Кип С. Торн — американский астрофизик и автор, родившийся 1 июня 1940 года. В 2017 году он разделил Нобелевскую премию по физике с Райнером Вайссом и Барри К. Баришем за «решающий вклад в детектор LIGO и наблюдение гравитационных волн». Вместе с Джоном А. Уилером и Чарльзом Мизнером он написал учебник по общей теории относительности «Гравитация» в 1973 году. Также он автор популярной научной книги «Черные дыры и искривления времени» (1994), удостоенной премии Фи Бета Каппа в области науки. С 1991 по 2009 год Торн занимал должность профессора теоретической физики имени Ричарда П. Фейнмана в Калифорнийском технологическом институте. Долгое время он был другом и коллегой Стивена Хокинга и Карла Сагана, консультировал Сагана по физике червоточин для его романа «Контакт». Торн выступал в качестве научного консультанта фильмов Кристофера Нолана «Интерстеллар» и «Тенет». 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 химии почв в Университете штата Юта, а мать, Элисон (в девичестве Комиш; 1914–2004), была экономистом и первой женщиной, получившей степень доктора философии по экономике в Колледже штата Айова. Выросший в академической среде, двое из его четырех братьев и сестер также стали профессорами. Родители Торна были членами Церкви Иисуса Христа Святых последних дней (Церковь СПД) и воспитывали его в вере СПД, хотя сейчас он считает себя атеистом. Незадолго до смерти матери она призвала Кипа и его братьев и сестер покинуть Церковь СПД из-за ее дискриминации женщин, что они и сделали. Относительно своих взглядов на науку и религию Торн заявил: «Среди моих лучших коллег много очень набожных людей, которые верят в Бога… Нет фундаментальной несовместимости между наукой и религией. Я просто не верю в Бога». Торн рано проявил академические способности, получив признание в конкурсе научных талантов Уэстингхауса в старших классах средней школы Логана. Он получил степень бакалавра по физике в Калифорнийском технологическом институте в 1962 году, а также степень магистра и доктора философии по физике в Принстонском университете в 1964 и 1965 годах под руководством Джона Арчибальда Уилера с диссертацией на тему «Геометродинамика цилиндрических систем». В 1967 году он вернулся в Калифорнийский технологический институт в качестве доцента и стал профессором теоретической физики в 1970 году, став одним из самых молодых профессоров в истории института в возрасте 30 лет. В 1981 году он стал профессором Уильяма Р. Кенана-младшего, а в 1991 году — профессором теоретической физики имени Фейнмана. С 1971 по 1998 год он был адъюнкт-профессором в Университете Юты, а с 1986 по 1992 год — профессором Эндрю Д. Уайта в Корнелльском университете. С 2009 года Торн является профессором-эмеритом теоретической физики имени Фейнмана.
Торн женился на Линде Джин Питерсон в 1960 году. У них родились дети Кэрис Энн и Брет Картер, архитектор. Торн и Питерсон развелись в 1977 году. Физик Карл Саган познакомил Торна с Линдой Обст, будущим продюсером фильмов, на слепом свидании. Они встречались в 1979–1980 годах, расстались, но остались друзьями, впоследствии сотрудничая над фильмом «Интерстеллар». В 1984 году Торн женился на Кэролин Джойс Вайнштейн, профессоре биокинезиологии и физиотерапии в Университете Южной Калифорнии. В 2015 году он сотрудничал с Обст и Стивеном Хокингом над сценарием фильма, для которого они написали несколько черновиков.
На протяжении многих лет Торн был наставником и научным руководителем для многих студентов, ставших лидерами в области наблюдательной, экспериментальной или астрофизической релятивистской физики. Около 50 физиков получили докторские степени в Калифорнийском технологическом институте под его личным руководством. Торн известен своей способностью передавать волнение и значимость открытий в области гравитации и астрофизики как профессиональной, так и широкой аудитории. Его выступления на темы черных дыр, гравитационного излучения, относительности, путешествий во времени и червоточин были включены в передачи PBS в США и на BBC в Великобритании. В 2017 году 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
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 публике своей спорной теорией о том, что червоточины можно использовать для путешествий во времени. Однако научные вклады Торна, которые охватывают общую природу пространства, времени и гравитации, распространяются на все темы общей теории относительности.
