Кип Торн - Kip Thorne

Кип Торн
Кип С. Торн EM1B8790 (24027017497) .jpg
Кип С. Торн во время пресс-конференции, посвященной Нобелевской премии, в Стокгольме, декабрь 2017 г.
Родился
Кип Стивен Торн

( 1940-06-01 )1 июня 1940 г. (81 год)
Образование Калифорнийский технологический институт ( BS ),
Принстонский университет ( MS , Ph.D. )
Известен Объект Торна-Житкова
Римская арка
Ставка Торна-Хокинга-Прескилла
LIGO
Гравитационные волны
Гравитация
Супруг (а)
Линда Джин Петерсон
( М.  1960; отд.  1977)

Кэрол Джойс Винштейн
( М.  1984)
Дети 2
Награды Премия Лилиенфельда (1996)
Медаль Альберта Эйнштейна (2009)
Специальная премия за прорыв в фундаментальной физике (2016)
Премия Грубера в космологии (2016)
Премия Шоу (2016)
Премия Кавли (2016)
Премия Харви (2016)
Премия принцессы Астурийской (2017)
Нобелевская Премия по физике (2017)
Премия Льюиса Томаса (2018)
Научная карьера
Поля Астрофизика
Гравитационная физика
Учреждения Калифорнийский технологический институт
Корнельского университета
Тезис Геометродинамика цилиндрических систем  (1965)
Докторант Джон Арчибальд Уиллер
Докторанты Уильям Л. Берк
Карлтон М. Кейвс
Ли Сэмюэл Финн
Эанна Э. Фланаган
Джеймс Рид Ипсер
Шандор Дж. Ковач
Дэвид Л. Ли
Алан Лайтман
Дон Н. Пейдж
Уильям Х. Пресс
Ричард Х. Прайс
Бернард Ф. Шутц
Саул Теукольски
Клиффорд Мартин Уилл

Кип Стивен Торн (родился 1 июня 1940 г.) - американский физик-теоретик, известный своим вкладом в гравитационную физику и астрофизику . Давний друг и коллега Стивена Хокинга и Карла Сагана , он был профессором теоретической физики Ричарда П. Фейнмана в Калифорнийском технологическом институте (Калифорнийский технологический институт) до 2009 года и является одним из ведущих мировых экспертов по астрофизическим последствиям общей теории Эйнштейна. относительности . Он продолжает заниматься научными исследованиями и консультированием, особенно в отношении фильма Кристофера Нолана « Интерстеллар» . Торн был удостоен Нобелевской премии по физике 2017 года вместе с Райнером Вайсом и Барри С. Баришем «за решающий вклад в создание детектора LIGO и наблюдение гравитационных волн ».

Жизнь и карьера

Обсуждение в главном лекционном зале École de Physique des Houches (Физическая школа Лез-Уш), 1972 г. Слева направо: Юваль Нееман , Брайс ДеВитт , Торн, Деметриос Христодулу .

Торн родился 1 июня 1940 года в Логане, штат Юта . Его отец, Д. Винн 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. Д. получил степень по экономике в Государственном колледже Айовы . Выросшие в академической среде двое из четырех его братьев и сестер также стали профессорами. Родители Торна были членами Церкви Иисуса Христа Святых последних дней (мормоны) и воспитали Торна в вере СПД, хотя теперь он называет себя атеистом . Что касается своих взглядов на науку и религию, Торн заявил: «Многие мои лучшие коллеги весьма набожны и верят в Бога ... Между наукой и религией нет фундаментальной несовместимости. Я не верю в Бога. . "

Торн быстро преуспел в учебе в раннем возрасте, получив признание в Westinghouse Science Talent Search в качестве старшеклассника в средней школе Логана . Он получил степень бакалавра в Калифорнийском технологическом институте (Калифорнийский технологический институт) в 1962 году, а также докторскую степень. из Принстонского университета в 1965 году под руководством Джона Арчибальда Уиллера с докторской диссертацией на тему « Геометродинамика цилиндрических систем».

