Кип Стивен Торн (родился 1 июня 1940 года) — американский физик-теоретик и писатель, известный своим вкладом в гравитационную физику и астрофизику . Вместе с Райнером Вайсом и Барри К. Баришем он был удостоен Нобелевской премии по физике 2017 года за вклад в детектор LIGO и наблюдение гравитационных волн . [4] [5] [6] [7]
Давний друг и коллега Стивена Хокинга и Карла Сагана , он был профессором теоретической физики имени Ричарда П. Фейнмана в Калифорнийском технологическом институте (Калтех) до 2009 года [8] и говорит об астрофизических последствиях общей теории относительности . Он продолжает заниматься научными исследованиями и научным консалтингом, ярким примером чего является фильм Кристофера Нолана «Интерстеллар» . [9] [10]
Торн родился 1 июня 1940 года в Логане, штат Юта . Его отец, Д. Уинн Торн (1908–1979), был профессором химии почв в Университете штата Юта , а его мать, Элисон (урожденная Комиш; 1914–2004), была экономистом и первой женщиной, получившей докторскую степень по экономике в Колледже штата Айова . [11] [12] Выросший в академической среде, двое из его четырех братьев и сестер также стали профессорами. [13] [14] Родители Торна были членами Церкви Иисуса Христа Святых последних дней (Церковь СПД) и воспитали Торна в вере СПД, хотя сейчас он называет себя атеистом . Относительно своих взглядов на науку и религию Торн заявил: «Существует большое количество моих лучших коллег, которые весьма набожны и верят в Бога... Между наукой и религией нет фундаментальной несовместимости. Я сам не верю в Бога». [15]
Торн быстро преуспел в учебе в раннем возрасте, получив признание в Westinghouse Science Talent Search в качестве старшеклассника в Logan High School . [16] Он получил степень бакалавра наук в Калифорнийском технологическом институте (Caltech) в 1962 году и степень доктора философии в Принстонском университете в 1965 году под руководством Джона Арчибальда Уиллера , защитив докторскую диссертацию под названием « Геометродинамика цилиндрических систем». [17]
Торн вернулся в Калтех в качестве доцента в 1967 году и стал профессором теоретической физики в 1970 году, став одним из самых молодых профессоров в истории Калтеха в возрасте 30 лет. Он стал профессором Уильяма Р. Кенана-младшего в 1981 году и профессором теоретической физики Фейнмана в 1991 году. Он был адъюнкт-профессором в Университете Юты с 1971 по 1998 год и профессором Эндрю Д. Уайта в Корнеллском университете с 1986 по 1992 год. [18] В июне 2009 года он оставил свою должность профессора Фейнмана (сейчас он почетный профессор теоретической физики Фейнмана), чтобы заняться карьерой писателя и кинорежиссера. [ требуется ссылка ] Его первым кинопроектом был «Интерстеллар» , над которым он работал с Кристофером Ноланом и Джонатаном Ноланом . [8]
На протяжении многих лет Торн был наставником и научным руководителем многих ведущих теоретиков, которые сейчас работают над наблюдательными, экспериментальными или астрофизическими аспектами общей теории относительности. Около 50 физиков получили докторские степени в Калтехе под личным руководством Торна. [8]
Торн известен своей способностью передавать волнение и значимость открытий в области гравитации и астрофизики как профессиональной, так и непрофессиональной аудитории. Его презентации по таким темам, как черные дыры , гравитационное излучение , относительность , путешествия во времени и червоточины , были включены в шоу PBS в США и на BBC в Соединенном Королевстве. [ необходима цитата ]
Торн и Линда Джин Петерсон поженились в 1960 году. Их дети — Карес Энн и Брет Картер, архитектор. Торн и Петерсон развелись в 1977 году. Торн и его вторая жена, Кэроли Джойс Винстейн, профессор биокинезиологии и физиотерапии в USC , поженились в 1984 году. [19]
Исследования Торна в основном сосредоточены на релятивистской астрофизике и физике гравитации , с упором на релятивистские звезды , черные дыры и особенно гравитационные волны . [8] Он, возможно, наиболее известен публике своей спорной теорией о том, что червоточины предположительно могут быть использованы для путешествий во времени. [20] Однако научный вклад Торна, сосредоточенный на общей природе пространства , времени и гравитации , охватывает весь спектр тем общей теории относительности.
