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.
Фильм Interstellar помог ученым раскрыть новые свойства черных дыр
https://ria.ru/20150213/1047578132.html
Фильм Interstellar помог ученым раскрыть новые свойства черных дыр
Фильм Interstellar помог ученым раскрыть новые свойства черных дыр — РИА Новости, 13.02.2015
Фильм Interstellar помог ученым раскрыть новые свойства черных дыр
Человек 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.
2015-02-13T16:50
2015-02-13T16:50
2015-02-13T17:48
/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content
/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content
https://cdnn21.img.ria.ru/images/sharing/article/1047578132.jpg?10475771671423838915
великобритания
европа
весь мир
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
2015
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/
космос — риа наука, великобритания
Наука, Космос — РИА Наука, Великобритания, Европа, Весь мир
МОСКВА, 13 фев – РИА Новости. Человек 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 и опубликовавшие свои выводы в журнале Classical and Quantum Gravity.
В начале ноября прошлого года в кинопрокат вышел новый фильм Кристофера Нолана Interstellar, повествующий о путешествии группы ученых и астронавтов через «кротовую нору» и их высадке на поверхность планет, вращающихся вокруг черной дыры.
Одной из главных положительных черт фильма, по выражению его создателей и критиков, считается его научная достоверность, сопоставимая с признанным эталоном научной фантастики — «Одиссеей 2001» Стэнли Кубрика.
Черная дыра «Гаргантюа» и прочие объекты мира Interstellar родились благодаря настойчивости астрофизика Кипа Торна (Kip Thorne), научного консультанта кинокартины и автора статьи, и специалистам из британской анимационной фирмы Double Negative, сумевшим воплотить его математические выкладки.
Подобный союз привел к одному неожиданному последствию, благодаря которому фильм, наверное, впервые в истории человечества, помог ученым раскрыть одно ранее не известное свойство черных дыр.
Как рассказали представители Double Negative, изначально они пытались воссоздать черную дыру при помощи тех же моделей, которые используются астрофизиками и космологами. Они «рисуют» тень черной дыры, ее аккреционный диск и ближайшее окружение при помощи бесконечно тонких лучей света, используя один такой источник света на каждый пиксель изображения./cdn.vox-cdn.com/uploads/chorus_asset/file/15263119/cqg508751f14_hr.0.0.1424108520.jpg)
Подобные модели устраивали ученых, но не аниматоров — картинка неприятно «мигала» из-за постоянных перемещений звезд и других источников света.
«Для того чтобы избавиться от моргания и сделать картинку для фильма идеально гладкой, мы поменяли наши алгоритмы таким образом, как никто никогда не делал. Вместо того чтобы следить за движением отдельных лучей, используя эйнштейновские уравнения, мы начали отслеживать пути и искажение в формах целых пучков лучей. Когда эта модель была готова, мы поняли, что ее можно использовать и для научных исследований», — отмечает Оливер Джеймс (Oliver James), ведущий ученый в Double Negative.
К примеру, отмечают Торн и Оливер, наблюдения за виртуальной черной дырой раскрыли необычный эффект, который будет заметен только при приближении к Гаргантюа из Interstellar или его реальным «кузенам».
Как объясняют ученые, вращение черной дыры будет порождать сложные гравитационные возмущения, которые будут особым образом искривлять свет, попадающий в ближайшие окрестности черной дыры.
В некоторых точках, которые физики называют каустиками, свет будет сосредотачиваться, образуя своеобразное отражение звезды или любого другого объекта. По расчетам авторов статьи, человек или робот, путешествующий к горизонту событий черной дыры, сможет увидеть до 13 копий отдельных звезд и даже всей галактики в целом.
По словам Торна, данный симулятор можно использовать и для изучения других, более сложных процессов, происходящих в окрестностях вращающихся черных дыр. Вполне возможно, считает ученый, что наследие Interstellar поможет раскрыть и другие тайны этих объектов, которые невозможно увидеть при помощи традиционных «лучевых» моделей.
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
Что мы узнали о черных дырах после
- Голливудский блокбастер Кристофера Нолана «Интерстеллар» только что отметил свое пятилетие.
- В фильме Мэттью МакКонахи играет астронавта, который отправляется в сверхмассивную черную дыру под названием Гаргантюа.
