Кип Торн (Kip Stephen Thorne, род. 1 июня 1940 года) — американский астрофизик и автор книг. В 2017 году он разделил Нобелевскую премию по физике с Райнером Вайсом и Барри К. Баришем «за решающий вклад в детектор LIGO и наблюдение гравитационных волн». Вместе с Джоном А. Уилером и Чарльзом Мизнером он является соавтором учебника по общей теории относительности «Gravitation» (1973). Он также писал научно-популярные книги, в частности «Black Holes and Time Warps» (1994), удостоенную премии Phi Beta Kappa Award in Science за тот год. С 1991 по 2009 год Торн был профессором теоретической физики имени Ричарда П. Фейнмана в Caltech. Давний друг и коллега Стивена Хокинга и Карла Сагана, он консультировал Сагана по физике червоточин для его романа «Контакт». Он был научным консультантом фильмов Кристофера Нолана «Интерстеллар» и «Довод». В 2018 году он получил премию Льюиса Томаса за научную литературу.
Жизнь и карьера
Торн родился 1 июня 1940 года в Логане, штат Юта. Его отец, Д. Уинн Торн (1908–1979), был профессором почвоведения в Университете штата Юта, а его мать, Элисон (в девичестве Комиш; 1914–2004) — экономистом и первой женщиной, получившей докторскую степень по экономике в Iowa State College. Выросший в академической среде, двое из его четверых братьев и сестер также стали профессорами. Родители Торна были членами Церкви Иисуса Христа Святых последних дней и воспитали Торна в вере Церкви СПД, хотя сейчас он придерживается атеистических взглядов. Незадолго до смерти матери она настоятельно рекомендовала Кипу и его братьям и сестрам покинуть Церковь СПД из-за ее дискриминации в отношении женщин, что они и сделали. Что касается его взглядов на науку и религию, Торн заявил: «Есть большое количество моих лучших коллег, которые очень набожны и верят в Бога… Нет фундаментальной несовместимости между наукой и религией. Я просто не верю в Бога». Он часто вспоминал, как в детстве проводил часы, рассматривая звездное небо, задаваясь вопросами о природе Вселенной.
Торн с ранних лет преуспевал в учебе, получив признание в конкурсе Westinghouse Science Talent Search в качестве старшеклассника в Logan High School. Он получил степень бакалавра физики в Caltech в 1962 году, а степень магистра и доктора физики в Принстонском университете в 1964 и 1965 годах под руководством Джона Арчибальда Уилера, защитив докторскую диссертацию на тему «Геометродинамика цилиндрических систем». В 1967 году он вернулся в Caltech в качестве доцента, а в 1970 году стал профессором теоретической физики, став одним из самых молодых штатных профессоров в истории Caltech в возрасте 30 лет. В 1981 году он стал профессором имени Уильяма Р. Кенана-младшего, а в 1991 году — профессором теоретической физики имени Фейнмана. Он был адъюнкт-профессором Университета Юты с 1971 по 1998 год и профессором по обмену в Корнеллском университете с 1986 по 1992 год. С 2009 года Торн является профессором теоретической физики имени Фейнмана, эмеритом. Он часто вспоминает годы, проведенные в Caltech, как время интенсивной работы и вдохновения, окруженного выдающимися умами. В лабораториях царила атмосфера постоянного поиска новых знаний, а коллеги всегда были готовы поделиться своими идеями и опытом.
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 познакомился на свидании вслепую с Линдой Обст, будущим кинопродюсером, по рекомендации физика Карла Сагана. Они встречались в 1979–1980 годах, расстались и остались друзьями, настолько, что позже сотрудничали над фильмом «Интерстеллар». Торн и его вторая жена, Кароли Джойс Уинстейн, профессор биокинезиологии и физической терапии в USC, поженились в 1984 году. Их дом всегда был полон книг и научных журналов, а вечера часто проходили в оживленных дискуссиях о последних открытиях в физике. Кароли, с ее глубокими знаниями в области биологии и медицины, часто предлагала новые перспективы на научные проблемы, над которыми работал Кип. В 2015 году он сотрудничал с Обст и Стивеном Хокингом над сценарием фильма, для которого они написали несколько черновиков. Работа над сценарием проходила в атмосфере творческого поиска и обсуждения сложных физических концепций.