Гравитационные волны и LIGO
Работа Торна 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 1984 году он стал сооснователем проекта LIGO, чтобы обнаружить и измерить любые колебания между двумя или более «статическими» точками; такие колебания будут свидетельствовать о гравитационных волнах, как описывают расчеты. Значительной частью его исследований является разработка 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 оказывал теоретическую поддержку LIGO, включая выявление источников гравитационных волн, на которые должен быть нацелен LIGO, проектирование экранов для контроля рассеянного света в трубах луча LIGO, и — в сотрудничестве с исследовательской группой Владимира Брагинского — изобретение квантовых недемолирующих конструкций для передовых детекторов гравитационных волн и методов снижения самого серьезного вида шума в передовых детекторах: термоупругого шума. Вместе с Карлтоном М. Кейвсом Торн изобрел подход избегания обратной связи для квантовых недемолирующих измерений гармонических осцилляторов — технику, применимую как в обнаружении гравитационных волн, так и в квантовой оптике.
11 февраля 2016 года команда из четырех физиков объявила, что в сентябре 2015 года LIGO зафиксировал сигнатуру столкновения двух черных дыр на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет. Это наблюдение стало первым прямым обнаружением мимолетного сигнала гравитационной волны и подтвердило предсказание общей теории относительности.
Космология черных дыр
В 1963–1964 годах научный руководитель Торна в Принстоне Джон Уилер поставил перед ним задачу: выяснить, может ли цилиндрический пучок отталкивающих магнитных силовых линий схлопнуться под действием собственной притягивающей гравитационной силы. После нескольких месяцев борьбы с этой задачей он доказал, что цилиндрическим магнитным силовым линиям невозможно схлопнуться: гравитационная сила может преодолеть все внутреннее давление только тогда, когда объект сжат во всех направлениях, как в случае сферической звезды, схлопывающейся под гравитационной силой. Чтобы выразить это понимание, он сформулировал свою гипотезу петли, которая описывает схлопывающуюся 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 вращать петлю окружности, должен быть черной дырой. Торн и его студенты разработали подход к теории черных дыр, называемый «парадигмой мембраны», и использовали его для уточнения механизма Бленфорда–Знажека, с помощью которого черные дыры могут питать некоторые квазары и активные галактические ядра. Торн исследовал квантово-статистический механический источник энтропии черной дыры. С постдоком Войцехом Журеком он показал, что энтропия черной дыры является логарифмом числа способов, которыми могла быть создана дыра. С Игорем Новиковым и Доном Пейджем он разработал общерелятивистскую теорию тонких аккреционных дисков вокруг черных дыр, и с помощью этой теории 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.
Черноточины и путешествия во времени
Торн и его коллеги в Калифорнийском технологическом институте проводили научные исследования, допускают ли законы физики существование множественно связанного пространства и времени (могут ли существовать классические, проходимые черноточины и «машины времени»?). С Сонг-Воном Кимом Торн выявил универсальный физический механизм (экспоненциальный рост вакуумной поляризации квантовых полей), который всегда может предотвратить развитие замкнутых временных кривых (т.е. предотвратить обратное движение во времени). С Майком Моррисом и Ульви Йуртсевером он показал, что проходимые черноточины 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 на достаточно большой области). Это спровоцировало исследования возможности обладания квантовыми полями такой расширенной отрицательной энергией. Недавние расчеты Торна указывают на то, что простые массы, проходящие через проходимые черноточины, никогда не могут порождать парадоксы — нет начальных условий, которые приводили бы к парадоксу, когда вводится путешествие во времени. Если его результаты можно обобщить, они будут означать, 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 оказывается допускающей множество согласованных решений.
