Κιπ Θορν

Ερευνητικά αποτελέσματα

Οι έρευνες του Θορν επικεντρώθηκαν στη σχετικιστική αστροφυσική και στη βαρυτική φυσική, με έμφαση στους αστέρες νετρονίων, στις μαύρες τρύπες και ιδιαίτερα στα βαρυτικά κύματα. Στο ευρύ κοινό είναι ίσως περισσότερο γνωστός για την αμφιλεγόμενη θεωρία του ότι οι σκουληκότρυπες θα μπορούσαν θεωρητικά να χρησιμοποιηθούν για ταξίδι μέσα στον χρόνο. Ωστόσο, οι συνεισφορές του στην επιστήμη, που φθάνουν μέχρι τη μελέτη της φύσεως του χώρου, του χρόνου και της βαρύτητας, καλύπτουν όλα τα θέματα της γενικής σχετικότητας.

Τα βαρυτικά κύματα και το LIGO

Η έρευνα του Θορν είχε προβλέψει τις αναμενόμενες εντάσεις και τις χρονικές «υπογραφές» των βαρυτικών κυμάτων που προέρχονται από διάφορες πηγές, όπως αυτά θα καταγράφονταν στη Γη. Αυτό το θέμα αφορά άμεσα το LIGO (Laser Interferometer Gravitational wave Observatory, Παρατηρητήριο Βαρυτικών κυμάτων με Συμβολομετρία Λέιζερ), ένα συνεργατικό πείραμα ανιχνεύσεως βαρυτικών κυμάτων του οποίου ο Θορν υπήρξε βασικός υποστηρικτής – το 1984 υπήρξε ένας από τους ιδρυτές του Προγράμματος LIGO (είναι το μεγαλύτερο πρόγραμμα που χρηματοδοτήθηκε ποτέ από το NSF). Μία σημαντική πτυχή της έρευνας του Θορν ήταν το ότι ανέπτυξε τα απαραίτητα μαθηματικά για την ανάλυση της παραγωγής των βαρυτικών κυμάτων από αστροφυσικά σώματα. Ο Θορν ασχολήθηκε επίσης με αναλύσεις του μηχανικού σχεδιασμού για χαρακτηριστικά του LIGO που δεν μπορούν να αναπτυχθούν με πειραματικές μεθόδους και συμβούλευσε σχετικά με τους αλγορίθμους για την ανάλυση δεδομένων, δια των οποίων θα ανιχνεύονταν τα βαρυτικά κύματα. Η θεωρητική του υποστήριξη για το LIGO περιελάμβανε επίσης την ταυτοποίηση πηγών βαρυτικών κυμάτων που θα έπρεπε να στοχεύσει το LIGO και (σε συνεργασία με την ερευνητική ομάδα του Βλαντίμιρ Μπραγκίνσκυ στη Μόσχα) την επινόηση  σχεδίων για μετρήσεις ελάχιστης κβαντικής αβεβαιότητας (quantum nondemolition) για την κατασκευή προηγμένων ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων και μεθόδων για τη μείωση του σοβαρότερου είδους θορύβου σε αυτούς: του θερμοελαστικού. Μαζί με τον Κάρλτον Κέιβς (Carlton M. Caves) ο Θορν επινόησε την προσέγγιση «αποφυγής αναδράσεων» (back-action-evasion approach) σε μετρήσεις ελάχιστης κβαντικής αβεβαιότητας αρμονικών ταλαντωτών – μια τεχνική που μπορεί να εφαρμοσθεί τόσο στην ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων όσο και στην κβαντική οπτική.
Στις 11 Φεβρουαρίου 2016 μία ομάδα 4 φυσικών που αντιπροσώπευαν το LIGO ανακοίνωσε ότι τον Σεπτέμβριο του 2015, το LIGO είχε καταγράψει την «υπογραφή» βαρυτικών κυμάτων που είχαν συγκρουσθεί 1,3 δισεκατομμύριο έτη φωτός μακριά μας. Αυτή ήταν η πρώτη απευθείας παρατήρηση βαρυτικών κυμάτων και επιβεβαίωσε μία σημαντική πρόβλεψη της Γενικής θεωρίας της σχετικότητας.

