Interestelar - manipulação do buraco negro?

Como essa é uma pergunta sobre física (embora no reino de um filme), darei uma resposta baseada na física, com ressalvas no final.

Um mal-entendido comum é que existe apenas um tipo de buraco negro, ou seja, um Buraco negro de Schwarzschild. Na verdade, existem muitos tipos, que diferem topologicamente (o número de dimensões e a "forma" subjacente do espaço próximo ao buraco negro) e metricamente (a classe de solução para as equações de campo de Einstein, uma equação de tensor altamente não-linear e a construção matemática definidora de relatividade geral).

Muito provavelmente, o buraco negro na Interestelar é um Buraco negro de Kerr. Este é um buraco negro axissimétrico com momento angular diferente de zero. Em termos leigos: gira. Tendo lido algumas das fontes relacionadas ao envolvimento de Kip Thorne no filme, bem como o que eles estavam tentando alcançar com o visual, eu colocaria meu dinheiro em um buraco negro de Kerr. Isso também é consistente com o fato de que os planetas parecem estar orbitando esse buraco negro!

A experiência de Coop dentro do buraco negro também é consistente com a teoria. Um buraco negro de Kerr não é tão "destrutivo" quanto um buraco negro de Schwarzschild padrão e não rotativo. Em particular, a singularidade é em forma de anel com um raio diferente de zero e os objetos (partículas, na verdade) podem viajar além do horizonte de eventos e através do anel sem interceptar a própria singularidade. Dentro do ringue, experimenta-se o Efeito Carter (nomeado em homenagem ao físico Brandon Carter), no qual se pode mover-se livremente no tempo, como no espaço. Esse parece ser o "tesseract" de Coop em poucas palavras!

Ressalvas: Dito tudo isso, ainda é muito improvável que Coop possa viajar no horizonte e sair de uma vez só, sem algum tipo de intervenção que mude a realidade física que ele enfrentaria. O buraco negro em si pode ter sido alterado pelos seres que se comunicaram com ele em primeiro lugar - seres cuja compreensão da cosmologia das cordas de partículas grossas e da dualidade calibre / gravidade dentro do chamado regime de "acoplamento forte" seria muito superior ao nosso. possuir uma compreensão extremamente modesta / superficial de tais coisas e cuja capacidade de engenharia também seria muito superior. Esses seres poderiam razoavelmente ter a capacidade de projetar ou alterar um buraco negro existente de acordo com suas especificações (isto é, um buraco negro de Kerr idealizado) e podem ter sido capazes de facilitar a entrada e saída de Coop para o bloco Boyer-Lindquist interior (essas são coordenadas naturais um espaço-tempo do buraco negro de Kerr) onde "timelike" e "spacelike" são trocados.

O buraco negro em Interestelar não era puramente natural, mas havia sido criado ou modificado por uma civilização estupendamente poderosa e avançada. Como tal, não faz muito sentido tentar analisar as propriedades de seu interior em termos de nossa compreensão atual da física.

O filme deixa claro que os engenheiros do buraco negro podem manipular o espaço-tempo, o que possibilitou os efeitos da viagem no tempo vistos pelos personagens. Cooper e TARS supõem que o tesseract foi criado pelos construtores, como um ambiente no qual Cooper poderia sobreviver e

send messages to his past self and Murph, as the builders wanted/needed him to do.

Quanto à maneira como Cooper partiu: em nosso entendimento atual, uma vez que a matéria atravessa o horizonte de eventos de um buraco negro, ela não pode sair novamente. Só podemos supor que, com uma tecnologia suficientemente avançada, os construtores de buracos negros conheciam uma brecha que lhe permitia sair.

Vale ressaltar que, em teoria, os buracos negros emitir radiação eletromagnética, então eles não são completamente pretos.

Vou abordar a questão #1 primeiro. Eu acho que isso tem a ver com o fato de que Cooper e TARS chegaram a um dos singularidades dentro do buraco negro, onde o TARS conseguiu reunir os "dados quânticos" necessários (minha resposta aqui aborda por que isso era necessário), e foi nesse ponto que eles foram resgatados do buraco negro pelo "tesseract" que havia sido criado pelos seres que viviam na dimensão espacial mais alta. Esse trecho de diálogo entre Cooper e Romilly no planeta de Mann é fundamental:

ROMILLY: I have a suggestion for your return journey.