Торн вернулся в Калифорнийский технологический институт в качестве адъюнкт-профессора 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 профессором теоретической физики Фейнмана в 1991 году. Он был адъюнкт-профессором Университета штата Юта с 1971 по 1998 год и профессором Эндрю Д. Уайта по особым поручениям Корнельского университета с 1986 по 1992 год. В июне 2009 года он оставил свою должность профессора Фейнмана ( теперь он является почетным профессором теоретической физики Фейнмана), чтобы продолжить писательскую карьеру и создать кино. Его первым кинопроектом стал « Интерстеллар» , над которым он работал с Кристофером Ноланом и Джонатаном Ноланом .

На протяжении многих лет Торн был наставником и консультантом по диссертациям для многих ведущих теоретиков, которые сейчас работают над наблюдательными, экспериментальными или астрофизическими аспектами общей теории относительности. Около 50 физиков получили докторские степени в Калифорнийском технологическом институте под личным наставничеством Торна.

Торн известен своей способностью передавать волнение и важность открытий в области гравитации и астрофизики как профессиональной, так и непрофессиональной аудитории. Его презентации по таким темам, как черные дыры , гравитационное излучение , теория относительности , путешествия во времени и кротовые норы , были включены в передачи PBS в США и на BBC в Великобритании.

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 Винштейн, профессор биокинезиологии и физиотерапии в Университете Южной Калифорнии , поженились в 1984 году.

Исследовать

Торн в 1972 году

Исследования Торна в основном сосредоточены на релятивистской астрофизике и физике гравитации с упором на релятивистские звезды , черные дыры и особенно гравитационные волны . Он, пожалуй, наиболее известен широкой публике благодаря своей противоречивой теории о том, что червоточины могут использоваться для путешествий во времени. Однако научные работы Торна, которые сосредоточены на общей природе пространства , времени и гравитации , охватывают весь спектр вопросов общей теории относительности.

Гравитационные волны и LIGO

Работа Торна связана с предсказанием силы гравитационных волн и их временных характеристик, наблюдаемых на Земле. Эти «сигнатуры» имеют большое значение для LIGO (лазерная интерферометрическая обсерватория гравитационных волн), эксперимента по гравитационным волнам , проводимого несколькими учреждениями, в котором Торн был одним из ведущих сторонников - в 1984 году он стал соучредителем проекта LIGO (крупнейшего проекта, когда-либо финансируемого NSF ) для распознавания и измерения любых колебаний между двумя или более «статическими» точками; такие колебания свидетельствовали бы о гравитационных волнах, как показывают расчеты. Важным аспектом его исследований является развитие математики, необходимой для анализа этих объектов. Торн также выполняет инженерный анализ характеристик LIGO, которые не могут быть разработаны на основе экспериментов, и дает советы по алгоритмам анализа данных , с помощью которых будет осуществляться поиск волн. Он оказал теоретическую поддержку LIGO, в том числе определил источники гравитационных волн, на которые должна нацеливаться LIGO, разработал перегородки для управления рассеянным светом в лучевых трубках LIGO и - в сотрудничестве с исследовательской группой Владимира Брагинского (Москва, Россия) - изобрел квантовые неразрушающие конструкции. для усовершенствованных детекторов гравитационных волн и способов снижения самого серьезного вида шума в современных детекторах: термоупругого шума . Вместе с Карлтоном М. Кейвсом Торн изобрел метод обратного уклонения для квантовых измерений гармонических осцилляторов без разрушения - метод, применимый как для обнаружения гравитационных волн, так и для квантовой оптики .

11 февраля 2016 года группа из четырех физиков, представляющих LIGO Scientific Collaboration , 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 чириканья гравитационной волны и подтвердило важное предсказание общей теории относительности Эйнштейна.

Космология черной дыры

Цилиндрический пучок силовых линий магнитного поля

Во время учебы в докторантуре в Принстонском университете его наставник Джон Уиллер дал ему задание, над которым он подумал: выяснить, будет ли цилиндрический пучок сил отталкивания магнитного поля взорваться под действием собственной силы притяжения. После нескольких месяцев борьбы с проблемой он доказал, что цилиндрические силовые линии магнитного поля не могут взорваться .

