Κιπ Θορν

Ο Κιπ Στήβεν Θορν (Kip Stephen Thorne, 1 Ιουνίου 1940) είναι Αμερικανός θεωρητικός φυσικός, γνωστός για τις συνεισφορές του στη θεωρία της βαρύτητας και στην αστροφυσική. Για χρόνια φίλος και συνάδελφος του Στήβεν Χόκινγκ και του Καρλ Σέιγκαν, ήταν καθηγητής Θεωρητικής Φυσικής στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Καλιφόρνια (Caltech) μέχρι το 2009 και ένας από τους κορυφαίους ειδικούς παγκοσμίως στην αστροφυσική της Γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Συνεχίζει να ασχολείται με την επιστημονική έρευνα και ως επιστημονικός σύμβουλος, με πιο γνωστή τη συνεισφορά του στην κινηματογραφική ταινία Interstellar του Κρίστοφερ Νόλαν. 

Το 2017 ο Θορν βραβεύθηκε, μαζί με τους Ράινερ Βάις και Μπάρι Μπάρις, με το Νόμπελ Φυσικής για τις αποφασιστικές συνεισφορές του στον ανιχνευτή LIGO και την παρατήρηση βαρυτικών κυμάτων.

Ζωή και σταδιοδρομία

Ο Κιπ Θορν γεννήθηκε την 1η Ιουνίου 1940 στην πόλη Λόγκαν της Γιούτα. Αμφότεροι οι γονείς του ήταν καθηγητές στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Γιούτα: Ο Γουίν (Wynne) Θορν καθηγητής της αγρονομίας και η Άλισον, το γένος Κόρνις (Cornish), καθηγήτρια των οικονομικών. Μεγαλωμένα σε ακαδημαϊκό περιβάλλον, δύο από τα 4 αδέλφια του Κιπ έγιναν επίσης καθηγητές πανεπιστημίου. Οι γονείς του ήταν Μορμόνοι και ο Κιπ μεγάλωσε ως Μορμόνος, παρότι σήμερα περιγράφει τον εαυτό του ως άθεο. Αναφορικά με τις απόψεις του για τη σχέση θρησκείας και επιστήμης έχει δηλώσει: «Υπάρχουν πολλοί από τους καλύτερους συναδέλφους μου που είναι πολύ ευσεβείς και πιστεύουν στον Θεό [...] Δεν υπάρχει κάποια θεμελιώδης ασυμβατότητα ανάμεσα στην επιστήμη και στη θρησκεία. Απλώς συμβαίνει εγώ να μη πιστεύω στον Θεό.»

Ο Κιπ Θορν γρήγορα αρίστευσε στις σπουδές του και έγινε ένας από τους νεαρότερους σε ηλικία καθηγητές α΄ βαθμίδας στην ιστορία του Καλτέκ. Πήρε το πτυχίο του στη φυσική από το ίδιο πανεπιστήμιο το 1962 και το διδακτορικό του από το Πανεπιστήμιο Πρίνστον το 1965. Εκπόνησε τη διδακτορική διατριβή του, με τίτλο Γεωμετροδυναμική των κυλινδρικών συστημάτων, υπό την επίβλεψη του Τζων Γουίλερ. Ο Θορν επέστρεψε στο Καλτέκ ως αναπληρωτής καθηγητής το 1967 και έγινε καθηγητής α΄ βαθμίδας της Θεωρητικής Φυσικής το 1970. Συνταξιοδοτήθηκε τον Ιούνιο του 2009.

Κατά τη διάρκεια της μακράς σταδιοδρομίας του, ο Θορν καθοδήγησε και επόπτευσε τα διδακτορικά πολλών σπουδαίων θεωρητικών που ερευνούν σήμερα θέματα της γενικής σχετικότητας. Συνολικά επόπτευσε περί τα 50 διδακτορικά, μεταξύ των οποίων αυτά του Άλαν Λάιτμαν και του αναπληρωτή καθηγητή του Πανεπιστημίου Αθηνών Θεοχάρη Αποστολάτου.