- Чтобы сделать «Интерстеллар» научно точным, Нолан нанял физика Кипа Торна, чтобы он сделал максимально реалистичное изображение черной дыры.
- Но с тех пор, как фильм был выпущен, ученые узнали больше о том, как на самом деле выглядят черные дыры, и даже впервые сфотографировали одну из них.
- Эти открытия показали, что, несмотря на все усилия Нолана и Торна, Гаргантюа не был абсолютно точен.
- Посетите домашнюю страницу Business Insider, чтобы узнать больше.
LoadingЧто-то загружается.
Спасибо за регистрацию!
Получайте доступ к своим любимым темам в персонализированной ленте, пока вы в пути.
В центре каждой галактики находится сверхмассивная черная дыра, где гравитация настолько сильна, что ничто — даже свет — не может выйти за ее пределы.
В фильме «Интерстеллар» вымышленная черная дыра по имени Гаргантюа занимает центральное место. Фильм вышел ровно пять лет назад, в ноябре 2014 года. В нем Мэттью МакКонахи и Энн Хэтэуэй играют астронавтов, которые путешествуют по червоточине — туннелю, позволяющему почти мгновенно перемещаться между далекими точками, — чтобы исследовать три планеты, вращающиеся вокруг Гаргантюа. , 10 миллиардов световых лет от Земли.
В конце концов, персонаж МакКонахи направляет свой корабль в сверхмассивную черную дыру, внутри которой он обнаруживает пятое измерение, межпространственных всеведущих существ и способность общаться со своей отчужденной дочерью во времени и пространстве.
Режиссер Кристофер Нолан и его команда визуальных эффектов стремились к высшей научной точности в «Интерстеллар» — они даже наняли физика-теоретика и лауреата Нобелевской премии Кипа Торна в качестве консультанта.
«Ни червоточины, ни черные дыры не изображались ни в одном голливудском фильме так, как они должны были бы выглядеть на самом деле», — сказал Торн в интервью перед выходом фильма.
«Впервые описание началось с уравнений общей теории относительности Эйнштейна».
Действительно, изображение Гаргантюа в фильме было воспринято как самое точное изображение черной дыры.
Представление художника о сверхмассивной черной дыре.
НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт/Рейтер
Но за последние пять лет несколько важных открытий о черных дырах дали физикам новое представление о том, как выглядят эти массивные объекты и как они себя ведут. Основываясь на этой информации, Гаргантюа не был полностью точен, хотя во многих отношениях он все еще близок к этому. Вот что «Интерстеллар» понял правильно и неправильно.
Первое в истории изображение черной дыры
Сверхмассивные черные дыры образуются, когда звезды коллапсируют сами в себя в конце своего жизненного цикла. В среднем они в миллионы раз массивнее Солнца.
На протяжении десятилетий ученые изо всех сил пытались запечатлеть одну из них на камеру, потому что черные дыры настолько массивны и вращаются так быстро, что искажают пространство-время, гарантируя, что ничто не сможет вырваться из-под их гравитационного притяжения. Поскольку даже свет не может убежать, эти силы создают уникальную тень в форме идеального круга в центре черной дыры.
Внешняя граница этого центра известна как горизонт событий черной дыры или «точка невозврата».
Но в апреле группа ученых из международной коллаборации Event Horizon Telescope (EHT) обнародовала первую в мире фотографию сверхмассивной черной дыры. Хотя изображение было нечетким, оно показало, что, как и предсказывалось, черные дыры выглядят как темные сферы, окруженные светящимся кольцом света.
«Когда облако газа приближается к черной дыре, оно ускоряется и нагревается», — ранее рассказала Business Insider Джозефин Питерс, астрофизик из Оксфордского университета. «Он светится ярче, чем быстрее и горячее становится. В конце концов, газовое облако приближается достаточно близко, чтобы притяжение черной дыры растягивало его в тонкую дугу».
Беспрецедентная фотография показывает сверхмассивную черную дыру в центре галактики Мессье 87, которая находится на расстоянии около 54 миллионов световых лет от Земли. Масса черной дыры эквивалентна 6,5 миллиардам солнц.