Почему цилиндрический пучок силовых линий магнитного поля не взорвется, в то время как сферические звезды взорвутся под действием собственной гравитационной силы? Торн попытался исследовать теоретическую границу между двумя явлениями. В конце концов он обнаружил, что гравитационная сила может преодолеть все внутреннее давление только тогда, когда объект сжимается во всех направлениях. Чтобы выразить это понимание, Торн предложил свою гипотезу об обруче , которая описывает взрывающуюся звезду, превращающуюся в черную дыру, когда критическая окружность спроектированного обруча может быть помещена вокруг нее и приведена во вращение. То есть любой объект массы M, вокруг которого можно вращать обруч окружности , должен быть черной дырой.

В качестве инструмента, который будет использоваться на обоих предприятиях, в астрофизике и теоретической физике, Торн и его ученики разработали необычный подход, названный « мембранной парадигмой », к теории черных дыр и использовали его, чтобы прояснить механизм «Блэндфорда-Знайека». с помощью которых черные дыры могут приводить в действие некоторые квазары и активные ядра галактик .

Торн исследовал квантово- статистическое происхождение энтропии черной дыры. Со своим постдоком Войцехом Зуреком он показал, что энтропия черной дыры - это логарифм количества способов, которыми дыра могла быть образована.

Вместе с Игорем Новиковым и Доном Пейджем он разработал общую релятивистскую теорию тонких аккреционных дисков вокруг черных дыр и, используя эту теорию, он пришел к выводу, что при удвоении своей массы посредством такой аккреции черная дыра будет раскручиваться до 0,998 максимального спина. разрешено общей теорией относительности, но не более того. Вероятно, это максимально допустимое в природе вращение черной дыры.

Червоточины и путешествия во времени

Червоточина - это короткий путь, соединяющий две отдельные области в космосе. На рисунке зеленая линия показывает короткий путь через червоточину, а красная линия показывает длинный путь через нормальное пространство.

Торн и его сотрудники в Калифорнийском технологическом институте провели научное исследование того, допускают ли законы физики пространство и время множественной связью (могут ли существовать классические проходимые кротовые норы и «машины времени»?). С Санг-Вон Ким, Торн определил универсальный физический механизм (взрывной рост поляризации вакуума в квантовых полей ), которые всегда могут предотвратить пространства - времени от разработки замкнутых кривых времениподобные (т.е. предотвратить обратное путешествие во времени ).

Вместе с Майком Моррисом и Ульви Юртсевер он показал, что проходимые кротовые норы могут существовать в структуре пространства-времени только в том случае, если они пронизаны квантовыми полями в квантовых состояниях, которые нарушают усредненное условие нулевой энергии (т.е. имеют отрицательный перенормированный энергетический разброс в достаточно большой области). . Это привело к исследованию способности квантовых полей обладать такой протяженной отрицательной энергией . Недавние расчеты Торна показывают, что простые массы, проходящие через проходимые червоточины, никогда не могут вызвать парадоксов - нет начальных условий, которые приводят к парадоксу после введения путешествия во времени. Если его результаты можно обобщить, они предположили бы, что ни один из предполагаемых парадоксов, сформулированных в рассказах о путешествиях во времени, на самом деле не может быть сформулирован на точном физическом уровне: то есть, что любая ситуация в истории путешествий во времени оказывается допускающей множество последовательных решений.

Релятивистские звезды, мультипольные моменты и другие начинания

Вместе с Анной Житков Торн предсказал существование красных сверхгигантских звезд с ядрами нейтронных звезд ( объекты Торна – Житкова ). 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 на кривизну пространства-времени близлежащих объектов, а также записал формулу Хартла-Торна. метрика , приближенное решение, которое описывает внешность медленно и жестко вращающегося, неподвижного и осесимметричного тела.

Торн также теоретически предсказал существование универсально антигравитирующей « экзотической материи » - элемента, необходимого для ускорения скорости расширения Вселенной, удержания проходимой червоточины «Звездные врата» в открытом состоянии и поддержания работы подобных времени геодезических « варп-двигателей ». Вместе с Клиффордом Уиллом и другими его учениками он заложил основы теоретической интерпретации экспериментальных проверок релятивистских теорий гравитации - основы, на которой затем построили Уилл и другие. В 2005 году Торн интересовался происхождением классического пространства и времени из квантовой пены теории квантовой гравитации .