COOPER: What?

ROMILLY: Have one last crack at the black hole. Gargantua's an older, spinning black hole - what we call a gentle singularity.

COOPER: Gentle?

ROMILLY: They're hardly gentle, but their tidal gravity is quick enough that something crossing the horizon fast might survive...a probe, say.

COOPER: What happens to it after it crosses?

ROMILLY: Beyond the horizon is a complete mystery - who's to say there isn't some way the probe can glimpse the singularity and relay the quantum data? If he's equipped to transmit every form of energy that can pulse - X-ray, visible light, radio -

TARS: Just when did this probe become a 'he'?

ROMILLY: TARS is the obvious candidate. I've already told him what to look for.

Como explicado no cap. 26 de A ciência do interestelar pelo físico Kip Thorne (que era o consultor científico do filme), uma versão realista de um buraco negro rotativo como aquele em Interestelar teria realmente mais de uma singularidade. É claro que existe uma no centro, que Thorne diz que provavelmente seria um tipo de singularidade conhecido como Singularidade BKL. Esse tipo de singularidade destruiria todos os objetos com oscilações cada vez mais violentas no forças de maré, que são forças gravitacionais que agem de maneira diferente em diferentes partes de um objeto estendido (os pés de um astronauta são puxados com mais força do que a cabeça, por exemplo) e, portanto, têm o efeito de esticá-lo e apertá-lo. O artigo wiki sobre a singularidade do BKL só fala sobre isso no contexto do Big Bang, mas você pode ver Este artigo para uma discussão de como as singularidades de BKL se aplicariam a buracos negros.

Além da singularidade central, a análise teórica sugere que, para rotacionar buracos negros, haveria outros dois, que Thorne rotula de singularidades "infalentes" e "subestimadas". Isso ocorre quando, devido à maneira particular que dilatação do tempo ocorre dentro do buraco negro, ondas e matéria que caíram no buraco negro em muitos momentos diferentes irão convergir no "horizonte interno" no mesmo momento - este é um segundo horizonte encontrado nos buracos negros em rotação abaixo do horizonte de eventos externos, que não se prevê que esteja presente em buracos negros não rotativos e sem carga (o horizonte interno também é frequentemente chamado de Horizonte de Cauchye também é teoricamente previsto estar presente em rotações não rotativas, mas carregadas Buracos negros de Reissner-Nordstrom) Pelo que li em outro lugar, o fato de haver um tipo de singularidade aqui está relacionado ao fato de que ondas eletromagnéticas e gravitacionais se tornam infinitamente deslocadas em azul no horizonte, significando que o comprimento de onda se aproxima de zero quando se aproxima - isso é mencionado por exemplo, na seção "Diagrama de Penrose que ilustra a causa da inflação em massa" na parte inferior da esta página.

No entanto, diferentemente da singularidade central, essas duas singularidades no horizonte interno podem ser "suaves" no sentido de que não apenas as partículas individuais podem passar teoricamente por elas e continuar do outro lado, mas o período em que as forças da maré se tornam realmente grandes pode ser breve o suficiente para distorcer apenas as posições relativas dos átomos em um objeto em uma quantidade finita, uma quantidade que pode não ser suficiente para destruir um objeto sólido como um humano. Em última análise, porém, os físicos não podem realmente dizer o que aconteceria ao atravessar essas singularidades, mesmo de uma perspectiva teórica, porque a teoria que eles usam para analisar forças de maré e outras distorções no espaço-tempo, a teoria de Einstein sobre relatividade geral, deve se tornar impreciso em regiões do espaço-tempo com densidades de energia que atingem uma escala conhecida como Escala de Plancke nessas regiões pensa-se que uma teoria da gravidade quântica seria necessário para fazer previsões precisas (teoria das cordas é uma tentativa de criar tal teoria, mas é incompleta).