10 апреля 2019 года команда Event Horizon Telescope опубликовала первое в истории изображение черной дыры.
Сотрудничество Event Horizon Telescope / Обсерватории Маунакеа через AP
Чтобы получить изображение, астрономы опирались на многолетние данные восьми телескопов, синхронизированных по всему миру.
Таким образом, изображение представляет собой реконструированный вид, а не фотографию.
«Это похоже на взгляд на врата ада, на край пространства и времени», — сказал Хейно Фальке, сотрудник Event Horizon Telescope, когда фотография была опубликована.
Следующей целью команды EHT, вероятно, является Стрелец A*, черная дыра в центре нашей галактики.
Мы смоделировали, как может выглядеть пребывание рядом с черной дырой
Поскольку апрельское изображение EHT было таким размытым, ученые НАСА создали визуализацию того, как черная дыра может выглядеть крупным планом и в действии.
Анимация показывает, как гравитация, окружающая черную дыру, искажает свет от вращающегося по орбите облака газа, пыли, мертвых звезд и других космических обломков (так называемого аккреционного диска). Это выглядело бы как огненная радуга, огибающая темную бездну.
Черная дыра может меняться в зависимости от того, как вы на нее смотрите. Вид сбоку, такой как тот, что ниже, покажет аккреционный диск, скользящий вокруг горизонта событий.
Иллюстрация черной дыры, вид сбоку.
Центр космических полетов имени Годдарда НАСА/Джереми Шнитман
Диск будет казаться ярче с одной стороны, чем с другой, потому что черная дыра M87, вероятно, вращается, что также вращает облако пыли и газа, вращающееся вокруг нее. Таким образом, материал, движущийся к нашим глазам, будет казаться ярче, чем материал, удаляющийся — немного похоже на маяк маяка.
Однако если бы вы посмотрели на черную дыру сверху или снизу, аккреционный диск образовал бы почти идеальный круг, и свет выглядел бы более равномерно распределенным.
По словам Торна, причина, по которой черная дыра в «Интерстеллар» не соответствует изображению черной дыры M87, заключается в том, что Нолан решил опустить это явление осветления и затемнения.
Торн сказал Gizmodo, что «человеческий глаз, скорее всего, не сможет различить разницу в яркости на двух сторонах отверстия, когда общая яркость настолько велика». Вот почему черная дыра в фильме имеет одинаковую яркость по всему периметру.
Изображение черной дыры в фильме «Интерстеллар».
Парамаунт Пикчерз
Ученые подтвердили существование сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики
Сверхмассивные черные дыры распространены во Вселенной — они были обнаружены в центре почти каждой галактики, которую исследовали ученые. Черная дыра в центре Млечного Пути, Стрелец A*, находится на расстоянии 25 000 световых лет от нас и в 4 миллиона раз тяжелее нашего Солнца.
Аккреционный диск Стрельца A* имеет ширину около 100 миллионов миль, что немного больше, чем расстояние между Землей и Солнцем.
В октябре 2018 года астрономы сообщили, что наблюдали, как Стрелец A* всасывает капли горячего газа со скоростью 30% скорости света — 201 миллион миль в час. Это вызвало три мощных всплеска излучения, которые были обнаружены телескопами на Земле.
Центр галактики Млечный Путь, полученный инфракрасными камерами космического телескопа Спитцер, 9 октября 2019 года.
НАСА, JPL-Калифорнийский технологический институт, Сьюзен Столови (SSC/Калифорнийский технологический институт) и др.
В то время авторы исследования заявили, что вспышки «обеспечивают долгожданное подтверждение того, что объект в центре нашей галактики, как давно предполагалось, является сверхмассивной черной дырой».
Жозефина Питерс, астрофизик из Оксфордского университета, которая не участвовала в исследовании, ранее рассказала Business Insider, что наблюдения следовали за материалом «настолько близко, насколько вы можете подобраться к черной дыре, не будучи поглощенным ею».
Но Петерс добавил, что Стрелец А* «по-прежнему невероятно загадочен».
Чем больше ученые узнают о черных дырах, таких как Стрелец А*, тем лучше режиссеры вроде Нолана смогут изобразить их в голливудских блокбастерах.
