Fiziko akimis: ar itin tikroviškais vadinamuose filmuose „Gravitacija“ ir „Marsietis“ mokslinė fantastika išties atitinka fizikos dėsnius?

Mokslinės fantastikos kūriniai dažnai daro didelį įspūdį, ypač kai išties atrandamos sąsajas su realybe. XIX amžiaus viduryje rašytojai, susižavėję mokslo ir technologijų pažanga, plėtė savo vaizduotę į sunkiai įsivaizduojamą ateities futuristinį pasaulį. Laikas parodė, kad technologijos turi savo kelią, nepriklausantį nuo menininkų vaizduotės, nors kai kurios fantastų pranašystės iš tiesų išsipildė. Kur meno kūriniuose baigiasi fantastika ir prasideda realybė?

Paskutiniu metu pasirodo mokslinės fantastikos filmų, kurie siekia žiūrovui perteikti kuo realesnius įvykius ir reiškinius, neva vykstančius nežemiškoje realybėje. Tokių filmų pavyzdžiai yra „Gravitacija“ (rež. Alfonso Cuaronas, 2013) ir „Marsietis“ (rež. Ridley Scottas, 2015), kurie buvo reklamuojami kaip itin realistiški.

Ar išties jie tokie? Ką apie šiuos filmus galėtų pasakyti fizikai? Kūrėjai išties vaizduoja realybę ar dėl efekto įspūdžio aukoja tiesą? Išanalizuoti atskirus filmų fragmentus ir įvertinti, kiek faktinės tiesios galime rasti šiuose filmuose, ėmėsi Kauno technologijos universiteto Matematikos ir gamtos mokslų fakulteto (KTU MGMF) taikomosios fizikos ketvirtakursis Tomas Klinavičius.

Kosminės šiukšlės ir jų keliamas pavojus – realus

Filmo „Gravitacija“ siužetas prasideda lyg didėjanti kosminių šiukšlių audra, kilusi po palydovo sunaikinimo raketa. Tiek šios audros atsiradimas, tiek jos didėjimas yra tikri įvykiai. Kosminės šiukšlės yra įvairaus dydžio dirbtinių kosmose esančių objektų, pvz., kosminių palydovų nuolaužos arba net ištisi neveikiantys palydovai, kurių dydis siekia nuo milimetro iki kelių metrų.

2007 metais Kinijos vykdytas antipalydovinio ginklo bandymas sukūrė daugiau nei keliasdešimt tūkstančių kosminių šiukšlių, kurios galėjo pažeisti kitus palydovus. Kosminės šiukšlės gali atsirasti ir savaime, dėl orbitoje visuomet esančio ir neišvengiamo mažų, kosmose esančių, natūralios kilmės uolinių dalelių poveikio. Didžiausia kosminių šiukšlių problema ta, kad dėl mažo Žemės atmosferos tankio jos gali išlikti šimtmečius, o efektyvių pašalinimo būdų kol kas nerasta.

Kitas filme teisingai pavaizduotas kosminių šiukšlių aspektas – jų keliamas pavojus. Visi orbitoje aplink Žemę esantys objektai skrieja bent 8 km/s greičiu, tačiau jų orbitos viena kitos atžvilgiu gali būti orientuotos įvairiai. Dėl šio orientacijų skirtumo ir didžiulio greičio viena orbita skriejančio kūno greitis gali projektuotis į kitą orbitą reikšmingu didumu: vos 2,5⁰ orbitų susikirtimo kampas reiškia, kad orbitomis skriejantys objektai susidurs garso greičiu. Didėjant susidūrimo kampui, susidūrimo greitis tik didės.

Taigi šios šiukšlės juda taip greitai, jog jų artėjimo akimi pamatyti neįmanoma, priešingai nei vaizduojama filme. Lėkdamos tokiais didžiuliais greičiais net ir mažos (mažesnio negu 1 mm diametro) dalelės gali pridaryti daug žalos – perkirsti kelių milimetrų storio aliuminio skardą, įskelti skafandrų stiklą. Didesnės dalelės pridarytų daugiau žalos.

Palyginimui: 1 g masės dalelė, judanti pirmu kosminiu greičiu, turi tiek pat energijos, kiek paleistas 1 tonos akmuo iš maždaug 3 metrų aukščio. Laimei, didžioji dali energijos susidūrimu metu pereina į šiluminę energiją, bet tai nereiškia, kad nebus padaryta didelė žala. Tai, jog didžiulė tokių ir žymiai didesnių šiukšlių galėtų į šipulius paversti ištisą kosminę stotį, yra išties įmanoma.