Релятивистские звезды, мультипольные моменты и другие исследования
С Анной Житков Торн предсказал существование красных сверхгигантов со звездами нейтронов в ядрах (объекты Торна–Житков). 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 записал метрику Хартла–Торна, приближенное решение, описывающее внешнюю область 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». 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 2005 году Торн интересовался происхождением классического пространства и времени из квантовой пены квантовой гравитации.
Публикации
В 1973 году Торн стал соавтором книги «Гравитация» с Чарльзом Мизнером и Джоном А. Уилером; по мнению Джона К. Бейца и Криса Хиллмана, это одна из величайших научных книг всех времен и вдохновила два поколения студентов. В 1994 году он опубликовал книгу «Черные дыры и искривления 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 и японском, греческом, чешском, польском, китайском и корейском, тайском и итальянском. В 2014 году он опубликовал книгу «Наука „Интерстеллара“», в которой объясняет науку, стоящую за фильмом Кристофера Нолана; Нолан написал предисловие. В книге Торн обсуждает ключевую роль вымышленной черной дыры Гаргантуа: «Во-первых, странное утверждение: черные дыры состоят из искривленного пространства и искривленного времени. Ничего больше — никакой материи». В сентябре 2017 года Торн и Роджер Д. Бленфорд опубликовали учебник «Современная классическая физика: Оптика, жидкости, плазма, упругость, относительность и статистическая физика», посвященный шести основным областям физики, перечисленным в названии. С художницей Лией Халлоран Торн использовал поэзию и иллюстрации, чтобы исследовать астрофизику в книге «Искривленная сторона нашей Вселенной». Торн опубликовал более 150 статей в научных журналах. Его статьи появлялись в таких изданиях, как Scientific American, Ежегодник науки и технологий McGraw-Hill и Энциклопедия Колльера, среди прочих.
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 в области физики и астрономии, премию Фи Бета Каппа за научную литературу, премию Американского физического общества Лилиенфельда, медаль Карла Шварцшильда Германского астрономического общества, премию Робинсона в области космологии от Университета Ньюкасла, Англия, премию Общества научных исследований Sigma Xi за науку и изобретения, премию Калифорнийского научного центра «Ученый года в Калифорнии», медаль Альберта Эйнштейна от Общества Альберта Эйнштейна, Берн, Швейцария, медаль ЮНЕСКО имени Нильса Бора, специальную премию за прорыв в фундаментальной физике, премию Грубера в области космологии, премию Шоу, премию Кавли в области астрофизики, премию Томалла за выдающийся вклад в общую теорию относительности и гравитацию, премию Жоржа Леметра, премию Харви, премию журнала Smithsonian Magazine American Ingenuity Award в области физических наук, премию Коккони Европейского физического общества, премию принцессы Астурийской, Нобелевскую премию по физике, премию Льюиса Томаса, Золотую медаль 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 почетную степень доктора философии от Физического факультета Университета Аристотеля в Салониках. В 2024 году ему была присвоена почетная степень доктора философии от Кембриджского университета. Торн получил почетную степень доктора наук от Института технологий Рочестера в 2026 году. В 2009 году он был избран на должность профессора Лоренца в Лейденском университете. Торн входил в состав Международного комитета по общей теории относительности и гравитации, Комитета по сотрудничеству США–СССР в области физики, Совета по космическим исследованиям Национальной академии наук, который консультировал НАСА и Конгресс по вопросам политики в области космических исследований.
Кип Торн был включен в ежегодный список 100 самых влиятельных людей в мире по версии журнала Time в 2016 году.
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 фильма Кристофера Нолана «Интерстеллар». Он также написал книгу-компаньон «Наука „Интерстеллара“». 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 «Радужный 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 реальное прошлое. В фильме «Теория всего» Торна сыграл актер Энцо Чиленти. Торн сыграл самого себя в эпизоде «Теории Большого взрыва» под названием «Накопление лауреатов». Торн представлен в одном из эпизодов документального сериала «Ремесленник» под названием «Наука, искусство и вдохновение».