Кип Стивен Торн (родился 1 июня 1940 г.) — американский физик-теоретик , известный своим вкладом в гравитационную физику и астрофизику . Вместе с Райнером Вайсом и Барри К. Бэришем он был удостоен Нобелевской премии по физике 2017 года за вклад в детектор LIGO и наблюдение гравитационных волн . [3] [4] [5] [6]
Давний друг и коллега Стивена Хокинга и Карла Сагана , он был профессором теоретической физики имени Ричарда П. Фейнмана в Калифорнийском технологическом институте (Калифорнийский технологический институт) до 2009 года [7] и говорит об астрофизических последствиях общей теории относительности . Он продолжает заниматься научными исследованиями и научными консультациями, в первую очередь для фильма Кристофера Нолана «Интерстеллар» . [8] [9]
Торн родился 1 июня 1940 года в Логане, штат Юта . Его отец, Д. Винн Торн (1908–1979), был профессором химии почвы в Университете штата Юта , а мать, Элисон (урожденная Комиш; 1914–2004), была экономистом и первой женщиной, получившей докторскую степень в Экономика в Колледже штата Айова . [10] [11] Выросшие в академической среде, двое из четырех его братьев и сестер также стали профессорами. [12] [13] Родители Торна были членами Церкви Иисуса Христа Святых последних дней (Церковь СПД) и воспитали Торна в вере СПД, хотя теперь он называет себя атеистом . Что касается своих взглядов на науку и религию, Торн заявил: «Есть большое количество моих лучших коллег, которые весьма набожны и верят в Бога… Между наукой и религией нет фундаментальной несовместимости. Я не верю в Бога. ." [14]
Торн быстро преуспел в учебе в раннем возрасте, получив признание в программе поиска научных талантов Westinghouse в старшем классе средней школы Логана . [15] Он получил степень бакалавра наук в Калифорнийском технологическом институте (Калифорнийский технологический институт) в 1962 году и докторскую степень в Принстонском университете в 1965 году под руководством Джона Арчибальда Уиллера, защитив докторскую диссертацию на тему « Геометродинамика цилиндрических систем». [16]
Торн вернулся в Калифорнийский технологический институт в качестве доцента в 1967 году и стал профессором теоретической физики в 1970 году, став одним из самых молодых профессоров в истории Калифорнийского технологического института в возрасте 30 лет. В 1981 году он стал профессором Уильяма Р. Кенана-младшего. и профессор теоретической физики Фейнмана в 1991 году. Он был адъюнкт-профессором в Университете Юты с 1971 по 1998 год и профессором Эндрю Д. Уайта по особым поручениям в Корнельском университете с 1986 по 1992 год . [17] В июне 2009 года он оставил свой пост. Профессор Фейнмана (сейчас он заслуженный профессор теоретической физики Фейнмана), чтобы продолжить карьеру писателя и кинопроизводителя. [ нужна ссылка ] Его первым кинопроектом был «Интерстеллар» , над которым он работал с Кристофером Ноланом и Джонатаном Ноланом . [7]
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 докторскую степень в Калифорнийском технологическом институте под личным руководством Торна. [7]
Торн известен своей способностью передавать волнение и значимость открытий в области гравитации и астрофизики как профессиональной, так и непрофессиональной аудитории. Его презентации на такие темы, как черные дыры , гравитационное излучение , теория относительности , путешествия во времени и червоточины , были включены в шоу PBS в США и на BBC в Соединенном Королевстве. [ нужна 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, Кэрол Джойс Уинштейн, профессор биокинезиологии и физиотерапии в Университете Южной Калифорнии , поженились в 1984 году .
Исследования Торна в основном сосредоточены на релятивистской астрофизике и физике гравитации с упором на релятивистские звезды , черные дыры и особенно гравитационные волны . [7] Он, пожалуй, наиболее известен публике своей противоречивой теорией о том, что червоточины можно использовать для путешествий во времени. [19] Однако научные вклады Торна, которые сосредоточены на общей природе пространства , времени и гравитации , охватывают весь спектр тем общей теории относительности.
