فیلم میان ستاره ای (Interstellar) ساخته کریستوفر نولان فیلمی علمی-تخیلی است که داستان آن در زمانی از آینده رخ می دهد که زمین دچار طوفان های سختی می شود که در نتیجه آن محصولات کشاورزی کم کم از بین می روند و در نتیجه حیات بر روی کره زمین به خطر افتاده است. قهرمان اصلی داستان مردی است به نام کوپر که زمانی فضانورد ناسا بوده و اکنون به کشاورزی مشغول است. در اتاق دختر کوچکش، مورفی، کتاب ها خود به خود از قفسه ی کتاب می افتند و مورفی تصور می کند که شبحی در اتاقش است. اما یک روز پس از گرد و غبار شدیدی در شهر وقتی کوپر و خانوده اش به خانه پناه می آورند مورفی به خاطر می آورد که پنجره اتاقش را نبسته، او و پدرش بلافاصله به اتاق می ر
وند و چیز عجیبی مشاهده می کنند. خاک هایی که وارد اتاق مورفی شده اند بر روی زمین به شکل موج پخش شده اند. کوپر بلافاصله درمی یابد که این امواج در نتیجه یک ناهنجاری گرانشی به وجود آمده اند. (امواج گرانشی یکی از پیش بینی های نظریه نسبیت عام است، بر طبق این نظریه هرگاه جرمی در فضا تغییر مکان دهد و یا دارای حرکت شتابدار باشد، مانند سنگی که در برکه آبی انداخته می شود، در فضا و زمان موج ایجاد می کند. این امواج نخستین بار توسط ریاضیدان فرانسوی پوآنکاره (1905) پیشنهاد شدند و نظریه نسبیت عام (1916) وجود آن ها را پیش بینی کرد و صد سال بعد این امواج توسط آشکار ساز Ligo آشکارسازی شد. در سال 2017 جایزه نوبل به چند فیزیکدان که در این پروژه مشارکت داشتند تعلق گرفت که از جمله آنان کیپ تورن فیزیکدان آمریکایی بود که مشاوره علمی این فیلم را بر عهده داشت.)
کوپر از این امواج مختصات جغرافیایی مکانی را پیدا می کند که معلوم می شود محل اختفای ناسا است. دانشمندانی در آن جا یک کرم چاله را در فضا رصد کرده بودند. (کرم چاله مفهومی است که نمایشگر یک جواب نابدیهی از معادلات انی
شتین است. کرم چاله تونلی در فضا-زمان است که دو نقطه مختلف را به هم متصل می کند. این دو نقطه می توانند دو نقطه از فضا باشند و یا دو نقطه از زمان. برای تصور کرم چاله فرض کنید فضا-زمان یک رویه ی 2-بعدی است و بنابراین یک کرم چاله سوراخی در این رویه در فضای 3-بعدی است. یک کرم چاله واقعی دو کره ی 3-بعدی را به هم متصل می کند. بنابراین یک کرم چاله می تواند دو نقطه را که میلیون ها سال نوری از هم فاصله دارند، به هم وصل کند. جالب است بدانید که ایده کرم چاله ها اولین بار توسط ریاضیدان آلمانی هرمان وایل (1928) مطرح شد و پس از آن فیزیکدان نظری جان ویلر (1957) با الهام از کار وایل از این واژه و مفهوم استفاده کرد.)
عده ای از دانشمندان ناسا در سفری بی بازگشت وارد این کرم چاله شده بودند و چند نفر از آن ها توانسته بودند سیارهایی پیدا کنند که شرایطی مشابه به زمین دارند. اما می بایست تعدادی دیگر به فضا رفته و درمی یافتند که کدام از این موقعیت ها مناسب زندگی است. کوپر همراه چند تن دیگر آماده رفتن به این سفر می شوند. اما این موضوع مورفی را که دوری پدر برای او بسیار سخت بود، عصبی و پریشان می کند و به هیچ یک از پیام های پدرش از فضا پاسخی نمی دهد.
سفینه کوپر از کرم چاله عبور می کند. تنها سه امکان قابل بررسی بود. این سیارات در نزدیکی یک سیاهچاله به نام گارگنچوا قرار داشتند. (سیاهچاله ناحیه ای از فضا-زمان است با اثرات گرانشی بسیار قوی که حتی نور هم نمی تواند از دام گرانش آن فرار کند. نظریه نسبیت عام پیش بینی می کند که یک جرم به قدر کافی فشرده می تواند فضا-زمان را به یک سیاهچاله تبدیل کند. شعاعی از سیاهچاله که هیچ چیز نمی تواند از آن فرار کند افق رویداد نامیده می شود.)