Aqui está Kip Thorne discutindo as singularidades infalíveis e exorbitantes no capítulo 26:

If you fall into a spinning black hole such as Gargantua, lots of other stuff inevitably will fall in after you: gas, dust, light, gravitational waves, and so forth. That stuff may take millions or billions of years to enter the hole as seen by me, watching from outside. But as seen by you, now inside the hole, it may take only a few seconds or less, due to the extreme slowing of your time compared with mine. As a result, as seen by you this stuff all piles up in a thin sheet, falling inward toward you at the speed of light, or nearly the speed of light, or nearly the speed of light. This sheet generates intense tidal forces that distort space and will distort you, if the sheet hits you.

The tidal forces grow to become infinite. The result is an "infalling singularity" ... governed by the laws of quantum gravity. However, the tidal forces grow so swiftly (Poisson and Israel deduced) that, if they hit you, they will have deformed you by only a finite amount at the moment you reach the singularity. ... Because your body has been stretched and squeezed by only a finite net amount, when you reach the singularity, it is conceivable you migh survive. (Conceivable but unlikely, I think.) In this sense, the infalling singularity is far more "gentle" then the BKL singularity. If you do survive, what happens next is known only to the laws of quantum gravity.

In the 1990s and 2000s, we physicists thought this was the whole story: A BKL singularity, created when the black hole is born. And an infalling singularity that grows afterward. That's all.

Then in late 2012, while Christopher Nolan was negotiating to rewrite and direct Interstellar, a third singularity was discovered by Donald Marolf (University of California at Santa Barbara) and Amos Ori (The Technion, in Haifa, Israel). It was discovered, of course, via an in-depth study of Einstein’s relativistic laws and not via astronomical observations.

In retrospect, this singularity should have been obvious. It is an outflying singularity that grows as the black hole ages, just like the infalling singularity grows. It is produced by stuff (gas, dust, light, gravitational waves, etc.) that fell into the black hole before you fell in ... A tiny fraction of that stuff is scattered back upward toward you, scattered by the hole's warpage of space and time, much like sunlight scattered off a curved, smooth ocean wave, which brings us an image of the wave.

The upscattered stuff gets compressed, by the black hole’s extreme slowing of time, into a thin layer rather like a sonic book (a "shock front"). The stuff’s gravity produces tidal forces that grown infinitely strong and thence become an outflying singularity. But as for the infalling singularity, so also for this outflying one, the tidal forces are gentle; They grow so quickly, so suddenly, that, if you encounter one, your net distortion is finite, not infinite, at the moment you hit the singularity.

(Se alguém conhece física suficiente para acompanhar qualquer um dos detalhes, o artigo 2012 que discute a singularidade do voo é aqui- não havia muito que eu pudesse entender, mas se você olhar para a pequena cartilha aqui nos diagramas de Penrose para diferentes tipos de buracos negros, você pode comparar com o diagrama de Penrose dos autores para obter um buraco negro rotativo realista na Fig. 4 na p. 17 do artigo, que mostra a singularidade infalível como uma linha pontilhada vermelha e a singularidade exuberante como uma linha vermelha sólida rotulada 'Shockwave'. Observe também que a seção "Discussão" na p. 18 fala sobre a comparação "de dois tipos diferentes de singularidade nula que se desenvolvem no horizonte interno", confirmando que é aqui que essas duas singularidades estão localizadas.)

O "tesseract", enquanto isso, deve ser uma peça de tecnologia criada pelos seres (possivelmente descendentes de seres humanos) que vivem na dimensão espacial extra, o "volume". Essa idéia de uma dimensão espacial extra-extensa é baseada em uma teoria física real, a Modelo Randall-Sundrum- veja minha discussão em esta resposta para mais detalhes. O tesseract tem a forma de um quadridimensional hipercubo (é o que a palavra 'tesseract' significa, de fato), então cada uma de suas "faces" é um cubo 3D, assim como cada face de um cubo 3D é um quadrado 2D. Polegada. 29 Thorne descreve como o tesseract pode "encaixar" uma de suas faces em nosso espaço comum 3D, que na teoria de Randall-Sundrum é um 3D brane sentado no espaço 4D do volume (para qualquer pessoa familiarizada com a clássica história de "ficção matemática" Flatland, Acho que esse encaixe de uma estrutura de dimensão mais alta com o nosso espaço deve ser análogo ao modo como a esfera 3D foi capaz de se materializar no universo 2D, tendo uma de suas seções transversais no plano 2D). Além disso, no final do cap. 28, Thorne indica que Cooper entrou no ato do tesserato em um ponto ao longo da singularidade de voo (o fato de ele e o TARS terem passado pela singularidade de vôo era necessário para o enredo, pois isso lhes permitiu reunir os "dados quânticos" sobre a singularidade - a outra resposta que eu vinculei acima também discute isso). Citando ch. 28:

In my science interpretation, as the Ranger nears the outflying singularity, it encounters mounting tidal forces. Cooper ejects just in the nick of time. Tidal forces tear the Ranger apart. Visually, it splits in two.