Работа Торна касалась предсказания силы гравитационных волн и их временных характеристик, наблюдаемых на Земле. Эти «сигнатуры» имеют большое значение для LIGO (Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория), многоинституционального эксперимента с гравитационными волнами, ведущим инициатором которого был Торн. В 1984 году он стал соучредителем проекта LIGO (крупнейшего проекта, когда-либо финансируемого NSF [20] ) для обнаружения и измерения любых колебаний между двумя или более «статическими» точками; как показывают расчеты, такие колебания были бы свидетельством существования гравитационных волн. Важным аспектом его исследований является разработка математических методов , необходимых для анализа этих объектов. [21] Торн также проводит инженерный анализ особенностей LIGO, которые не могут быть разработаны на основе эксперимента , и дает советы по алгоритмам анализа данных , с помощью которых будут искаться волны. Он обеспечил теоретическую поддержку LIGO, включая идентификацию источников гравитационных волн, на которые должна быть направлена LIGO, разработку перегородок для управления рассеянным светом в лучевых трубках LIGO и – в сотрудничестве с исследовательской группой Владимира Брагинского (Москва, Россия) – изобретение квантовых неразрушающие конструкции современных детекторов гравитационных волн и способы снижения наиболее серьезного вида шума в современных детекторах: термоупругого шума . Вместе с Карлтоном М. Кейвсом Торн изобрел подход обратного действия-уклонения для квантовых измерений гармонических осцилляторов без разрушения — метод, применимый как в обнаружении гравитационных волн, так и в квантовой оптике . [7]
11 февраля 2016 года группа из четырех физиков [а] , представляющая научное сотрудничество LIGO , объявила, что в сентябре 2015 года LIGO зафиксировала сигнатуру двух черных дыр, сталкивающихся на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет от нас. Это зарегистрированное обнаружение было первым прямым наблюдением мимолетного чирикания гравитационной волны и подтвердило предсказание общей теории относительности. [22] [23] [24] [25] [26]
Во время подготовки к докторской диссертации в Принстонском университете его наставник Джон Уилер поручил ему подумать над задачей: выяснить, взорвется ли цилиндрический пучок отталкивающих силовых линий магнитного поля под действием собственной силы притяжения. После нескольких месяцев борьбы с этой проблемой он доказал, что цилиндрические силовые линии магнитного поля не могут взорваться . [27] : 262–265.
Почему цилиндрический пучок силовых линий магнитного поля не взорвется, а сферические звезды взорвутся под действием собственной гравитационной силы? Торн попытался исследовать теоретическую разницу между этими двумя явлениями. В конце концов он определил, что сила гравитации 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 массы М, вокруг которого можно вращать обруч окружности, должен быть черной дырой. [27] : 266–267 [28] : 189–190
В качестве инструмента, который будет использоваться в обеих сферах — астрофизике и теоретической физике — Торн и его ученики разработали необычный подход, названный «мембранной парадигмой », к теории черных дыр и использовали его для выяснения механизма «Бландфорда-Знаека». благодаря которым черные дыры могут питать некоторые квазары и активные ядра галактик . [27] : 405–411.
Торн исследовал квантово- статистическую природу энтропии черной дыры. Вместе со своим постдоком Войцехом Зуреком он показал, что энтропия черной дыры равна логарифму числа способов, которыми дыра могла образоваться. [27] : 445–446.