Публикации

Торн написал и отредактировал книги по теории гравитации и астрофизике высоких энергий . В 1973 году он стал соавтором учебника « Гравитация» с Чарльзом Миснером и Джоном Уилером; эта, по словам Джона К. Баэза и Криса Хиллмана, является одной из величайших научных книг всех времен и вдохновила два поколения студентов. В 1994 году он опубликовал книгу для не-ученых « Черные дыры и искажения времени: возмутительное наследие Эйнштейна» , за которую получил множество наград. Эта книга издана на шести языках, и в печати находятся издания на китайском, итальянском, чешском и польском языках. В 2014 году Торн опубликовал «Науку об Интерстеллар», в которой он объясняет науку, лежащую в основе фильма Кристофера Нолана « Интерстеллар» ; Нолан написал предисловие к книге. В сентябре 2017 года Торн и Роджер Д. Блэндфорд опубликовали « Современная классическая физика: оптика, жидкости, плазма, упругость, относительность и статистическая физика» , учебник для выпускников, охватывающий шесть основных областей физики, перечисленных в названии.

Статьи Торна появлялись в таких изданиях, как:

Торн опубликовал более 150 статей в научных журналах.

Почести и награды

Торн был избран:

Он был отмечен множеством наград, в том числе:

Он был Вудро Вильсона членом , Данфорта сотрудник , Guggenheim Fellow и Фулбрайта сотрудник . Он также получил почетную степень доктора гуманитарных наук Клермонтского университета и почетную докторскую степень физического факультета Университета Аристотеля в Салониках .

Он был избран руководителем кафедры Лоренца в 2009 году в Лейденском университете, Нидерланды .

Торн служил на:

Торн был выбран Time журнал в ежегодном списке 100 самых влиятельных людей в американском мире в 2016 году.

Адаптация в СМИ

  • Торн поделился идеями о путешествии по червоточине Карлу Сагану для использования в его романе « Контакт» .
  • Торн и его друг, продюсер Линда Обст , также разработали концепцию фильма Кристофера Нолана « Интерстеллар» . Он также написал сопутствующую книгу The Science of Interstellar . Позже Торн консультировал Нолана по физике своего фильма « Тенет» .
  • В романе Ларри Нивена « Радуга Марс» технология путешествий во времени, использованная в романе, основана на теории кротовых нор Торна, которая в контексте романа была, когда путешествия во времени впервые стали возможными, а не просто фантазией. В результате любые попытки путешествовать во времени до разработки Торном теории червоточин приводят к тому, что путешественник во времени попадает в фантастическую версию реальности, а не в реальное прошлое.
  • В фильме «Теория всего» Торна сыграл актер Энцо Чиленти .
  • Торн сыграл самого себя в 18-м эпизоде ​​12-го сезона сериала " Теория большого взрыва" под названием "Накопление лауреатов".

Частичная библиография

  • Миснер, Чарльз В., Торн, К.С. и Уиллер, Джон Арчибальд, Гравитация, 1973, (WH Freeman & Co)
  • Торн, К.С., «300 лет гравитации», (ред.) С.В. Хокинг и У. Исраэль, 1987 г. (Чикаго: Университет Чикаго Пресс), Гравитационное излучение .
  • Торн, К.С., Прайс, Р.Х. и Макдональд, Д.М., Черные дыры, Мембранная парадигма , 1986, (Нью-Хейвен: Yale Univ. Press).
  • Фридман, Дж., Моррис, М.С., Новиков, И.Д., Эчеверрия, Ф., Клинкхаммер, Г., Торн, К.С., Юртсевер, У., Physical Review D., 1990, (в печати), Задача Коши в пространстве-времени с замкнутым пространством. Кривые времениподобные .
  • Торн, К.С., Блэндфорд, Р.Д., Современная классическая физика: оптика, жидкости, плазма, упругость, относительность и статистическая физика , 2017 г. (Princeton: Princeton University Press).

Смотрите также

Примечания

использованная литература

внешние ссылки