At the singularity's edge the tesseract awaits Cooper—placed there, presumably, by bulk beings

Aparentemente, o tesseract é capaz de desconectar e deixar essa região do espaço 3D, viajar através do volume e, mais tarde, se conectar ao quarto de Murph no passado. Polegada. 29, Thorne diz:

In my interpretation of the movie, the tesseract ascends from the singularity into the bulk. Being an object with the same number of space dimensions as the bulk (four), it happily inhabits the bulk. And it transports three-dimensional Cooper, lodged in its three-dimensional face, through the bulk.

Now, recall that the distance from Gargantua to Earth is about 10 billion light-years as measured in our brane (in our universe, with its three spatial dimensions). However, as measured in the bulk, that distance is only about 1 AU (the distance from the Sun to the Earth) ... So, traveling with whatever propulsion system the bulk beings provided, the tesseract, in my interpretation, can quickly carry Cooper across our universe, via the bulk, to Earth.

...

To match what is shown in the movie, I imagine this trip is very quick, just a few minutes, while Cooper is still dazed and falling. As he comes to rest, floating in the large chamber,the tesseract docks besides Murph's bedroom.

...

The back face of the tesseract coincides with Murph's bedroom. I'll explain that more carefully. The back face is a three-dimensional cross section of the tesseract that resides in Murph's bedroom in the same sense as the circular cross section of a sphere resides in a two-dimensional brane

Agora, mesmo que exista uma dimensão em massa extra, na realidade, como postulado pela teoria de Randall-Sundrum, não sei se seria fisicamente possível que algo deixasse nosso espaço 3D de um ponto dentro do horizonte de eventos de um buraco negro e escapar completamente do buraco negro. As teorias que envolvem uma dimensão "global" dizem que a força gravitacional pode viajar de objetos no espaço 3D para o interior do volume (enquanto outras forças como a força eletromagnética devem estar confinadas ao nosso espaço 3D); portanto, qualquer coisa no interior ainda deve ser afetado pela gravidade e talvez isso significasse que o horizonte de eventos se estenderia até o interior do buraco, de modo que saltar para dentro do interior do buraco negro não permitiria que algo escapasse do horizonte de eventos do buraco negro (embora eu tenha encontrado Neste artigo dizer que os físicos tiveram dificuldade em descrever como os buracos negros funcionariam na teoria de Randall-Sundrum, portanto pode ser uma questão em aberto). Mas, como Thorne disse especificamente que o tesseract estava em contato com a singularidade em si quando captou Cooper, isso significaria que a gravidade quântica poderia estar envolvida na sua descolagem do espaço 3D, portanto, sem uma teoria da gravidade quântica, não poderíamos diga com certeza se seria possível escapar de um buraco negro nesse ponto. Se você quer imaginar uma maneira de escapar de um buraco negro no contexto de uma história especulativa de ficção científica que está apenas tentando não violar explicitamente quaisquer princípios físicos conhecidos, apelar para os mistérios da gravidade quântica parece um caminho razoável.