Building Gargantua – CERN Courier
Оливер Джеймс из DNEG, снявший поразительную черную дыру в фильме Interstellar , описывает науку, лежащую в основе визуальных эффектов, и проблемы этой быстрорастущей отрасли.
Гаргантюа Вариант аккреционного диска черной дыры из фильма «Интерстеллар». Предоставлено: DNEG/Warner Bros. Entertainment Inc./CQG 32 065001
Оливер Джеймс — главный научный сотрудник крупнейшей в мире студии визуальных эффектов DNEG, которая создала впечатляющие визуальные эффекты для Интерстеллар . Работа DNEG, выполненная в сотрудничестве с космологом-теоретиком Кипом Торном, привела к получению одних из самых физически точных изображений вращающейся черной дыры из когда-либо созданных, что принесло фирме премию Оскар и премию BAFTA. Для Джеймса все началось с получения степени бакалавра физики в Оксфордском университете в конце 1980-х — период, который он описывает как один из самых увлекательных и интеллектуально стимулирующих в своей жизни. «Это столкнуло меня с разрывом между тем, что вы наблюдаете, и реальностью. Я чувствую, что это был тот же самый разрыв, с которым я столкнулся, работая в Интерстеллар . Мне пришлось много учиться, чтобы понять физику черных дыр и искривленного пространства-времени».
Большая часть визуальных эффектов — это понимание того, как свет взаимодействует с поверхностями и объемами и в конечном итоге попадает в объектив камеры. Будучи студентом, Оливер интересовался атомной физикой, квантовой механикой и современной оптикой. Это, в дополнение к двум другим его увлечениям — компьютерам и фотографии — привело его к его первой работе в небольшой фотостудии в Лондоне, где он познакомился с техническими и операционными аспектами отрасли. Пропустив интеллектуальный вызов, предлагаемый физикой, в 19В 95 году он связался и получил место в группе исследований и разработок Computer Film Company — нишевой студии, специализирующейся на цифровом кино, которая была частью зарождающейся лондонской индустрии визуальных эффектов.
Внезапно эти тряпичные куклы оживали, и вы морщились от сочувствия, когда их избивали из-за
.
Оливер Джеймс
Решающий момент наступил в 2001 году, когда один из его бывших коллег пригласил его присоединиться к ESC Entertainment Warner Bros в Аламеде, Калифорния, для работы над Перезагрузка Матрицы и Революции . Его основной задачей была работа над моделированием твердого тела — нетривиальная задача, учитывая множество боевых сцен. «Есть сцена большой драки под названием Burly Brawl, где сотни цифровых актеров разбрасываются, как кегли», — говорит он. «Мы хотели добавить реализма, симулируя физику этих сталкивающихся тел. Первоначальные тесты выглядели физическими, но безжизненными, поэтому мы улучшили симуляцию, введя крутящий момент в каждом суставе, рассчитанный на примерах реальной локомоции. Внезапно эти тряпичные куклы оживали, и вы морщились от сочувствия, когда их избивали». Для создания всего нескольких секунд фильма потребовались месяцы работы десятков художников и техников.
Главный научный сотрудник DNEG Оливер Джеймс начал заниматься физикой. Предоставлено: DNEG
После работы в ESC Entertainment Джеймс вернулся в Лондон и, после короткого периода работы в Moving Picture Company, наконец присоединился к «Double Negative» в 2004 году (переименованном в DNEG в 2018 году). Его привлек фильм Кристофера Нолана «Бэтмен: начало », для которого фирма создавала визуальные эффекты, и это было началом долгого творческого пути, кульминацией которого станет научно-фантастическая эпопея .Interstellar , рассказывающий историю астронавта, ищущего пригодные для жизни планеты в открытом космосе.
