Книга “Черные дыры и искривление времени” – популярная научная книга физика Кипа Торна, опубликованная в начале девяностых годов. Она представляет собой иллюстрированный обзор истории и развития теории черных дыр, от ее истоков в ньютоновской механике до начала девяностых годов.
В книге в четырнадцати главах Торн излагает материал примерно в хронологическом порядке, сначала описывая кризис в ньютоновской физике, вызванный экспериментом Майкельсона-Морли, и последующее развитие теории специальной относительности Эйнштейна. Затем он описывает включение гравитации в рамки общей теории относительности. Черные дыры быстро были признаны как возможное решение уравнений Эйнштейна, но изначально отвергались большинством физиков как физически маловероятные.
Работа Субрахманьяна Чандрасекара показала, что звезды, коллапсирующие за определенной массой, не могут быть поддержаны давлением вырождения, но этот результат был оспорен более авторитетным Артуром Стэнли Эддингтоном и не был полностью принят в течение нескольких десятилетий. Когда реальность объектов, обладающих горизонтом событий, наконец получила широкое признание, была заложена основа для тщательного исследования их свойств, что привело к удивительному результату: черные дыры не имеют “волос” – то есть их свойства полностью определяются их массой, скоростью вращения и электрическим зарядом.
Отдельно от теоретических исследований по относительности, совершенствование радиоастрономии начало давать необычные наблюдения за чрезвычайно интенсивными радиоисточниками, видимо расположенными вне нашей галактики. В консультации с теоретическими физиками стало ясно, что единственным разумным объяснением этих источников являются чрезвычайно крупные черные дыры, находящиеся в ядрах галактик, производящие интенсивное излучение при питании и, в случае квазаров, выбрасывающие невероятно мощные струи вещества в противоположных направлениях, нагревающие окружающий галактический газ до свечения в радиочастотах.
Торн описывает менее зрелые поиски гравитационных волн, явлений, предсказанных как результат сверхновых и столкновений черных дыр, но еще не наблюдавшихся в начале девяностых годов. В семидесятых годах Стивен Хокинг сделал поразительное предсказание об испарении черных дыр, обусловленном квантовыми флуктуациями вблизи горизонта событий.
В конце текста Торн рассматривает более спекулятивный вопрос о природе ядра черной дыры; так называемой гравитационной сингулярности, предсказанной уравнениями Эйнштейна. Введя квантовое поведение в искривленное пространство-время, несколько физиков предположили, что черные дыры не обладают истинной математической сингулярностью, а скорее областью хаотического пространства, в котором время не существует. Поведение этого пространства и вещества, подходящего к нему, пока плохо поняты, и полное объединение относительности и квантовой физики еще не достигнуто.
В последней главе Торн углубляется в еще более спекулятивные вопросы, связанные с физикой черных дыр, включая существование и природу червоточин и машинок времени. Книга содержит предисловие Стивена Хокинга и введение Фредерика Сейтца. Помимо основного текста, книга предоставляет биографические справки о главных ученых, упомянутых в тексте, хронологию ключевых событий в истории физики черных дыр, глоссарий технических терминов, двадцать три страницы примечаний, библиографию и алфавитные указатели предметов и людей, упомянутых в тексте.
Книга получила положительные отзывы. Один из ведущих научных изданий написал: “Близкое и иногда трудное рассуждение, которое она воплощает, облегчается изящным анекдотическим подходом и забавными рисунками и диаграммами автора”. Другое издание отметило: “Читателю приходится пробираться через многие, многие страницы теории и диаграмм – очевидные для эксперта, но слишком сложные для неспециалиста. Торн наиболее силен для начинающего читателя, когда речь идет об истории физического сообщества”.
Кип Стивен Торн родился в середине двадцатого века. Он американский астрофизик и автор. В конце двухтысячных годов он разделил престижную научную премию с коллегами “за решающий вклад в детектор LIGO и наблюдение гравитационных волн”. С Джоном Уилером и Чарльзом Мизнером он стал соавтором учебника по общей теории относительности “Гравитация” в семидесятых годах. Он также написал популярные научные книги, в частности “Черные дыры и искривление времени” в начале девяностых годов, за которую получил премию Фи Бета Каппа в области научной литературы.