Работа Торна была связана с прогнозированием силы гравитационных волн и их временных сигнатур, наблюдаемых на Земле. Эти «сигнатуры» имеют большое значение для LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory), многоинститутского гравитационно-волнового эксперимента, ведущим сторонником которого был Торн — в 1984 году он стал одним из основателей проекта LIGO (крупнейший проект, когда-либо финансируемый NSF [ 21] ) для распознавания и измерения любых колебаний между двумя или более «статичными» точками; такие колебания были бы свидетельством гравитационных волн, как описывают расчеты. Важным аспектом его исследований является разработка математики, необходимой для анализа этих объектов. [22] Торн также проводит инженерный анализ конструкции для функций LIGO, которые не могут быть разработаны на основе эксперимента , и дает советы по алгоритмам анализа данных, с помощью которых будут искаться волны. Он оказал теоретическую поддержку LIGO, включая определение источников гравитационных волн, на которые должен был нацеливаться LIGO, проектирование перегородок для управления рассеянным светом в лучевых трубках LIGO и — в сотрудничестве с исследовательской группой Владимира Брагинского (Москва, Россия) — изобретение квантовых неразрушающих конструкций для современных детекторов гравитационных волн и способов снижения наиболее серьезного вида шума в современных детекторах: термоупругого шума . Совместно с Карлтоном М. Кейвсом Торн изобрел подход обратного действия-уклонения для квантовых неразрушающих измерений гармонических осцилляторов — метод, применимый как в обнаружении гравитационных волн, так и в квантовой оптике . [8]
11 февраля 2016 года группа из четырех физиков [a], представляющих LIGO Scientific Collaboration , объявила, что в сентябре 2015 года LIGO зарегистрировала сигнатуру столкновения двух черных дыр на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет. Это зафиксированное обнаружение стало первым прямым наблюдением мимолетного щебетания гравитационной волны и подтвердило предсказание общей теории относительности. [23] [24] [25] [26] [27]
Во время обучения в Принстонском университете для получения докторской степени его наставник Джон Уилер поручил ему задачу для размышления: выяснить, схлопнется ли цилиндрический пучок отталкивающих линий магнитного поля под действием собственной силы притяжения. После нескольких месяцев борьбы с этой проблемой он доказал, что цилиндрические линии магнитного поля не могут схлопнуться . [28] : 262–265
Почему цилиндрический пучок линий магнитного поля не схлопнется, в то время как сферические звезды схлопнутся под действием собственной гравитационной силы? Торн попытался исследовать теоретический гребень между этими двумя явлениями. В конце концов он определил, что гравитационная сила может преодолеть все внутреннее давление только тогда, когда объект сжат во всех направлениях. Чтобы выразить это осознание, Торн предложил свою гипотезу обруча , которая описывает схлопывающуюся звезду, превращающуюся в черную дыру, когда критическую окружность спроектированного обруча можно поместить вокруг нее и привести во вращение. То есть, любой объект массой M, вокруг которого можно закрутить обруч окружности, должен быть черной дырой. [28] : 266–267 [29] : 189–190
В качестве инструмента, который можно использовать в обоих направлениях — астрофизике и теоретической физике — Торн и его студенты разработали необычный подход, называемый « мембранной парадигмой », к теории черных дыр и использовали его для уточнения механизма Блэндфорда-Знаека , посредством которого черные дыры могут питать энергией некоторые квазары и активные ядра галактик . [28] : 405–411
Торн исследовал квантово- статистическое механическое происхождение энтропии черной дыры. Совместно со своим постдокторантом Войцехом Журеком он показал, что энтропия черной дыры является логарифмом числа способов, которыми могла быть создана дыра. [28] : 445–446
Совместно с Игорем Новиковым и Доном Пейджем он разработал общую релятивистскую теорию тонких аккреционных дисков вокруг черных дыр и, используя эту теорию, вывел, что при удвоении массы за счет такой аккреции черная дыра будет раскручиваться до 0,998 от максимального спина, разрешенного общей теорией относительности, но не больше. Вероятно, это максимальный спин черной дыры, разрешенный в природе. [8]
Торн и его коллеги в Калтехе провели научное исследование того, допускают ли законы физики возможность множественной связанности пространства и времени (могут ли существовать классические, проходимые червоточины и «машины времени»?). [30] Совместно с Сунг-Вон Кимом Торн определил универсальный физический механизм (взрывной рост поляризации вакуума квантовых полей ), который всегда может предотвратить развитие замкнутых времениподобных кривых в пространстве-времени (т. е. предотвратить путешествие назад во времени ). [31]
