Opracowanie metod symulacji toru światła w zakrzywionej czasoprzestrzeni

Celem naszego projektu było stworzenie programu generującego obrazy i dane oparte o opis sceny – obiektów w niej zawartych – i jej geometrii – zakrzywionej czasoprzestrzeni. Użyliśmy równań ogólnej teorii względności Einsteina aby znaleźć tor, po którym porusza się światło, i oparliśmy na tym algorytm, który wykorzystuje go przy tworzeniu obrazu. Używa metod Rungego-Kutty do całkowania numerycznego w celu znacznego zmniejszenia błędu obliczeniowego. Nasz program może symulować efekty związane z odginaniem światła, jak też przesunięciem ku czerwieni. Sprawdziliśmy także dokładność naszych obliczeń porównując wyników z naszego modelu do wyników z analitycznego rozwiązania metryki Schwarzschilda. Dzięki naszemu programowi można znacznie polepszyć intuicję związaną z teorią względności.

Film o Grzegorzu Uriaszu i Jakubie Szewczyku nagrany tuż po zwyciestwie w Konkursie E(x)plory 2016:

 

 

 

O Zwycięzcach Konkursu Naukowego E(x)plory 2016 pisali:

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

www.crazynauka.pl/dwaj-licealisci-pokazuja-jak-swiatlo-wariuje-wokol-czarnej-dziury-konkurs-naukowy-explory/ 


E(x)plory - najlepsi z Lotosem

www.wybrzeze24.pl/aktualnosci/swieto-nauki-i-innowacji-mlodych-naukowcow 


Wielki sukces naukowy ucznia liceum!

www.lo-sikorski.pl/285-wielki-sukces-naukowy-ucznia-liceum 


E(X)PLORY 2016 – triumfują uczniowie z woj. wielkopolskiego

www.eratuszgdynia.pl/news/4771 


Konkurs Naukowy E(x)plory. Znamy nazwiska tegorocznych zwycięzców

www.polskieradio.pl/23/267/Artykul/1677794,Konkurs-Naukowy-Explory-Znamy-nazwiska-tegorocznych-zwyciezcow 


Nagrody dla licealistów

www.radiomerkury.pl/informacje/pozostale/nagrody-dla-licealistow.html 


Laureaci E(x)plory 2016

http://www.kpai.pl/aktualnosc-4-300-laureaci_e_x_plory_2016.html 


Finał konkursu E(x)pory 2016

www.innowacje.kujawsko-pomorskie.pl/?p=3376

 

Podziw nad czarną dziurą. Wywiad z Laureatami Konkursu Naukowego E(x)plory 2016, Jakubem Szewczykiem i Grzegorzem Uriaszem

 

Często najciekawsze projekty powstają dzięki
zwykłej ciekawości. Jakub Szewczyk i Grzegorz
Uriasz, licealiści z Poznania i Krosna, chcieli po prostu
zrozumieć ogólną teorię względności Einsteina.
Szybko jednak natknęli się na poważny problem:
-Okazało się, że nie ma właściwie systemów, które pozwoliłyby
na proste przedstawienie tego, co dzieje się
na przykład w pobliżu czarnych dziur. A my chcieliśmy
ukryć całą warstwę matematycznej abstrakcji i operować
na prostych, intuicyjnych obrazach - tłumaczy
Jakub Szewczyk.

Tak narodził się pomysł stworzenia systemu, który pozwalałby w prosty sposób modelować niezwykle złożone zjawiska. Wokół czarnej dziury czy gwiazdy neutronowej, a więc obiektów o niezwykle silnej grawitacji, światło tak silnie zakrzywia swój bieg, że powstają zjawiska pozornie zaprzeczające logice.

By pokazać to, co dzieje się w takich warunkach Jakub Szewczyk i Grzegorz Uriasz opracowali zarówno program obliczający to, co dzieje się w pobliżu obiektów o silnej grawitacji, jak i algorytm raytracingu czyli śledzenia toru ruchu promieni świetlnych w przestrzeni. Dzięki niemu budowanie wizualizacji przypomina robienie ciasta - wybieramy odpowiednie składniki, mieszamy je i dostajemy gotowy produkt. Możemy na przykład wybrać charakterystykę naładowanej elektrycznie czarnej dziury i dodać różne obiekty graficzne i nałożone na nie obrazy. Z tego wszystkiego powstanie gotowy obraz lub animacja pokazująca zniekształcenia tych obiektów wywołane silną grawitacją.

Gotowe wizualizacje mogą przypominać to, co pokazano w filmie „Interstellar”, który zasłynął złożoną wizualizacją czarnej dziury. Czy skojarzenie jest słuszne?

„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 - tłumaczy Grzegorz Uriasz - 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.

Wywiad dostepny również w wersji drukowanej: 5 lat E(x)plory. Raport z działalności Programu E(x)plory 2012-2016.

Nagrody

    I nagroda - stypendium naukowe w wysokości 10 000 zł
    Intel ISEF w USA

Film o laureacie