Физика оживляет невидимое
«Нам нужно было создать новое изображение черных дыр; это большая проблема даже для человека с опытом работы в области физики», — вспоминает Джеймс. Учитывая, что в студенческие годы он не изучал общую теорию относительности, а касался только специальной теории относительности, он решил обратиться за помощью к Кипу Торну из Калифорнийского технологического института. «В какой-то момент я задал [Кипу] очень конкретный вопрос: «Не могли бы вы дать мне уравнение, описывающее траекторию света от далекой звезды, вокруг черной дыры и, наконец, в глаз наблюдателя?» Обратите внимание, что на следующий день я получил электронное письмо — это было больше похоже на научную статью, в которой были уравнения, отвечающие на мои вопросы». В общей сложности Джеймс и Торн обменялись примерно 1000 электронными письмами, часто с подробным математическим формализмом, который DNEG затем могла использовать в своем коде. «Я часто формулировал свои вопросы довольно неуклюже, и Кип настаивал: «Что именно вы имеете в виду»? говорит Джеймс. «Это заставило меня переосмыслить то, что лежало в основе моих вопросов».
Результат для червоточины был подобен хрустальному шару, отражающему каждую точку вселенной
Oliver James
DNEG вскоре смогла разработать новое программное обеспечение для визуализации черных дыр и червоточин. Режиссер хотел червоточину с регулируемой формой и размером, поэтому мы разработали червоточину с тремя свободными параметрами, а именно длиной и радиусом внутренней части червоточины, а также третий вариант, описывающий плавность перехода от ее внутренней части к внешней, объясняет Джеймс. «Результат для червоточины был подобен хрустальному шару, отражающему каждую точку вселенной; представьте себе сферическую дыру в пространстве-времени». Моделирование черной дыры представляло собой более сложную задачу, поскольку по определению это объект, который не пропускает свет. Вместе со своими коллегами он разработал совершенно новый рендерер, который имитирует путь света через гравитационно искривленное пространство-время, включая эффекты гравитационного линзирования и другие физические явления, происходящие вокруг черной дыры.
Стандарты качества
В Интернете можно найти множество изображений черных дыр, «поедающих» другие звезды или звезд, сталкивающихся с образованием черной дыры. Но создание изображения для фильма требует совершенно других стандартов качества. Высокое качество, требуемое от изображения IMAX, означало, что команде пришлось устранить любые артефакты, которые могли проявиться в окончательном изображении, и, следовательно, время рендеринга составляло до 100 часов по сравнению с типичными 5–6 часами, необходимыми для других фильмов. В отличие от основной цели большинства астрофизических визуализаций, заключающейся в достижении высокой пропускной способности, их главной целью было создание изображений, которые выглядели бы так, как будто они действительно были сняты на пленку. «Эта цель привела нас к использованию набора методов визуализации, отличного от тех, что используются в астрофизическом сообществе — методов, основанных на распространении пучков лучей (лучей света) вместо дискретных световых лучей, и на тщательно разработанной пространственной фильтрации для сглаживания перекрытий соседних лучей. «, — говорит Джеймс.
Умеренно реалистичный аккреционный диск, гравитационно-линзированный черной дырой (а) с доплеровским и гравитационным смещением его цветов, (б) с его удельной интенсивностью, сдвинутой в соответствии с теоремой Лиувилля, и (в), показывающей, как на самом деле будет выглядеть диск наблюдателю вблизи черной дыры. Авторы и права: DNEG/ CQG 32 065001
Команда DNEG создала плоское разноцветное кольцо, обозначающее аккреционный диск, и расположила его вокруг вращающейся черной дыры. Результатом стало искривленное пространство-время вокруг черной дыры, включая ее аккреционный диск. Позже Торн написал в своей книге 9 2014 г.0089 Наука Интерстеллар : «Вы не представляете, в каком восторге я был, когда Оливер прислал мне свои первые видеоклипы. Впервые — и раньше любого другого ученого — я увидел в сверхвысоком разрешении, как выглядит быстро вращающаяся черная дыра. Что он визуально делает с окружающей средой». В следующем году Джеймс и его коллеги из DNEG опубликовали вместе с Торном две статьи о науке и визуализации этих объектов (Am. J. Phys 83 486 и Class. Quantum Grav. 32 9).0120 065001).