Μαύρες τρύπες

Ενώ ακόμα ο Θορν εκπονούσε τη διδακτορική του διατριβή στο Πρίνστον, ο καθηγητής του Τζον Γουίλερ του είχε δώσει ένα πρόβλημα να το σκεφθεί: Να βρεθεί αν μια κυλινδρική δέσμη δυναμικών γραμμών μαγνητικού πεδίου μπορεί να συμπτυχθεί μόνη της υπό την επίδραση της δικής της ελκτικής βαρυτικής δυνάμεως. Μετά από αρκετούς μήνες πάλης με αυτό το πρόβλημα, ο Θορν κατάφερε να αποδείξει ότι θα ήταν αδύνατο να γίνει κάτι τέτοιο.
Γιατί μια κυλινδρική δέσμη γραμμών ισχυρότατου μαγνητικού πεδίου δεν θα καταρρεύσει βαρυτικά όπως ένας σφαιρικός αστέρας, παρότι και η πυκνότητα ενέργειας που περιέχει ασκεί και δέχεται επίσης βαρυτικές δυνάμεις σύμφωνα με τη Γενική θεωρία της σχετικότητας; Ο Θορν εξερεύνησε τη θεωρητική διαφορά ανάμεσα στα δύο φαινόμενα, για να διαπιστώσει τελικά ότι η βαρυτική δύναμη μπορεί να υπερνικήσει κάθε εσωτερική δύναμη ή πίεση μόνο όταν ένα σώμα συμπιέζεται από όλες τις διευθύνσεις. Προκειμένου να εκφράσει αυτή τη διαπίστωση, ο Θορν πρότεινε τη λεγόμενη «εικασία του στεφανιού» (hoop conjecture), που περιγράφει ένα άστρο που καταρρέει σε μαύρη τρύπα όταν η κρίσιμη περιφέρεια του στεφανιού μπορεί να χωρέσει γύρω του και να τεθεί σε περιστροφή. Δηλαδή οποιοδήποτε αντικείμενο μάζας M γύρω από το οποίο μπορεί να περιστραφεί ένα στεφάνι περιμέτρου  πρέπει να είναι μαύρη τρύπα. 
Ως εργαλείο προς χρήση σε αμφότερους τους κλάδους, την αστροφυσική και τη θεωρητική φυσική, ο Θορν και οι φοιτητές του ανέπτυξαν μια ασυνήθιστη προσέγγιση στη θεωρία της μαύρης τρύπας, την οποία ονόμασαν «υπόδειγμα της μεμβράνης» (Membrane paradigm), και τη χρησιμοποίησαν για να διευκρινίσουν τον λεγόμενο «μηχανισμό Blandford-Znajek» με τον οποίο οι μαύρες τρύπες μπορεί να δίνουν ενέργεια σε κάποιους κβάζαρ και ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες. 
Ο Θορν έχει ερευνήσει την κβαντική προέλευση της εντροπίας μιας μαύρης τρύπας. Με τον μεταδιδάκτορα ερευνητή του Wojciech Zurek, απέδειξε ότι η εντροπία μιας μαύρης τρύπας ισούται με τον λογάριθμο του αριθμού των τρόπων με τους οποίους θα μπορούσε να είχε προκύψει η συγκεκριμένη τρύπα.
Μαζί με τους Ιγκόρ Νόβικοφ και Ντον Πέιτζ ο Θορν ανέπτυξε τη γενική σχετικιστική θεωρία των λεπτών δίσκων προσαυξήσεως γύρω από μαύρες τρύπες. Με χρήση αυτής της θεωρίας βρήκε ότι με διπλασιασμό της μάζας της από έναν τέτοιο δίσκο μια μαύρη τρύπα θα επιταχύνει την περιστροφή της μέχρι το 0,998 του μέγιστου ρυθμού περιστροφής που επιτρέπει η γενική σχετικότητα, αλλά ποτέ περισσότερο από αυτό το όριο. Αυτή είναι πιθανώς η ταχύτερη περιστροφή μαύρης τρύπας που επιτρέπεται στη φύση. Ας σημειωθεί ότι μέχρι και το 30% της μάζας του δίσκου που πέφτει στη μαύρη τρύπα μετατρέπεται σε ενέργεια.

Σκουληκότρυπες και ταξίδι στον χρόνο

Ο Θορν και οι συνεργάτες του στο Καλτέκ ερεύνησαν το αν οι νόμοι της φυσικής επιτρέπουν την πολλαπλή σύνδεση χώρου και χρόνου, δηλαδή αν μπορούν να υπάρξουν κλασικές διασχίσιμες σκουληκότρυπες και «μηχανές του χρόνου». Με τον Σουνγ-Γουόν Κιμ, ο Θορν βρήκε έναν παγκόσμιο φυσικό μηχανισμό (την εκρηκτική αύξηση της πολώσης κενού των κβαντικών πεδίων) που ίσως να αποτρέπει τον χωρόχρονο από το να αναπτύσσει κλειστές χρονοειδείς καμπύλες και έτσι να αποτρέπει το ταξίδι στο παρελθόν.
Μαζί με τους Μάικ Μόρις και Ούλβι Γιούρτσεβερ ο Θορν απέδειξε ότι οι διασχίσιμες (λορεντζιανές) σκουληκότρυπες μπορούν να υπάρξουν στη δομή του χωρόχρονου μόνο αν αποτελούνται από κβαντικά πεδία ευρισκόμενα σε κβαντικές καταστάσεις που παραβιάζουν τη συνθήκη της μέσης μηδενικής ενέργειας (δηλαδή που έχουν αρνητική επανακανονικοποιημένη ενέργεια εξαπλωμένη σε μια αρκετά μεγάλη περιοχή). Το συμπέρασμα αυτό προκάλεσε έρευνες για την ικανότητα των κβαντικών πεδίων να έχουν τέτοια εκτεταμένη αρνητική ενέργεια. Πρόσφατοι υπολογισμοί του Θορν υπέδειξαν ότι απλές μάζες που διασχίζουν τέτοιες σκουληκότρυπες δεν θα μπορούσαν ποτέ να προκαλέσουν παράδοξα – δεν υπάρχουν αρχικές συνθήκες που να οδηγούν σε παράδοξα με την εισαγωγή του ταξιδιού στον χρόνο. Αν τα αποτελέσματα αυτά μπορούσαν να γενικευθούν, θα υποδείκνυαν ότι κανένα από τα υποτιθέμενα παράδοξα που διατυπώνονται σε ιστορίες ταξιδιών στον χρόνο δεν μπορεί να προκύψει σε ένα ακριβές φυσικό επίπεδο. Η κάθε κατάσταση σε μία ιστορία ταξιδιού στον χρόνο αποδεικνύεται ότι επιτρέπει πολλές αυτοσυνεπείς λύσεις.