Торн был профессором теоретической физики в Калифорнийском технологическом институте с начала девяностых по конец двухтысячных годов. Долгое время он был другом и коллегой Стивена Хокинга и Карла Сагана, консультировал Сагана по физике червоточин для его романа “Контакт”. Он был научным консультантом фильмов Кристофера Нолана “Интерстеллар” и “Тенет”. В середине двухтысячных годов он сотрудничал с Линдой Обст и Стивеном Хокингом над сценарием фильма, для которого они написали несколько черновиков.
На протяжении многих лет Торн был наставником и научным руководителем многих студентов, ставших лидерами в области наблюдательной, экспериментальной или астрофизической аспектов общей теории относительности. Около пятидесяти физиков получили докторские степени в Калифорнийском технологическом институте под его личным руководством. Торн известен своей способностью передавать волнение и значение открытий в области гравитации и астрофизики как профессиональной, так и непрофессиональной аудитории. Его выступления на темы черных дыр, гравитационного излучения, относительности, путешествий во времени и червоточин были включены в передачи научно-популярных телеканалов в США и Великобритании.
В конце двухтысячных годов Торн прочитал лекцию памяти Джорджа Гамова в Университете Колорадо в Боулдере на тему “Изучение искривленной стороны Вселенной с помощью гравитационных волн: от Большого взрыва до черных дыр”. Исследования Торна в основном сосредоточены на релятивистской астрофизике и гравитационной физике, с акцентом на релятивистских звездах, черных дырах и особенно гравитационных волнах. Он, возможно, наиболее известен широкой публике своей спорной теорией о том, что червоточины можно использовать для путешествий во времени.
Однако научные вклады Торна, которые охватывают всю область общей теории относительности, включают полный спектр тем. Гравитационные волны и LIGO – его работа была связана с предсказанием силы гравитационных волн и их временных сигнатур, наблюдаемых на Земле. Эти “сигнатуры” имеют большое значение для LIGO, многоинституционального эксперимента по обнаружению гравитационных волн, одним из ведущих сторонников которого является Торн – в начале восьмидесятых годов он стал сооснователем проекта LIGO для обнаружения и измерения любых колебаний между двумя или более “статическими” точками; такие колебания будут свидетельствовать о гравитационных волнах, как описывают расчеты.
Значительная часть его исследований посвящена разработке математики, необходимой для анализа этих объектов. Торн также проводит инженерные расчеты для элементов LIGO, которые не могут быть разработаны на основе эксперимента, и дает советы по алгоритмам анализа данных, с помощью которых будут искаться волны. Он предоставил теоретическую поддержку LIGO, включая выявление источников гравитационных волн, на которые должен быть нацелен LIGO, проектирование заслонок для контроля рассеянного света в трубах луча LIGO, и – в сотрудничестве с группой исследований Владимира Брагинского – изобрел квантово-неколлапсирующие конструкции для передовых детекторов гравитационных волн и способы уменьшения самого серьезного вида шума в передовых детекторах: термоупругого шума.
Вместе с Карлтоном М. Кейвсом Торн изобрел подход избегания обратной связи к квантово-неколлапсирующим измерениям гармонических осцилляторов – технику, применимую как в обнаружении гравитационных волн, так и в квантовой оптике. В середине двухтысячных годов команда из четырех физиков, представляющих научное сотрудничество LIGO, объявила, что в предыдущем году LIGO зафиксировал сигнатуру столкновения двух черных дыр на расстоянии миллиардов световых лет. Это наблюдение стало первым прямым обнаружением мимолетного сигнала гравитационной волны и подтвердило предсказание общей теории относительности.
Космология черных дыр – в начале шестидесятых годов научный руководитель Торна в Принстоне Джон Уилер поставил ему задачу: выяснить, implode ли цилиндрический пучок отталкивающих магнитных линий под действием собственной притягивающей гравитационной силы. После нескольких месяцев борьбы с задачей он доказал, что невозможно, чтобы цилиндрические магнитные линии imploded. Торн установил, что гравитационная сила может преодолеть все внутреннее давление только тогда, когда объект сжат во всех направлениях, как в случае сферической звезды, imploding под гравитационной силой. Чтобы выразить это понимание, он предложил свою гипотезу петли, которая описывает imploding звезду, превращающуюся в черную дыру, когда критическая окружность спроектированной петли может быть размещена вокруг нее и приведена во вращение. То есть любой объект массы M, вокруг которого можно разместить петлю окружностью и привести ее во вращение, должен быть черной дырой.