Еще одна задача заключалась в том, чтобы зафиксировать тот факт, что пленочная камера должна двигаться со скоростью, составляющей значительную часть скорости света. Релятивистская аберрация, доплеровское смещение и гравитационное красное смещение должны были быть интегрированы в код рендеринга, влияя на то, как слои диска будут выглядеть вблизи камеры, а также на цветокоррекцию и изменения яркости в конечном изображении. Все становится еще сложнее ближе к черной дыре, где пространство-время более искажено; гравитационное линзирование становится более экстремальным, и вычисление занимает больше шагов. Торн разработал процедуры, описывающие, как сопоставить луч света и пучок лучей от источника света с локальным небом камеры, и создал изображения низкого качества в Mathematica, чтобы проверить свой код, прежде чем передать его в DNEG для создания быстрого рендеринга с высоким разрешением. . Это использовалось для моделирования всех изображений, которые нужно было объективировать: поля звезд, пылевые облака и туманности, а также аккреционный диск вокруг Гаргантюа, 9Гигантская черная дыра 0089 Interstellar . В общей сложности фильм собрал почти 800 ТБ данных. Чтобы смоделировать звездный фон, DNEG использовала звездный каталог Tycho-2 от Европейского космического агентства, содержащий около 2,5 миллионов звезд, а совсем недавно команда приняла каталог Gaia, содержащий 1,7 миллиарда звезд.
Творческая индустрия
С увеличением использования визуальных эффектов все больше и больше ученых работают в этой области, включая математиков и физиков. А визуальные эффекты важны не только для научно-фантастических фильмов, но и в драматических или исторических фильмах. Кроме того, растет число компаний, создающих специализированные пакеты моделирования для конкретных процессов. Только DNEG увеличилась с 80 человек в 2004 году до более чем 5000 человек сегодня. В то же время, такое увеличение числа означает, что программное обеспечение должно быть масштабируемым и адаптируемым для широкого круга квалифицированных художников, объясняет Джеймс. «Разработка специализированного программного обеспечения для моделирования, которое будет использоваться на местном уровне небольшой группой квалифицированных художников, — это одно, но чтобы сделать его пригодным для использования широким кругом художников по всему миру, требуются гораздо большие усилия — сделать его надежным и гораздо более доступным».
В марте в рамках исследования Future Circular Collider в сотрудничестве с отделом EP ЦЕРН был организован коллоквиум с креативным директором DNEG Полом Франклином, главным техническим директором Грэмом Джеком и главным научным сотрудником Оливером Джеймсом. Предоставлено: N Caraban/CERN
На вопрос, являются ли вычислительные ресурсы ограничивающим фактором для будущих визуальных эффектов, Джеймс считает, что любое увеличение вычислительной мощности будет быстро поглощено художниками, добавляющими дополнительные детали или создающими более сложные симуляции. По его словам, переломным моментом станет моделирование и рендеринг в реальном времени. Сегодня видеоигры визуализируются в режиме реального времени видеокартой компьютера, тогда как визуальные эффекты в фильмах почти полностью создаются в виде пакетных процессов, а затем результаты кэшируются или предварительно визуализируются, чтобы их можно было воспроизводить в реальном времени. «Переход к рендерингу в реальном времени означает, что рабочий процесс не будет зависеть от ночного рендеринга и позволит художникам выполнять гораздо больше итераций во время производства. Мы коснулись только поверхности, а возможностей для ученых предостаточно». Даже машинное обучение обещает сыграть свою роль в отрасли, и Джеймс в настоящее время занимается исследованиями и разработками, чтобы использовать его для обеспечения более естественных движений тела или выражений лица. Открытые данные и открытый доступ также являются развивающейся областью, в которой DNEG активно участвует.
«Визуальные эффекты — увлекательная отрасль, в которой технологии и точные науки используются для решения творческих задач, — говорит Джеймс. «Иногда роли меняются местами, и наше творчество может оказать реальное влияние на науку».
Фильм «Интерстеллар» помогает ученым моделировать НАСТОЯЩИЕ черные дыры
Команда разработчиков удивительных спецэффектов «Интерстеллар» 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 Классическая и квантовая гравитация, 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!
Рендеринг науки о черных дырах
Черная дыра Гаргантюа из Интерстеллар. Фото: Double Negative
Спецэффектами 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 совсем другая физика. «Нам пришлось написать совершенно новый рендерер», — говорит она.
Для рендеринга некоторых отдельных кадров требовалось 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 световые лучи 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 пошла по альтернативному пути 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 сорвал джек-пот и отрендерил одно из самых знаковых изображений в научной фантастике, соперничающее 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».