Quanto à sua segunda pergunta sobre por que Cooper ainda não estava se movendo em alta velocidade dentro do tesseract, isso não é explicitamente abordado por Thorne, mas talvez tenha sido projetado para que a parte que cruza nosso espaço 3D possa corresponder as velocidades com a desejada. objeto nesse espaço. Isso é sugerido pelo fato de o tesseract ter sido ancorado permanentemente no quarto de Murph, mesmo que o quarto estivesse na superfície de um planeta em rotação e em órbita, e também que Cooper foi capaz de interagir com Amelia Brand em uma cena posterior, dando ela é um "aperto de mão". Assim, poderíamos imaginar que, dentro do buraco negro, a interseção do tesserato com o espaço 3D se movia ao longo de um curso que não apenas o levaria a encontrar Cooper exatamente na singularidade de voar, mas também levaria a sua velocidade ser aproximadamente igual à de Cooper em naquele momento (embora não seja perfeitamente compatível, já que Thorne diz na citação acima que Cooper continuou caindo por um tempo dentro do tesserato antes de "descansar"). Como alternativa, uma vez que os seres em massa deveriam ter dominado o controle da gravidade (novamente veja esta resposta meu para obter detalhes), talvez eles tenham usado isso para ajustar a velocidade dele depois que ele entrou no tesseract.

E para a sua terceira pergunta, dois observadores que caem em um buraco negro podem de fato continuar trocando sinais à medida que caem. Se você quer apenas uma confirmação, isso é verdade, consulte esta página pelo físico Andrew Hamilton sobre a experiência de alguém caindo no horizonte de eventos, que diz: "As pessoas que parecem estar dentro da bolha de Schwarzschild passaram dentro do horizonte do buraco negro. Se estiverem suficientemente próximas de nós, podemos nos comunicar com elas, mas eles devem estar próximos, pois não resta muito tempo antes de atingirmos a singularidade central, não resta muito tempo para os sinais de luz viajarem entre nós ". Mas se você quiser entender porque Nesse caso, dei minha própria explicação conceitual para isso em esta resposta na troca de pilhas físicas - como eu disse lá, acho que o problema é mais fácil de entender se você usar um diagrama de espaço-tempo "conforme" como um Diagrama de Penrose ou um Diagrama de Kruskal-Szekeres. Nesses diagramas, o tempo é mostrado no eixo vertical e a dimensão do espaço radial é mostrada na horizontal, e qualquer coisa que se mova na velocidade da luz será representada como uma linha reta inclinada graus 45 da verícula. Da mesma forma, o linha do mundo de qualquer objeto que se mova mais devagar que a luz (ou seja, a linha ou curva que mostra sua posição em função do tempo) sempre terá uma inclinação mais próxima da vertical do que os graus 45. A chave para entender por que você não pode escapar do horizonte de eventos depois de atravessá-lo é que é tb representado como uma linha reta a graus 45 a partir da vertical - portanto, no sistema de coordenadas em que o diagrama se baseia, o horizonte de eventos está se movendo para fora na velocidade da luz, portanto, quando você estiver dentro dele, não haverá como ultrapassá-lo e sair de novo, a menos que você possa se mover mais rápido que a luz. Mas não há problema em mudar de direção e voltar na direção "externa" ou enviar um sinal de luz na direção externa para se comunicar com um amigo que está caindo ao seu lado. Esta resposta para outra pergunta de John Rennie inclui um diagrama de Kruskal-Szekeres de um objeto em queda enviando sinais de luz na direção interna e externa enquanto estiver dentro do horizonte de um buraco negro não rotativo:

Como observado, a linha pontilhada é o horizonte de eventos e a linha azul é a linha mundial de um observador caindo, e as duas linhas rosa são sinais de luz enviados nas duas direções. Tanto o observador quanto os dois sinais de luz atingirão inevitavelmente a singularidade representada pela curva vermelha, mas antes disso, se você imaginar uma segunda curva azul ao lado da primeira representando um segundo observador caindo ao lado da primeira, não haveria problema com eles trocando mais alguns raios de luz rosa antes e depois da singularidade.

Lembro que Cooper ou TARS disseram algo sobre serem salvos do buraco negro pelos seres superiores.

Eu não consegui encontrar um script, então não posso apontar você diretamente para o diálogo, mas se você assistir a cena no tesseract em que eles começam a conversar, um deles diz algo como "Eles construíram este lugar em suas dimensão superior e nos trouxe aqui. Eles nos salvaram. "

Isso significa que Cooper e TARS nunca chegaram ao buraco negro ou foram simplesmente extraídos e transportados para o tesseract antes de serem esmagados.

O que sabemos com certeza é que o tesseract não estava dentro do buraco negro, por isso não foi destruído e ainda conseguiu se comunicar.