На протяжении многих лет Торн был наставником и научным руководителем многих студентов, которые стали лидерами в наблюдательной, экспериментальной или астрофизической областях общей теории относительности. Около 50 физиков получили докторские степени в Caltech под личным руководством Торна. Он известен своей способностью передавать волнение и значимость открытий в области гравитации и астрофизики как профессионалам, так и широкой публике. Его презентации на темы, такие как черные дыры, гравитационное излучение, теория относительности, путешествия во времени и червоточины, были включены в телешоу PBS в США и на BBC в Великобритании. В 2017 году Торн выступил с мемориальной лекцией имени Джорджа Гамова в Университете Колорадо в Боулдере на тему «Исследование искривленной стороны Вселенной с помощью гравитационных волн: от Большого взрыва до черных дыр». Лекция вызвала большой интерес и обсуждение в научном сообществе. После лекции к нему подошли десятки студентов и ученых, желающих обсудить его идеи и задать вопросы. Он с удовольствием отвечал на вопросы, делясь своими знаниями и опытом.
Исследования
Исследования Торна в основном сосредоточены на релятивистской астрофизике и физике гравитации, с акцентом на релятивистские звезды, черные дыры и особенно гравитационные волны. Он, пожалуй, наиболее известен широкой публике своей теорией о том, что червоточины теоретически могут использоваться для путешествий во времени. Однако научный вклад Торна, который сосредоточен на общей природе пространства, времени и гравитации, охватывает весь спектр тем в общей теории относительности. Он всегда подчеркивал важность математической строгости в своих исследованиях. Он часто говорил, что физика без математики — это просто философия. Он верил, что математика является языком Вселенной, и что только с ее помощью можно по-настоящему понять ее законы.
Гравитационные волны и LIGO
Работа Торна была посвящена прогнозированию силы гравитационных волн и их временных сигнатур, наблюдаемых на Земле. Эти «сигнатуры» имеют большое значение для LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory), многоинституционального эксперимента по обнаружению гравитационных волн, одним из ведущих сторонников которого был Торн — в 1984 году он был одним из основателей проекта LIGO (крупнейшего проекта, когда-либо финансируемого NSF). Он участвовал в обсуждении технических деталей проекта, предлагая решения сложных инженерных задач. Важным аспектом его исследований является разработка математики, необходимой для анализа этих объектов. Торн также проводил инженерно-конструкторский анализ особенностей LIGO, которые не могли быть разработаны на основе экспериментов, и давал советы по алгоритмам анализа данных, с помощью которых будут искаться волны. Он оказал теоретическую поддержку LIGO, включая определение источников гравитационных волн, на которые LIGO должен нацелиться, проектирование перегородок для контроля рассеянного света в трубках LIGO и — в сотрудничестве с исследовательской группой Владимира Брагинского (Москва, Россия) — изобретение квантовых недеструктивных конструкций для передовых детекторов гравитационных волн и способов уменьшения наиболее серьезного типа шума в передовых детекторах: термоупругого шума. Вместе с Карлтоном М. Кейвсом Торн изобрел подход к квантовым недеструктивным измерениям гармонических осцилляторов с обратным действием — технику, применимую как в обнаружении гравитационных волн, так и в квантовой оптике.
11 февраля 2016 года команда из четырех физиков представляющая LIGO Scientific Collaboration, объявила, что в сентябре 2015 года LIGO зафиксировала сигнал от слияния двух черных дыр на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет. Это зарегистрированное обнаружение стало первым прямым наблюдением мимолетного писка гравитационной волны и подтвердило предсказание общей теории относительности. Торн присутствовал на пресс-конференции, посвященной этому открытию, и подчеркнул его важность для понимания Вселенной. Он отметил, что это открытие открывает новое окно во Вселенную, позволяя нам изучать самые экстремальные явления, которые были недоступны для наблюдения ранее. Он также подчеркнул, что это открытие является результатом многолетних усилий сотен ученых и инженеров со всего мира.
Космология черных дыр
В 1963–1964 годах его научный руководитель в Принстоне, Джон Уилер, поручил ему задачу: выяснить, может ли цилиндрический пучок отталкивающих магнитных силовых линий схлопнуться под действием собственной гравитационной силы. После нескольких месяцев борьбы с проблемой он доказал, что цилиндрические магнитные силовые линии не могут схлопнуться. Торн определил, что гравитационная сила может преодолеть все внутреннее давление только тогда, когда объект сжат во всех направлениях, как в случае коллапсирующей сферы. Чтобы выразить это понимание, он предложил свое гипотетическое утверждение об обруче, которое описывает превращение коллапсирующей звезды в черную дыру, когда вокруг нее можно поместить критическую окружность и заставить ее вращаться. То есть любой объект массой M, вокруг которого можно вращать обруч определенной окружности, должен быть черной дырой.