یکی از این سیارات به قدری به سیاهچاله نزدیک بود که اتساع شدید زمان در آن جا اتفاق می افتاد، به این معنا که یک ساعت روی سطح سیاره معادل هفت سال بر روی زمین بود. کوپر همراه دونفر دیگر روی سیاره فرود می آیند، اما حادثه ای پیش می آید و به ناچار زمان طولانی تری بر روی سیاره می مانند. زمانی که آن ها به سفینه برمی گردند 23 سال بر افراد سفینه گذشته است. (طبق نظریه نسبیت گرانش باعث کش آمدن زمان می شود.) به دلیل کم شدن سوخت سفینه تنها به یکی از دو سیاره ی باقی مانده می توانند بروند، که بعد از رفتن به آن جا متوجه می شوند که آن جا هم قابل سکونت نیست. در آن سیاره کوپر با دانشمندی که در آن سیاره سکونت داشت درگیر می شود و در نتیجه آسیب جدی به سفینه وارد می شود. سرانجام کوپر موفق می شود سفینه را نجات دهد، اما تا این لحظه آنان هیچ موفقیتی به دست نیاورده بودند. کوپر که به تنها چیزی که می اندیشد نجات آینده فرزندانش است، تصمیم می گیرد وارد افق رویداد سباهچاله شود تا به اطلاعات دست پیدا کند.
بر روی زمین مورف جوان، که اکنون همسن پدرش است، به عنوان یکی از دانشمندان ناسا به پروفسور برند، مسئول این پروژه، در حل معادله ای کمک می کند که ایجاد یک ایستگاه فضایی عظیم از طریق گرانش را ممکن می سازد تا انسان های روی زمین به آن جا منتقل شوند. اما پروفسور در زمان مرگش به مورف می گوید که پروژه فضا هرگز موفق نمی شود و این معادله قابل حل نیست و او روی نقشه دومی سرمایه گذاری کرده و آن استفاده از جنین بارور بوده که به فضا فرستاده تا بر روی یک سیاره قابل سکونت نسل بشر از ابتدا آغاز شود. اما مورف دست از تلاش برنمی دارد و اعتقاد دارد که می توان این معادله را با اطلاعاتی که از تکنیگی یک سیاهچاله ممکن است بدست آیند حل کرد.
کوپر که وارد افق رویداد شده، در آن جا زمان را به عنوان یک بعد فضایی می بیند و اتاق مورفی را در تمام لحظات می تواند ببیند. او از طریق امواج گرانش اطلاعات تکینگی گرانش را به صورت کد به ساعت مورف ارسال می کند و مورفی به کمک آن حل معادله برند را کامل می کند. (علم در اینجا سکوت می کنه :))
(گارگنچوا، سیاهچاله ی این فیلم، یک سیاهچاله Kerr است. یک سیاهچاله ی Kerr سیاهچاله ی بدون باری است که حول یک محور در حال چرخش است.
این سیاهچاله جواب معادلات انیشتین تحت این شرایط است که اولین بار توسط ریاضیدان نیوزلندی Roy Kerr داده شده است. احتمالا بیشتر سیاهچاله های طبیعت از این نوع باشند زیرا ستاره های نوترونی- که سیاهچاله بعد از مرگ این نوع ستاره ها تشکیل می شوند- چرخان هستند اما بار کلی آن ها صفر است.
شکل روبه رو گارگنچوا در فیلم است. دیسکی افقی همان قرص برافزایشی است ، جایی که ماده در نتیجه گرانش شروع به چرخش حول سیاهچاله می کند. و علت درخشش آن اینست که بسیار داغ است. حلقه اطراف سیاهچاله در نتیجه خمش نور ناشی از قرص برافزایشی، بواسطه گرانش سیاهچاله است. (برپایه معادلاتی که کیپ تورن آماده کرده بود، این شبیه سازی انجام شد که حاصل آن دو مقاله یکی برای انجمن اختر فیزیک و یکی برای انجمن گرافیک کامپیوتر بود.)
نظیر این پدیده هنگامی که منبع نوری در فاصله بسیار دوری در پشت سیاهچاله، نسبت به زاویه دید ما، قرار دارد دیده می شود:
داخل افق رویداد یک سیاه چاله نقش فضا و زمان باهم جابه جا می شود. از نظر تئوری می توان از داخل یک سیاهچاله Kerr خارج شد اما ممکن است وارد یک فضای دیگر شد، فضای منفی!
نمودار زیر نمودار پنروز یک سیاهچاله Kerr را نشان می دهد. خط آبی پررنگ نشان دهنده مسیری است که یک ناظر از جهان 1 وارد افق رویداد سیاهچاله شده، بدون برخورد به تکینگی دوباره از افق رویداد خارج می شود و وارد یک جهان دیگر می شود.)
مراجع:
https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_wave
https://en.wikipedia.org/wiki/Wormhole
https://en.wikipedia.org/wiki/Black_hole
https://en.wikipedia.org/wiki/Event_horizon
https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_time_dilation
https://en.wikipedia.org/wiki/Neutron_star
https://en.wikipedia.org/wiki/Accretion_disk
http://www.daviddarling.info/encyclopedia/K/Kerr_black_hole.html