Σχετικιστικοί αστέρες, πολυπολικές ροπές και άλλα

Μαζί με την Αννα Ν. Ζύτκοφ ο Θορν προέβλεψε το 1977 την ύπαρξη ερυθρών γιγάντων αστέρων που έχουν ως πυρήνες τους αστέρες νετρονίων («αντικείμενα Θορν-Ζίτκοφ»). Επίσης, έθεσε τα θεμέλια για τη θεωρία των ταλαντώσεων των αστέρων νετρονίων και της βαρυτικής ακτινοβολίας (βαρυτικών κυμάτων) που αυτοί εκπέμπουν. Μαζί με τον Τζέιμς Χαρτλ ο Θορν εξήγαγε από τη γενική σχετικότητα τους νόμους της κινήσεως και της μεταπτώσεως για τις μαύρες τρύπες και για άλλα σχετικιστικά σώματα, καθώς και την επίδραση της συζεύξεως των πολυπολικών ροπών τους με την καμπυλότητα του χωροχρόνου γειτονικών σωμάτων. Επιπλέον, ο Θορν έχει προβλέψει θεωρητικά την ύπαρξη «εξωτικής ύλης» με πάντοτε απωστική βαρύτητα – το στοιχείο που είναι απαραίτητο για να επιταχύνει τη διαστολή του Σύμπαντος, να διατηρεί ανοικτές τις διασχίσιμες σκουληκότρυπες και να καθιστά δυνατές τις χρονοειδείς γεωδαισιακές ελεύθερες διαδρομές Αλκουμπιέρε. Με τον Κλίφορντ Γουίλ και άλλους φοιτητές του, ο Θορν θεμελίωσε θεωρητικές ερμηνείες πειραματικών ελέγχων σχετικιστικών θεωριών της βαρύτητας (τις οποίες ανέπτυξαν αργότερα ο Γουίλ και άλλοι). Τελευταίως ο Θορν ενδιαφερόταν για το πώς μπορεί να προέκυψε ο κλασικός χώρος και χρόνος από τον κβαντικό αφρό της θεωρίας της κβαντικής βαρύτητας.

Δημοσιεύσεις

Ο Θορν έχει γράψει και επιμεληθεί βιβλία σε θέματα βαρυτικής θεωρίας και αστροφυσικής υψηλών ενεργειών. Το 1973 έγραψε μαζί με τους Τσαρλς Μίσνερ και Τζων Γουήλερ το σύγγραμμα  Gravitation («Βαρύτητα»), το οποίο κατά τους Τζων Κ. Μπάιεζ και Κρις Χίλμαν είναι ένα από τα μεγάλα επιστημονικά βιβλία όλων των εποχών και έχει εμπνεύσει δύο γενιές φοιτητών Το 1994 δημοσίευσε ένα εκλαϊκευτικό βιβλίο με τίτλο Black Holes and Time Warps: Einstein's Outrageous Legacy (= «Μαύρες τρύπες και χρονοστρεβλώσεις: Η εξωφρενική κληρονομιά του Αϊνστάιν»), το οποίο βραβεύθηκε με πολλά βραβεία και μεταφράσθηκε σε 6 γλώσσες, με εκδόσεις στην κινεζική, στην ιταλική, στην τσέχικη και στην πολωνική. Το 2014 κυκλοφόρησε το βιβλίο του The Science of Interstellar, όπου εξηγεί την επιστήμη πίσω από την κινηματογραφική ταινία Interstellar του Κρίστοφερ Νόλαν. Ο Νόλαν έγραψε τον πρόλογο του βιβλίου. Παλαιότερα, ο Θορν είχε συνεισφέρει ιδέες σχετικά με το ταξίδι μέσα από σκουληκότρυπες στον Καρλ Σέιγκαν για να τις εντάξει στο μυθιστόρημά του Η επαφή.
`Αρθρα του Θορν έχουν εμφανισθεί σε εκδόσεις όπως το περιοδικό Scientific American, το Yearbook of Science and Technology των εκδόσεων McGraw-Hill και η Collier's Encyclopedia. Επιπλέον, έχει δημοσιεύσει περισσότερες από 150 εργασίες σε ερευνητικά περιοδικά.