Торн и его студенты разработали подход к теории черных дыр, называемый «парадигмой мембраны», и использовали его для уточнения механизма Бландфорда — Знаека, с помощью которого черные дыры могут питать некоторые квазары и активные галактические ядра. Торн исследовал квантово-статистическое происхождение энтропии черной дыры. Вместе со своим постдоком Войцехом Журеком он показал, что энтропия черной дыры является логарифмом числа способов, которыми эта дыра могла быть создана. Вместе 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 своей массы за счет такого аккреционного диска черная дыра раскрутится до 0,998 максимального вращения, разрешенного общей теорией относительности, но не более.
Червоточины и путешествия во времени
Торн и его коллеги из Caltech проводили научные исследования о том, разрешают ли законы физики множественно связанные пространство и время (могут ли существовать классические проходимые червоточины и «машины времени»). Вместе с Сун-Воном Кимом Торн определил универсальный физический механизм (взрывный рост вакуумной поляризации квантовых полей), который может всегда предотвращать развитие в пространстве-времени замкнутых времениподобных кривых (то есть предотвращать путешествия во времени в прошлое). Вместе с Майком Моррисом и Ульви Юртсевером он показал, что проходимые червоточины могут существовать в структуре пространства-времени только в том случае, если они пронизаны квантовыми полями в квантовых состояниях, нарушающих усредненное нулевое энергетическое условие (то есть имеют отрицательную перенормированную энергию, распределенную по достаточно большому региону). Это спровоцировало исследования, чтобы изучить способность квантовых полей обладать такой расширенной отрицательной энергией. Недавние расчеты Торна показывают, что простые массы, проходящие через проходимые червоточины, никогда не могут вызывать парадоксы — нет начальных условий, которые приводят к парадоксам после введения путешествий во времени. Если его результаты можно обобщить, это предполагает, 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 любая ситуация в истории о путешествиях во времени допускает множество согласованных решений.
Релятивистские звезды, мультипольные моменты и другие начинания
Вместе с Анной Жытковой Торн предсказал существование красных сверхгигантов с нейтронными ядрами (объекты Торна — Жытковой). Он заложил основы теории пульсаций релятивистских звезд и гравитационного излучения, которое они испускают. 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 вблизи них, а также записал метрику Хартла — Торна, приближенное решение, описывающее внешнюю часть медленно и жестко вращающегося, стационарного и осесимметричного тела. Торн теоретически предсказал существование универсально антигравитирующей «экзотической материи» — элемента, необходимого для ускорения скорости расширения Вселенной, поддержания открытыми проходимые червоточины «звездные врата» и поддержания работы «варп-двигателей» с постоянным свободным перемещением. Вместе с Клиффордом Уиллом и другими своими студентами он заложил основы теоретической интерпретации экспериментальных тестов релятивистских теорий гравитации — основ, на которых Уилл и другие затем построили свои работы.
Публикации
В 1973 году Торн был соавтором «Gravitation» вместе с Чарльзом Мизнером и Джоном А. Уилером; по словам Джона К. Баэза и Криса Хиллмана, это одна из великих научных книг всех времен и вдохновила два поколения студентов. В 1994 году он опубликовал «Black Holes and Time Warps», научно-популярную книгу, прослеживающую историю черных дыр от Джона Мишелла до Стивена Хокинга и далее. Она была опубликована как минимум на двенадцати языках: английском (1994), немецком (1995), испанском (1995), французском и японском (1997), греческом (1999), чешском (2004), польском, китайском и корейском (2005), тайском (2008) и итальянском (2013). В 2014 году он опубликовал «The Science of Interstellar», в которой объясняет науку, лежащую в основе фильма Кристофера Нолана; Нолан написал предисловие. В книге Торн обсуждает ключевую роль вымышленной черной дыры Гаргантюа: «Прежде всего странное утверждение: черные дыры сделаны из искривленного пространства и искривленного времени. Ничего другого — никакой материи, вообще». В сентябре 2017 года Торн и Роджер Д. Бландфорд опубликовали «Modern Classical Physics: Optics, Fluids, Plasmas, Elasticity, Relativity, and Statistical Physics», учебник для аспирантов, охватывающий шесть основных областей физики, перечисленных в названии. Вместе с художницей Лией Холларан Торн использовал поэзию и иллюстрации для исследования астрофизики в «The Warped Side of Our Universe». Торн опубликовал более 150 статей в научных журналах. Его статьи публиковались в таких изданиях, как Scientific American, McGraw-Hill Yearbook of Science and Technology и Collier’s Encyclopedia, среди прочих.
