Dwaj licealiści pokazują, jak światło wariuje wokół czarnej dziury – konkurs naukowy E(x)plory

Jakub Szewczyk i Grzegorz Uriasz Fot. E(x)plory

Czarne dziury i przedziwny bieg promieni światła wokół nich – tym zajmują się dwaj licealiści z Poznania, którzy w tym roku zwyciężyli w  konkursie naukowym E(x)plory. Jakub Szewczyk i Grzegorz Uriasz opracowali program, który pozwala na proste symulowanie zachowania światła w powykrzywianej przez grawitację przestrzeni.

Chcieliśmy ukryć całą warstwę matematycznej abstrakcji i operować na prostych, intuicyjnych obrazach – tłumaczyli nam podczas prezentacji prac laureaci – Na początku próbowaliśmy  po prostu zrozumieć ogólną teorię względności i okazało się, że nie ma właściwie systemów, które pozwoliłyby na proste przedstawienie tego, co dzieje się na przykład w pobliżu czarnych dziur.

Nasze myśli szybko pobiegły w kierunku filmu “Interstellar”. Choć sama opowieść budzi mieszane uczucia, to zachwyt budziły obrazy pokazane w filmie. Zapytaliśmy więc licealistów o zgodność tych wizji z fizyką:

“Interstellar” był fizycznie poprawny, choć pomijał pewne aspekty – choćby to, że planeta nie mogłaby krążyć tak blisko horyzontu zdarzeń czarnej dziury, a jej obraz byłby zupełnie rozmyty – stałaby się pierścieniem. Ale sama czarna dziura była pokazana bardzo dobrze, zresztą spora część budżetu filmu poszła właśnie na tę symulację. Była ona podobna do naszego projektu, przy czym oni pracowali nad jednym, konkretnym modelem czarnej dziury statycznej z dyskiem akrecyjnym. Tymczasem my możemy symulować prawie dowolny scenariusz – także obracające się czarne dziury czy dziury naładowane elektrycznie. Do naszego programu możemy wprowadzić praktycznie dowolny opis tak zwanej geometrii przestrzeni.

Jakub Szewczyk i Grzegorz Uriasz Fot. Crazy Nauka

Jakub Szewczyk i Grzegorz Uriaszopracowali też algorytm raytracingu czyli śledzenia toru ruchu promieni świetlnych w przestrzeni., który wyprowadzili to z równań Einsteina i innych osób zajmujących się ogólną teorią względności.

Jak tłumaczą twórcy systemu, by przygotować wizualizację dla konkretnego przypadku daną scenę opisać trzeba w przygotowanym przez nich prostym języku skryptowym. Gdy zaplanuje się przestrzeń, można w niej ułożyć jakieś bryły, nałożyć na nie obrazy. Przypomina to nieco tworzenie gry komputerowej, ale gdy powstaje gotowa wizualizacja, efekty są zaskakujące.

Pamiętacie obraz czarnej dziury z “Interstellar”? Wyglądała tak:

Czarna dziura w Interstellar. Fot. ©2014 WARNER BROS. ENTERTAINMENT INC. AND PARAMOUNT PICTURES CORPORATION

Jak widać samą czarną dziurę otacza nie tylko dysk, ale i “korona”. Dopiero oglądając model przygotowany przez Jakuba Szewczyka i Grzegorza Uriasza jasno zrozumieliśmy, że w rzeczywistości jest tylko dysk materii, a “korona” to inny obraz tego samego dysku zakrzywiony przez gigantyczną grawitację. Na tej ilustracji widać, jak biegną promienie zza dziury:

Symulacja biegu promieni światła wokół czarnej dziury przygotowana przez Jakuba Szewczyka i Grzegorza Uriasza. Fot. Crazy Nauka

Ale gięcie przestrzeni wokół czarnych dziur to niejedyne zastosowanie algorytmów opracowanych przez zwycięzców E(x)plory. Ich program potrafi też efekt Dopplera (np. przesunięcie ku czerwieni) czy inne przypadki zakrzywienia czasoprzestrzeni.

Prezentacja systemu śledzenia promieni świetlnych. Fot. Crazy Nauka

Nagrodą w konkursie jest 10 tys. złotych oraz wyjazd do USA na konkurs Intel ISEF. Jak mówią zwycięzcy pieniądze przeznaczą m.in. na dostęp do maszyn obliczeniowych – generowanie złożonych obrazów, w których trzeba wziąć pod uwagę wiele czynników wymaga potężnej mocy i wiele czasu. Na szczęście takie rzeczy można robić zdalnie – gdy rozmawialiśmy z Jakubem Szewczykiem i Grzegorzem Uriaszem opowiadali, że właśnie udało im się zdobyć dostęp do niedrogiego, a bardzo wydajnego systemu, do którego chcą przesłać kolejną porcję danych.

Opiekunem naukowym uczniów z II Liceum Ogólnokształcącego im. Generałowej Zamoyskiej i H. Modrzejewskiej w Poznaniu jest dr Jakub Zieliński, pracownik naukowy Interdyscyplinarnego Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego Uniwersytetu Warszawskiego.

Michał Zwierz z Zespołu Szkół Technicznych w Ostrowie Wielkopolskim wróci z Gdyni z drugą nagrodą, stypendium naukowym w wysokości 7000 zł oraz wygraną w internetowym plebiscycie „Innowator Jutra”. Jego zwycięski projekt to prototyp wózka inwalidzkiego o zwiększonych możliwościach poruszania się, który powstał, żeby wypełnić lukę pomiędzy standardowymi wózkami inwalidzkimi (ręcznymi lub elektrycznymi), a wózkami z pionizatorem.

Projekt Kingi Woskowskiej z II Liceum Ogólnokształcącego im. Kazimierza Wielkiego w Zduńskiej Woli pt. „Porozumienie Bez Przemocy w Szkole – badania społeczne” w Konkursie Naukowym E(x)plory zajął trzecie miejsce i został nagrodzony stypendium naukowym w wysokości 5.000 zł.