эффекта, самой точной симуляции того, как должна выглядеть черная дыра.
Это продукт года работы 30 человек и тысяч компьютеров. И наряду с небольшой галактикой голливудских звезд — Мэтью МакКонахи, Энн Хэтэуэй, Джессикой Честейн, Биллом Ирвином, Кейси Аффлеком, Джоном Литгоу — симуляция играет центральную роль в Interstellar , престижном эпическом космическом путешествии режиссера Кристофера Нолана, премьера которого состоится 7 ноября. … Торн видит правду. Нолан, непревзойденный имиджмейкер, видит красоту. Черные дыры, даже вымышленные, могут искажать восприятие.
Торн Не ваш средний астрофизик. Конечно, он известный теоретик, но еще до своего ухода из Калифорнийского технологического института в 2009 году он был глубоко заинтересован в разъяснении широкой публике головокружительных идей теории относительности. Незадолго до выхода на пенсию Торн и кинопродюсер Линда Обст, которую он знал с тех пор, как Карл Саган устроил им свидание вслепую три десятилетия назад, обдумывали идею фильма, в котором бы рассказывались о загадочных свойствах черных дыр и червоточины.
Франклин знал, что его компьютеры сделают все, что он им скажет. Это было проблемой и искушением. «Очень легко попасть в ловушку, нарушив правила реальности», — говорит Франклин, старший руководитель удостоенной премии «Оскар» студии спецэффектов Double Negative. «И эти правила на самом деле довольно строгие».
Поэтому он попросил Торна сгенерировать уравнения, которые будут управлять их программным обеспечением эффектов так, как физика управляет реальным миром. Они начали с червоточин. Если бы свет вокруг червоточины не вел бы себя классически, то есть не двигался бы по прямой линии, что бы он делал? Как это можно описать математически?
Торн отправил свои ответы Франклину в виде тщательно проработанных записок. Длинные страницы, содержащие глубокие источники и покрытые уравнениями, они были больше похожи на статьи из научных журналов, чем на что-либо еще. Команда Франклина написала новое программное обеспечение для рендеринга, основанное на этих уравнениях, и создала червоточину.
Результат был экстраординарным. Это было похоже на хрустальный шар, отражающий вселенную, сферическую дыру в пространстве-времени. «Научная фантастика всегда хочет приукрасить вещи, как будто ей никогда не нравилась обычная вселенная», — говорит он. «То, что мы получали от программного обеспечения, сразу бросалось в глаза».
МакКонахи исследует другой мир в Interstellar (вверху). Схема Торна, показывающая, как черная дыра искажает свет.
Диаграммы любезно предоставлены Кипом Торном
Их успех с червоточиной воодушевил команду спецэффектов, чтобы попробовать тот же подход с черной дырой. Но черные дыры, как следует из названия, убивают свет. Кинематографисты часто используют технику, называемую трассировкой лучей, для визуализации света и отражений на изображениях. «Но программное обеспечение для трассировки лучей делает в целом разумное предположение, что свет движется по прямым путям», — говорит Эжени фон Тунцельманн, супервайзер компьютерной графики в Double Negative.
Это была совершенно другая физика. «Нам пришлось написать совершенно новый рендерер», — говорит она.
На рендеринг некоторых отдельных кадров уходило до 100 часов, вычисления были перегружены гибкими битами искажения, вызванными эйнштейновским эффектом, называемым гравитационным линзированием. В итоге фильм справился с 800 терабайтами данных. «Я думал, что в этом случае мы сможем преодолеть петабайтный порог, — говорит фон Тунцельманн.
«Крис действительно хотел, чтобы мы продали идею о том, что черная дыра имеет сферическую форму, — говорит Франклин. «Я сказал: «Знаешь, это будет похоже на диск». Единственное, что вы можете увидеть, это то, как он искажает звездный свет». Затем Франклин начал читать об аккреционных дисках, скоплениях материи, вращающихся вокруг черных дыр. Франклин полагал, что он может использовать это кольцо вращающихся обломков для определения сферы.
Фон Тунцельманн попробовал хитрую демонстрацию. Она создала плоское разноцветное кольцо — заменитель аккреционного диска — и расположила его вокруг вращающейся черной дыры.