Be antveidžių realybėje neišbūtų nė 2 sekundžių

Astronautų skafandrai šiame filme buvo vaizduojami dvejopai – kai kurie aspektai buvo pavaizduoti labai tiksliai, o kiti – klaidingai. Skafandrų išorė ir veikimas buvo atvaizduoti tiksliai, išskyrus vieną aspektą: astronautai nedėvėjo nuo Saulės apsaugančių paauksuotų antveidžių.

Šie antveidžiai reikalingi tam, kad astronautų akys būtų apsaugotos nuo infraraudonosios, ultravioletinės ir intensyvios regimosios spinduliuočių, kurios kosmose yra ypač stiprios. Realybėje be šių antveidžių astronautai apaktų vos per kelias sekundes.

Netikslumų buvo ir skafandrų viduje: filme rodoma, kad po skafandru astronautai yra apsivilkę paprastus drabužius, tačiau realybėje po išoriniu skafandro sluoksniu yra kitas, „aptarnavimo“ sluoksnis, kuris atsakingas už astronauto šildymą ir vėsinimą, komunikacijos, perspėjimo bei deguonies kontrolės sistemas, be kurių astronautai mirtų nuo perkaitimo.

Astronautų judėjimas kosmose buvo pavaizduotas ganėtinai tiksliai. Kadangi skafandras yra pripildytas dujų, kurių slėgis žymiai didesnis nei aplinkos, skafandras priešinasi jo sukeliamai deformacijai – dėl to astronautams yra sunku pilnai sulenkti galūnes ar pirštais sugauti smulkius erdvėje skriejančius daiktus.

Pats skafandras yra storas, todėl jo paties deformavimui sukelti taip pat reikia jėgų. Dėl šios priežasties astronautų judesiai kosmose yra lėtesni negu būtų Žemėje. Filme teisingai pavaizduota nesvarumo būsena – iš rankų paleisti daiktai lieka plūduriuoti ore. Kadangi tiek daiktų, tiek astronautų judėjimui nėra jokio stabdymo, net mažiausias krustelėjimas sukuria ilgai išliekantį judesį, tad astronautai ir juos supantys daiktai beveik niekada nebūna ramybės būsenoje.

Didžiausi „Gravitacijoje“ pastebimi netikslumai

Priešingai nei vaizduojama filme, viskas, kas sukasi apie Žemę, nėra taip glaudžiai išsidėstę, kad būtų matoma kartu lyg ant delno, kadangi skiriasi orbitų aukščiai virš Žemės, orbitų posvyriai vienas į kitą bei kiti orbitiniai parametrai.

Pavyzdžiui, Hablo teleskopas skrieja maždaug 560 km virš Žemės paviršiaus, o Tarptautinė kosminė stotis – 420 km virš Žemės. Be to, tarp abiejų orbitų taip pat yra posvyris. Tai reiškia, kad net ir esant didžiausiam galimam šių objektų suartėjimui, atstumas tarp jų būtų maždaug 140 km, o dažniausiai jis siektų kelis šimtus ar net tūkstančius kilometrų. Todėl esant prie vieno plika akimi pamatyti kitą yra bemaž neįmanoma.

Ilgos kelionės kosmose yra žymiai sudėtingesnės negu Žemėje, kadangi keliaujama tarp vienas kito atžvilgiu judančių objektų, todėl išvykstant reikia taikytis ne į ten, kur objektas yra dabar, o į ten, kur bus po tokio laiko, kiek truks kelionės. Net ir nedidelis pradinio greičio krypties nuokrypis dėl didelių tarpusavio nuotolių reikštų, kad į kelionės tikslą galima nepataikyti per kelis kilometrus. Taip pat pakeliui gali prireikti pakoreguoti kursą, kas irgi eikvoja degalus. Trumpai tariant, su nedideliu kuro kiekiu ir taikymusi „iš akies“ tokia kelionė būtų pasmerkta žlugti nuo pat pradžių.

Vienas didžiausių netikslumų filme buvo astronautų sustojimas Tarptautinėje kosminėje stotyje. Šioje scenoje abu astronautai sujungti virve stengiasi sustabdyti save įsikibdami į kosminę stotį. Vienam iš astronautų pavyksta, tačiau jiems sustojus kitas astronautas turi herojiškai atsikabinti nuo virvės, jog į pražūtį nenusitemptų abiejų. Realybėje, jei astronautai jau sustojo, reiškia, kad kinetinės energijos jie nebeturi ir nedidelis virvės timptelėjimas juos sugrąžintų atgal į kosminę stotį.

Kitas didelis netikslumas vyko netrukus po minėtos scenos – kosminės stoties liuko atidarymas iš atviro kosmoso, kuomet kosminės stoties modulyje yra atmosferinis slėgis. Atmosferos slėgis yra ~100000 N/m², ir tai reiškia, kad 1 m² ploto stoties durys būtų slegiamos 100000 N jėga.