Совместно с Майком Моррисом и Ульви Юртсевером он показал, что проходимые червоточины могут существовать в структуре пространства-времени, только если они пронизаны квантовыми полями в квантовых состояниях , которые нарушают усредненное условие нулевой энергии (т. е. имеют отрицательную перенормированную энергию, распределенную по достаточно большой области). [32] Это побудило исследования по изучению способности квантовых полей обладать такой расширенной отрицательной энергией . Недавние расчеты Торна показывают, что простые массы, проходящие через проходимые червоточины, никогда не могут порождать парадоксы — нет никаких начальных условий, которые приводят к парадоксу, как только вводятся путешествия во времени. Если его результаты можно обобщить, они предполагают, что ни один из предполагаемых парадоксов, сформулированных в историях о путешествиях во времени, на самом деле не может быть сформулирован на точном физическом уровне: то есть, что любая ситуация в истории о путешествиях во времени, как оказывается, допускает множество последовательных решений. [ требуется ссылка ]
Совместно с Анной Житков Торн предсказал существование красных сверхгигантов с ядрами нейтронных звезд ( объекты Торна–Житков ). [33] Он заложил основы теории пульсаций релятивистских звезд и гравитационного излучения, которое они испускают. Совместно с Джеймсом Хартлом Торн вывел из общей теории относительности законы движения и прецессии черных дыр и других релятивистских тел, включая влияние связи их мультипольных моментов с кривизной пространства-времени близлежащих объектов, [34], а также записал метрику Хартла-Торна , приближенное решение, которое описывает внешнюю часть медленно и жестко вращающегося, стационарного и аксиально-симметричного тела.
Торн также теоретически предсказал существование универсально антигравитирующей « экзотической материи » — элемента, необходимого для ускорения скорости расширения Вселенной, поддержания проходимой червоточины «Звездных врат» открытыми и поддержания геодезических свободно плавающих « варп-двигателей » времениподобного типа . С Клиффордом Уиллом [35] и другими своими учениками он заложил основы для теоретической интерпретации экспериментальных проверок релятивистских теорий гравитации — основы, на которых затем строили Уилл и другие. С 2005 года Торн интересовался происхождением классического пространства и времени из квантовой пены квантовой теории гравитации . [ требуется ссылка ][обновлять]
Торн написал и отредактировал книги по темам в области теории гравитации и астрофизики высоких энергий . В 1973 году он стал соавтором учебника «Гравитация» с Чарльзом Мизнером и Джоном Уилером ; [36] который, по словам Джона К. Баеза и Криса Хиллмана, является одной из величайших научных книг всех времен и вдохновил два поколения студентов. [37] В 1994 году он опубликовал «Черные дыры и искривления времени: возмутительное наследие Эйнштейна» , книгу для неученых, за которую он получил множество наград. Эта книга была опубликована на шести языках, а издания на китайском, итальянском, чешском и польском языках находятся в печати. [ когда? ] В 2014 году Торн опубликовал «Науку Интерстеллар» , в которой он объясняет научную основу фильма Кристофера Нолана «Интерстеллар» ; Нолан написал предисловие к книге. В сентябре 2017 года Торн и Роджер Д. Блэндфорд опубликовали книгу « Современная классическая физика: оптика, жидкости, плазма, упругость, теория относительности и статистическая физика» — учебник для выпускников, охватывающий шесть основных областей физики, перечисленных в названии. [38]
Статьи Торна публиковались в таких изданиях, как:
Торн опубликовал более 150 статей в научных журналах. [42]
Торн был избран: [43]
Он был отмечен многочисленными наградами, в том числе:
Он был стипендиатом Вудро Вильсона , стипендиатом Дэнфорта, стипендиатом Гуггенхайма и стипендиатом Фулбрайта . Он также получил почетную степень доктора гуманитарных наук от Университета Клермонта и почетную докторскую степень от физического факультета Университета Аристотеля в Салониках . В 2024 году он был удостоен почетной докторской степени от Кембриджского университета . [53]
В 2009 году он был избран заведующим кафедрой Лоренца в Лейденском университете, Нидерланды .
Торн работал:
Кип Торн был включен журналом Time в ежегодный список 100 самых влиятельных людей в американском мире в 2016 году. [54]
вырос в академической семье мормонов в Юте, но теперь он атеист. «Есть много моих лучших коллег, которые весьма набожны и верят в Бога, начиная от абстрактного гуманистического Бога и заканчивая вполне конкретным католическим или мормонским Богом. Между наукой и религией нет фундаментальной несовместимости. Я, как оказалось, не верю в Бога».
является крупнейшим отдельным предприятием, предпринятым NSF, с капиталовложениями почти в 300 миллионов долларов и эксплуатационными расходами более 30 миллионов долларов в год.