Вместе с Игорем Новиковым и Доном Пейджем он разработал общую релятивистскую теорию тонких аккреционных дисков вокруг черных дыр и, используя эту теорию, пришел к выводу, что при удвоении своей массы в результате такой аккреции черная дыра будет раскручена до 0,998 максимального спина . разрешено общей теорией относительности, но не более того. Вероятно, это максимальное вращение черной дыры, допустимое в природе. [7]
Торн и его коллеги из Калифорнийского технологического института провели научные исследования о том, допускают ли законы физики множественную связь пространства и времени (могут ли существовать классические проходимые червоточины и «машины времени»?). [29] Вместе с Сунг-Вон Кимом Торн определил универсальный физический механизм (взрывной рост вакуумной поляризации квантовых полей ), который всегда может препятствовать развитию в пространстве-времени замкнутых времяподобных кривых (т. е. предотвращать путешествия во времени назад ). [30]
Вместе с Майком Моррисом и Ульви Юрцевером он показал, что проходимые червоточины могут существовать в структуре пространства- времени только в том случае, если они пронизаны квантовыми полями в квантовых состояниях , которые нарушают условие усредненной нулевой энергии (т.е. имеют отрицательное перенормированное распределение энергии по достаточно большой области). . [31] Это послужило толчком к исследованию способности квантовых полей обладать такой расширенной отрицательной энергией . Недавние расчеты Торна показывают, что простые массы, проходящие через проходимые червоточины, никогда не смогут породить парадоксы — не существует начальных условий, которые привели бы к парадоксу, как только будут введены 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 допускает множество последовательных решений. [ нужна цитата ]
Вместе с Анной Житков Торн предсказал существование красных звезд-сверхгигантов с ядрами нейтронных звезд ( объекты Торна-Житкова ). [32] Он заложил основы теории пульсаций релятивистских звезд и испускаемого ими гравитационного излучения. Вместе 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, [33] , а также записал Метрика Хартла-Торна — приближенное решение, описывающее внешнюю поверхность медленно и жестко вращающегося, неподвижного и осесимметричного тела.
Торн также теоретически предсказал существование универсально антигравитирующей « экзотической материи » – элемента, необходимого для ускорения скорости расширения Вселенной, поддержания открытыми проходимых червоточин «Звездных врат» и поддержания работы подобных геодезическим свободным плавающим « варп-двигателям ». Вместе с Клиффордом Уиллом [34] и другими его учениками он заложил основы теоретической интерпретации экспериментальных проверок релятивистских теорий гравитации – основы, на которых затем строили Уилл и другие. По состоянию на 2005 год [обновлять]Торн интересовался происхождением классического пространства и времени из квантовой пены квантовой теории гравитации . [ нужна цитата ]
Торн написал и отредактировал книги по теории гравитации и астрофизике высоких энергий . В 1973 году он стал соавтором учебника «Гравитация» вместе с Чарльзом Миснером и Джоном Уилером ; [35] , которая, по мнению Джона К. Баэза и Криса Хиллмана, является одной из величайших научных книг всех времен и вдохновила два поколения студентов. [36] В 1994 году он опубликовал «Черные дыры и искажения времени: возмутительное наследие Эйнштейна» , книгу для неученых, за которую он получил множество наград. Эта книга издана на шести языках, в печати находятся издания на китайском, итальянском, чешском и польском языках. [ когда? ] В 2014 году Торн опубликовал «Науку «Интерстеллара» , в которой объясняет научную основу фильма Кристофера Нолана « Интерстеллар» ; Нолан написал предисловие к книге. В сентябре 2017 года Торн и Роджер Д. Блэндфорд опубликовали « Современную классическую физику: оптика, жидкости, плазма, упругость, относительность и статистическую физику» , учебник для выпускников, охватывающий шесть основных областей физики, перечисленных в названии. [37]
Статьи Торна публиковались в таких изданиях, как:
Торн опубликовал более 150 статей в научных журналах. [41]
Торн был избран в: [42]
Он был отмечен многочисленными наградами, в том числе:
Он был стипендиатом Вудро Вильсона , стипендиатом Данфорта, стипендиатом Гуггенхайма и стипендиатом Фулбрайта . Он также получил почетную степень доктора гуманитарных наук Клермонтского университета и степень почетного доктора физического факультета Университета Аристотеля в Салониках .
Он был избран заведующим кафедрой Лоренца в 2009 году в Лейденском университете, Нидерланды .
Торн служил:
Кип Торн был включен журналом Time в ежегодный список 100 самых влиятельных людей американского мира в 2016 году. [52]
Торн вырос в академической мормонской семье в штате Юта, но сейчас является атеистом. «Многие мои лучшие коллеги весьма набожны и верят в Бога, от абстрактного гуманистического Бога до очень конкретного католического или мормонского Бога. Между наукой и религией нет фундаментальной несовместимости. Я не верю в Бога. ."
LIGO — крупнейшее предприятие NSF с капитальными инвестициями почти в 300 миллионов долларов и эксплуатационными расходами более 30 миллионов долларов в год.