Торн и его студенты разработали подход к теории черных дыр, называемый “парадигмой мембраны”, и использовали его для уточнения механизма Бландфорда-Знажека, с помощью которого черные дыры могут питать некоторые квазары и активные галактические ядра. Торн исследовал квантово-статистический механизм происхождения энтропии черной дыры. С постдоком Войцехом Журеком он показал, что энтропия черной дыры является логарифмом числа способов, которыми дыра могла быть создана.
С Игорем Новиковым и Доном Пейджем он разработал общую релятивистскую теорию тонких аккреционных дисков вокруг черных дыр, и используя эту теорию, он вывел, что при удвоении массы за счет аккреции черная дыра будет раскручена до 0,998 от максимального вращения, допустимого общей теорией относительности, но не дальше. Это, вероятно, максимальное вращение черной дыры, допустимое в природе.
Червоточины и путешествия во времени – Торн и его коллеги в Калифорнийском технологическом институте проводили научные исследования, допускают ли законы физики множественную связь пространства и времени (могут ли существовать классические, проходимые червоточины и “машины времени”?). С Сонг-Воном Кимом Торн выявил универсальный физический механизм (экспоненциальный рост вакуумной поляризации квантовых полей), который может всегда предотвращать развитие замкнутых временных кривых (т.е. предотвращать обратные путешествия во времени).
С Майком Моррисом и Ульви Йуртсевером 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 (т.е. имеют отрицательную ренормализованную энергию, распределенную по достаточно большой области). Это вызвало исследования возможности обладания квантовыми полями такой расширенной отрицательной энергией. Недавние расчеты Торна указывают, что простые массы, проходящие через проходимые червоточины, никогда не могут создавать парадоксы – нет начальных условий, которые приводили бы к парадоксу, когда вводится путешествие во времени. Если его результаты можно обобщить, они будут sugerировать, что ни один из предполагаемых парадоксов, сформулированных в историях о путешествиях во времени, не может быть сформулирован на точном физическом уровне: то есть любая ситуация в истории о путешествиях во времени позволяет множество согласованных решений.
Релятивистские звезды, мультипольные моменты и другие начинания – с Анной Житков Торн предсказал существование красных сверхгигантов со звездами нейтронов в ядрах (объекты Торна-Житкова). Он заложил основы теории пульсаций релятивистских звезд и гравитационного излучения, которое они испускают. 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 соседних объектов, а также написал метрику Хартла-Торна, приближенное решение, описывающее внешнюю часть медленно и жестко вращающегося, стационарного и осесимметричного тела.
Торн также теоретически предсказал существование универсально антигравитирующей “экзотической материи” – элемента, необходимого для ускорения темпа расширения Вселенной, поддержания проходимых червоточин “Звездных врат” и работы двигателей “войд” для свободного плавания по временным геодезическим. С Клиффордом Уиллом и другими своими студентами он заложил основы теоретической интерпретации экспериментальных тестов релятивистских теорий гравитации – основы, на которых Уилл и другие затем построили.
К началу двухтысячных годов Торн интересовался происхождением классического пространства и времени из квантовой пены квантовой гравитации. Публикации – в семидесятых годах Торн стал соавтором “Гравитации” с Чарльзом Мизнером и Джоном Уилером; по мнению Джона К. Бейза и Криса Хиллмана, это одна из величайших научных книг всех времен и вдохновила два поколения студентов.
В начале девяностых годов он опубликовал “Черные дыры и искривление времени”, популярную научную книгу, которая прослеживает черные дыры от Джона Мичелла до Стивена Хокинга и далее. Она была опубликована как минимум на двенадцати языках: английском, немецком, испанском, французском, японском, греческом, чешском, польском, китайском, корейском, тайском и итальянском.