Palyginimui: tai būtų tas pats, kas Žemėje spausti 10000 kg mase (10 tonų), prilygstančia maždaug dviem afrikiniams drambliams. Filme vaizduojama, kad žmogus, atsidarius liukui, nors ir sunkiai, bet išsilaiko. Deja, joks žmogus negalėtų įsikibti į tokį liuką ir išlikti įsikibęs jam atsidarant, kai viduje yra toks slėgis – jis būtų tiesiog nublokštas.

„Marsietis“ – dauguma faktų atitinka realybę

Filme „Marsietis“ vienas iš pirmųjų vaizduojamų reiškinių yra dulkių audra. Filme sakoma, kad jos vėjo greitis yra 190 km/h, kas išties atitinka 4 kategorijos uraganą Žemėje, kurios atmosferos slėgis yra ~100 000 Pa. Marso atmosfera yra ~600 Pa slėgio (0,6 proc. Žemės atmosferos slėgio arba, kitaip tariant, 167 kartus retesnė atmosfera).

Tai reiškia, kad vėjo pernešama energija Marse būtų žymiai mažesnė nei tokio paties vėjo Žemėje, ir jis nebūtų galėjęs sukelti tokios žalos kaip pavaizduota filme. Kita vertus, Marso atmosferos temperatūra pavaizduota tiksliai – vidutinė atmosferos temperatūra yra ~-63⁰C, tad iškart suledėjantys augalai – visiškai realus įvykis.

Erdvėlaivis, kurį astronautai naudoja kelionei tarp Marso ir Žemės, yra tikroviškas – atsižvelgta į realioje kelionėje galinčias iškilti problemas, pavyzdžiui, astronautų kūnų atrofiją dėl nejuntamos Žemės traukos.

Taip pat teisingai nusakomi ir visi praleidžiami laiko intervalai, pavyzdžiui, skrydžių trukmės ir laikas, kurį sugaišta komunikacijos signalai keliaujantys didžiulius nuotolius tarp planetų šviesos greičiu. Kelionė iš Žemės į Marsą daugeliui zondų užtrunka 200-300 parų, komunikacijos signalas sugaišta nuo 3 (mažiausias atstumas tarp planetų) iki 22 minučių (didžiausias atstumas).

Nusileidus planetoje, astronautai patirtų ~40 proc. Žemėje patiriamos traukos. Žinoma, tai yra ~2,5 karto daugiau negu NASA astronautai patyrė būdami ant Mėnulio paviršiaus (16 proc.), todėl astronautai filme negalėtų šokinėti taip lengvai kaip buvo vaizduojama. Filmo pabaigoje vykstantis pakilimas nuo Marso paviršiaus taip pat vaizduojamas teisingai – atsižvelgiama į Marso atmosferos mažą tankį ir tai, kad oro pasipriešinimas yra proporcingas greičiui, palengvina pakilimui naudojamą erdvėlaivį ir padeda pasiekti geresnį pakilimo aukštį.

Vis dėlto vienas dalykas nėra tikslus – pagrindinio veikėjo skraidymas naudojant skafandre esantį suslėgtą orą prakiurdžius pirštinę. Filme tai vaizduojama kaip nesudėtingai ir tiksliai valdomas procesas, tačiau realybėje astronautas būtų tik pasiklydęs kosmose.

Dar mokykloje yra mokoma, kad mechaninis kūnas gali patirti postūmį tik tada, kai jį veikianti jėga savo kryptimi eina per kūno masės centrą, o visais kitais atvejais kūnas gali patirti tik sukimą, bet ne postūmį. Yra žinoma, kad žmogaus masės centras yra maždaug pilvo – krūtinės ląstos srityje. Tai reiškia, kad astronautui, norint patirti postūmį, skylė skafandre turėtų būti prakirsta maždaug toje vietoje.

Yra ir kitas būdas pasiekti postūmį net ir prakirtus skylę rankos pirštinėje – skylę reikėtų pakreipti taip, kad išeinančio oro kryptis sutaptų su linija, einančia per kūno masės centrą. Visais kitais atvejais astronautas tik labai greitai suksis vietoje, kas automatiškai dar papildomai sutrikdys jo koordinaciją.

Šie filmai iliustruoja tai, kad šiais laikais mokslo fantastikos atskiri žanrai siekia ne tik nustebinti žiūrovus futuristinėmis technologijomis, specialiaisiais efektais, nerealiais kvapą gniaužiančiais pasauliais ir būtybėmis, bet ir nori maksimaliai priartinti įvykius, vykstančius fantastiniame filme, prie realybės, siekdami didesnės įtaigos. Per didelė fantastikos dozė žiūrovui gali pasirodyti įtartina ir nebeįdomi. Minėtuose filmuose yra pakankamai realistiškai atvaizduoti įvykiai, bet vis dėlto – ne viską reikėtų priimti už gryną pinigą, o vertinti kritiškai.