Награды и почести
Торн был избран в Американскую академию искусств и наук (1972), Национальную академию наук, Российскую академию наук и Американское философское общество. Он был удостоен многочисленных наград, в том числе:
– Премия Американского института физики за научное письмо в области физики и астрономии,
– Премия Phi Beta Kappa за научное письмо,
– Премия Лилиенфельда Американского физического общества,
– Медаль Карла Шварцшильда Немецкого астрономического общества (1996),
– Премия Робинсона по космологии Университета Ньюкасла,
– Премия Sigma Xi: The Scientific Research Society за науку и изобретения,
– Премия California Scientist of the Year Калифорнийского научного центра (2003).
– Медаль Альберта Эйнштейна в 2009 году от Общества Альберта Эйнштейна, Берн, Швейцария
– Медаль ЮНЕСКО Нильса Бора от ЮНЕСКО (2010)
– Специальная премия Breakthrough Prize в области фундаментальной физики (2016)
– Премия Грубера по космологии (2016)
– Премия Шоу (2016) (вместе с Рональдом Древером и Райнером Вайсом).
– Премия Кавли по астрофизике (2016) (вместе с Рональдом Древером и Райнером Вайсом).
– Премия Томалла (2016) за выдающийся вклад в общую теорию относительности и гравитацию.
– Премия Жоржа Леметра (2016)
– Премия Харви (2016) (вместе с Рональдом Древером и Райнером Вайсом).
– Премия Smithsonian Magazine American Ingenuity Award for Physical Sciences (2016).
– Премия Коккони Европейского физического общества (совместно с Райнером Вайсом и Барри Баришем)
– Премия принцессы Астурийской (2017) (совместно с Райнером Вайсом и Барри Баришем).
– Нобелевская премия по физике (2017) (совместно с Райнером Вайсом и Барри Баришем)
– Премия Льюиса Томаса (2018)
– Золотая пластина Американской академии достижений (2019).
Он был стипендиатом Woodrow Wilson, Danforth Fellow, Guggenheim Fellow и Fulbright Fellow. Он также получил почетную степень доктора гуманитарных наук от Claremont Graduate University и почетную докторскую степень от физического факультета Аристотелевского университета в Салониках. В 2024 году он был удостоен почетной докторской степени от Кембриджского университета. Торн получил почетную степень доктора наук от Rochester Institute of Technology в 2026 году. Он был избран на должность Лоренца в Лейденском университете в 2009 году. Торн был членом Международного комитета по общей теории относительности и гравитации, Комитета по сотрудничеству США и СССР в области физики и Комитета по космической науке Национальной академии наук, который консультировал НАСА и Конгресс по вопросам космической политики. Кип Торн был выбран журналом Time в ежегодном списке 100 самых влиятельных людей в американском мире в 2016 году.
Адаптация в СМИ
– Торн внес идеи о путешествиях через червоточины в работу Карла Сагана для его романа «Контакт».
– Торн и его друг, продюсер Линда Обст, также разработали концепцию фильма Кристофера Нолана «Интерстеллар». Он также написал книгу-компаньон «The Science of Interstellar». Торн позже консультировал Нолана по физике его фильма «Довод» и консультировал Киллиана Мерфи по его изображению Дж. Роберта Оппенгеймера в фильме Нолана «Оппенгеймер».
– В романе Ларри Нивена «Rainbow Mars» технология путешествий во времени, используемая в романе, основана на теориях червоточин Торна, которые в контексте романа были временем, 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 прошлое.
– В фильме «Теория всего» Торна сыграл актер Энцо Чиленти.
– Торн сыграл самого себя в эпизоде сериала «Теория большого взрыва» под названием «The Laureate Accumulation».
– Торн представлен в эпизоде документального сериала «The Craftsman» под названием «Science, Art & Inspiration».