В середине двухтысячных годов он опубликовал книгу о науке, стоящей за одним из известных научно-фантастических фильмов; режиссер этого фильма написал предисловие. В книге Торн обсуждает главную роль вымышленной черной дыры: “Сначала странное утверждение: черные дыры состоят из искривленного пространства и искривленного времени. Ничего больше – никакой материи”.
В конце двухтысячных годов Торн и Роджер Д. Бленфорд опубликовали учебник для аспирантов, охватывающий шесть основных областей физики. С художником Лией Халлоран Торн использовал поэзию и иллюстрации, чтобы исследовать астрофизику в “Искривленной стороне нашей Вселенной”.
Торн опубликовал более 150 статей в научных журналах. Его статьи появились в таких изданиях, как Scientific American, Ежегодник науки и технологий McGraw-Hill и Энциклопедия Колльера, среди других. Награды и почести – Торн был избран в Американскую академию искусств и наук, Национальную академию наук, Российскую академию наук и Американское философское общество.
Он был отмечен многочисленными наградами, включая премию Американского института физики за научную литературу по физике и астрономии, премию Фи Бета Каппа за научную литературу, премию Американского физического общества Лилиенфельда, медаль Карла Шварцшильда Немецкого астрономического общества, премию Робинсона по космологии от Университета Ньюкасла, Англия, премию Sigma Xi за науку и изобретения, и премию Калифорнийского научного центра “Ученый года в Калифорнии”.
Медаль Альберта Эйнштейна от Общества Альберта Эйнштейна, Берн, Швейцария, медаль ЮНЕСКО имени Нильса Бора, специальная премия за прорывы в фундаментальной физике, премия Грубера по космологии, премия Шоу, премия Кавли по астрофизике, премия Томалла за выдающийся вклад в общую теорию относительности и гравитацию, премия Жоржа Леметра, премия Харви, премия Smithsonian Magazine American Ingenuity Award за физические науки, премия Коккони Европейского физического общества, премия принца Астурийского, Нобелевская премия по физике, премия Льюиса Томаса, Золотая пластина Американской академии достижений.
Он был стипендиатом Вудро Вильсона, стипендиатом Дэнфорта, стипендиатом Гуггенхайма и стипендиатом Фулбрайта. Он также получил почетную степень доктора гуманитарных наук от Клермонтского университета и почетный докторат от физического факультета Университета Аристотеля в Салониках. В начале двухтысячных годов он получил почетный докторат от Кембриджского университета. Торн получил почетную степень доктора наук от Рочестерского технологического института в середине двухтысячных годов.
Он был избран на должность профессора Лоренца в Лейденском университете в конце двухтысячных годов. Торн входил в состав Международного комитета по общей теории относительности и гравитации, комитета по сотрудничеству США-УССР в области физики и совета по космическим исследованиям Национальной академии наук, который консультировал НАСА и Конгресс по политике в области космических исследований. Кип Торн был включен в ежегодный список 100 самых влиятельных людей в мире по версии одного из ведущих журналов в середине двухтысячных годов.
Адаптации в СМИ – Торн внес идеи о путешествиях через червоточины в роман Карла Сагана “Контакт”. Торн и его друг, продюсер Линда Обст, также разработали концепцию для фильма Кристофера Нолана “Интерстеллар”. Он также написал сопутствующую книгу о науке этого фильма. Позже Торн консультировал Нолана по физике его фильма “Тенет”, и консультировал Киллиана Мерфи по его изображению Дж. Роберта Оппенгеймера в фильме Нолана “Оппенгеймер”.
В романе Ларри Нивена “Радужная Марс” технология путешествий во времени основана на теориях червоточин Торна, которые в контексте романа стали возможны, а не просто фантастикой. В результате любые попытки путешествовать во времени до разработки Торном теории червоточин приводят к тому, что путешественник попадает в фантастическую версию реальности, а не в настоящее прошлое.
В фильме “Теория всего” Торн был сыгран актером Энцо Чиленти. Торн сыграл самого себя в эпизоде “Теории Большого взрыва” под названием “Накопление лауреатов”. Торн появился в эпизоде документального сериала “Ремесленник” под названием “Наука, искусство и вдохновение”.