Пандора з «Аватара»: справжня наука летючих гір

Коли «Аватар» вийшов у 2009 році, він став найкасовішим фільмом в історії, а його візуальні образи — особливо летючі гори Аллілуя Пандори — захопили уяву глядачів у всьому світі. Пояснення в межах всесвіту фільму, запропоноване сценарієм, полягає в тому, що ці гори містять багаті родовища «унобтанію» — надпровідника за кімнатної температури, настільки цінного, що людство подолало 4,37 світлового року, щоб видобувати його на населеному супутнику.

Ця назва — навмисний жарт: «unobtainium» — інженерний сленг для будь-якого матеріалу з неможливо ідеальними властивостями. Але механізм, який Кемерон обрав для своїх летючих гір, у певних межах справді ґрунтується на фізиці. Надпровідність за кімнатної температури залишається однією з найактивніше досліджуваних цілей матеріалознавства, і якби її було досягнуто, магнітна левітація в масштабах, зображених у фільмі, була б фізично можливою.

Ефект Мейснера: як насправді левітують надпровідники

Надпровідність відкрив Хейке Камерлінг-Оннес у 1911 році. Нижче критичної температури певні матеріали зазнають фазового переходу, при якому їхній електричний опір падає точно до нуля. Струм тече крізь них без втрат. Уже це було б вражаючим. Але надпровідники мають другу, не менш вражаючу властивість: вони витісняють усі лінії магнітного поля зі своєї внутрішньої частини. Це ефект Мейснера, і він відрізняється від ідеального діамагнетизму — це активний процес, а не просто відсутність проникнення поля.

Саме ефект Мейснера уможливлює магнітну левітацію. Коли надпровідник розміщують у зовнішньому магнітному полі, він генерує поверхневі струми, які ідеально компенсують поле всередині матеріалу. Взаємодія між зовнішнім магнітом і цими індукованими струмами створює силу відштовхування. За достатньо сильного зовнішнього поля та надпровідника з достатньо високою критичною температурою сила відштовхування може подолати гравітацію. Це неодноразово демонстрували в лабораторіях по всьому світу за допомогою надпровідників з ітрій-барій-мідного оксиду (YBCO), охолоджених рідким азотом, і потужних постійних магнітів із рідкоземельних елементів.

Поточний світовий рекорд надпровідності за атмосферного тиску становить приблизно -23°C — холодно за людськими мірками, але напрочуд тепло за мірками цієї галузі, яка історично вимагала охолодження майже до абсолютного нуля. Кілька дослідницьких груп повідомляли про надпровідність за кімнатної температури у водневмісних сполуках під екстремальним тиском, хоча відтворення результатів залишається предметом суперечок. Справжня надпровідність за кімнатної температури й атмосферного тиску залишається недосяжною — але жоден відомий закон фізики її не забороняє.

На Пандорі інтенсивне магнітне поле планети — прямо закладене у світобудову фільму — забезпечує необхідне зовнішнє поле. Гори, багаті на унобтаній, діючи як масивні надпровідники, витісняються з цього поля й левітують. Фізика тут коректна в принципі. Єдиний вигаданий елемент — сам матеріал.

Приливне захоплення та екзотичне середовище Пандори

Пандора — супутник Поліфема, газового гіганта в системі Альфа Центавра. Ця орбітальна конфігурація астрофізично правдоподібна — кілька екзосупутників газових гігантів було виявлено або вважається ймовірним — і вона несе реальні фізичні наслідки, з якими фільм упорався краще, ніж більшість наукової фантастики.

Приливне захоплення відбувається, коли гравітаційний градієнт уздовж тіла на орбіті сповільнює її обертання, доки один бік не буде постійно повернутий до батьківського тіла. Наш власний Місяць приливно захоплений Землею — ми завжди бачимо лише один його бік. Супутник, подібний до Пандори, що обертається навколо масивного газового гіганта на близькій відстані, зазнавав би інтенсивних приливних сил, генеруючи внутрішнє тепло через приливне тертя (аналогічно тому, як супутник Юпітера Іо є найбільш вулканічно активним тілом Сонячної системи). Отримане магнітне середовище, інтенсивні радіаційні пояси та драматичний приливний вигин суттєво формували б геологію та клімат супутника.

Біолюмінесценція Пандори — можливо, найяскравіший візуальний елемент фільму — і вона повністю ґрунтується на земній біології. Біолюмінесценція незалежно виникала на Землі понад 40 разів. Її можна знайти у динофлагелятів (що спричиняють світіння синіх хвиль, які іноді можна побачити в тропічних морях), глибоководних риб, зокрема вудильників, медуз, світлячків і деяких видів грибів. Механізм зазвичай включає світлопродукуючу хімічну реакцію між субстратом (люциферином) і ферментом (люциферазою). Немає фізичної причини, чому б цілий біом не міг еволюціонувати, щоб виражати біолюмінесценцію як основний спосіб сигналізації — особливо у світі, де хімічна комунікація між організмами закладена як фундаментальна для екології.

Нейроінтерфейс «цахейлу» — здатність На'ві поєднуватися з іншими формами життя через фізичний зв'язок — не має наукового обґрунтування в тому вигляді, як представлений. Однак він нагадує реальне й захопливе явище: мікоризну мережу, яку іноді називають «дерев'яним інтернетом» (wood wide web). Грибкові мережі в лісових ґрунтах справді з'єднують дерева, дозволяючи передавати воду, вуглець і сигнальні хімічні речовини між неспорідненими особинами. Бачення фільмом планетарної біологічної мережі, попри всю фантастичність у деталях, спирається на реальну екологію.

Висновок: наукова фантастика зроблена правильно

Найбільше наукове досягнення «Аватара» полягає в тому, що його центральна візуальна ідея — летючі гори — є результатом застосування справжньої фізики до вигаданого матеріалу. Багато науково-фантастичних фільмів роблять навпаки: використовують реальні явища як прикрасу, тоді як їхні основні концепції порушують базову фізику. Кемерон і його наукові консультанти працювали над тим, щоб надати Пандорі внутрішньо узгоджені правила, навіть якщо ці правила вимагали екзотичних припущень.

Найтривкіша спадщина «Аватара», можливо, полягає не в касових рекордах чи конвеєрі візуальних ефектів, а в питаннях, які він посіяв у мільйонах умів: чи міг би супутник мати летючі гори? Чи міг би цілий біом світитися? Чи могло б життя на іншому світі бути з'єднаним у планетарному масштабі? Усі ці питання мають серйозний науковий вимір. Фільм не дав на них відповіді — але він змусив людей захотіти їх поставити, а це найкраще, що може зробити наукова фантастика.