Ο Θορν έγινε γνωστός για την ικανότητά του να μεταδίδει τη σημασία και τη συναρπαστικότητα των ανακαλύψεων στη βαρύτητα και στην αστροφυσική, τόσο σε πανεπιστημιακούς όσο και στο γενικό κοινό. Το 1999 προέβη σε μερικές εικασίες ως προς το τι θα ανακαλυφθεί τον 21ο αιώνα ως απαντήσεις στα εξής ερωτήματα:

 Υπάρχει μια «σκοτεινή πλευρά» του Σύμπαντος που «κατοικείται» από αντικείμενα όπως οι μαύρες τρύπες;
 Μπορούμε να παρατηρήσουμε τη γένεση του Σύμπαντος και τη σκοτεινή πλευρά του με τη χρήση βαρυτικών κυμάτων;
 Θα αποκαλύψει η τεχνολογία του 21ου αιώνα κβαντική συμπεριφορά σε αντικείμενα ανθρώπινου μεγέθους;

Οι παρουσιάσεις του πάνω σε θέματα όπως οι μαύρες τρύπες, τα βαρυτικά κύματα, η θεωρία της σχετικότητας, το ταξίδι στον χρόνο και οι σκουληκότρυπες έχουν περιληφθεί σε ντοκιμαντέρ ή άλλες εκπομπές του PBS (στις ΗΠΑ) και του BBC (στο Ηνωμένο Βασίλειο).

Ο Θορν νυμφεύθηκε τη Λίντα Τζην Πήτερσον (Linda Jean Peterson) το 1960. Απέκτησαν δύο παιδιά, την Καρες-Ανν και τον Μπρετ Κάρτερ, και πήραν διαζύγιο το 1977. Ο Θορν νυμφεύθηκε τη δεύτερη σύζυγό του, την Καρολή Τζόυς Γουίνστιν (Carolee Joyce Winstein), καθηγήτρια της κινησιολογίας και της φυσικοθεραπείας στο Πανεπιστήμιο της νότιας Καλιφόρνια, το 1984.

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.

Τιμητικές διακρίσεις
Ο Θορν έχει εκλεγεί μέλος της Αμερικανικής Ακαδημίας Τεχνών και Επιστημών (1972), της αμερικανικής Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών, της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών και της Αμερικανικής Φιλοσοφικής Εταιρείας.

Επίσης, έχει τιμηθεί μεταξύ άλλων και με τα παρακάτω βραβεία και μετάλλια:

 Βραβείο επιστημονικής συγγραφής στη φυσική και αστρονομία του Αμερικανικού Ινστιτούτου Φυσικής
 Βραβείο Λίλιενφελντ της Αμερικανικής Εταιρείας Φυσικής
 Μετάλλιο Καρλ Σβάρτσιλντ της Γερμανικής Αστρονομικής Εταιρείας (1996)
 Βραβείο Ρόμπινσον για την Κοσμολογία από το Πανεπιστήμιο του Νιούκασλ της Αγγλίας
 Το «California Scientist of the Year Award» του Κέντρου Επιστημών της Καλιφόρνια (2003)
 Μετάλλιο Άλμπερτ Αϊνστάιν (2009)
 Βραβείο Θεμελιώδους Φυσικής (2016)
 Βραβείο Κοσμολογίας Γκρούμπερ (2016)
 Βραβείο Σω (2016) μαζί με τους Ρόναλντ Ντρέβερ και Ράινερ Βάις.
 Βραβείο Tomalla (2016) για εξέχουσες συνεισφορές στη γενική σχετικότητα και τη βαρύτητα.
 Βραβείο «Ζωρζ Λεμαίτρ» (2016)
 Βραβείο Νόμπελ Φυσικής (2017)

Ο Θορν έχει υπάρξει υπότροφος των ιδρυμάτων Γούντροου Γουίλσον, Ντάνφορθ, Γκούγκενχάιμ και του Προγράμματος Φουλμπράιτ. Επίσης, έχει υπάρξει μέλος της Διεθνούς Επιτροπής Γενικής Σχετικότητας και Βαρύτητας, της Επιτροπής Συνεργασίας ΗΠΑ-ΕΣΣΔ στη Φυσική και του συμβουλίου Διαστημικής Επιστήμης της αμερικανικής Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών, που έχει συμβουλεύσει τη NASA και το Κογκρέσο σε θέματα διαστημικής πολιτικής.

Ο Κιπ Θορν επιλέχθηκε από το περιοδικό Time στον ετήσιο κατάλογο των 100 «πιο επιδραστικών» προσώπων στις ΗΠΑ το 2016.

Μερική βιβλιογραφία
 Thorne, K.S., in 300 Years of Gravitation, (Eds.) S.W. Hawking and W. Israel, 1987, (Chicago: Univ. of Chicago Press), Gravitational Radiation.
 Thorne, K.S., Price, R.H. and Macdonald, D. M., Black Holes, The Membrane Paradigm, 1986, (New Haven: Yale Univ. Press).
 Friedman, J., Morris, M.S., Novikov, I.D., Echeverria, F., Klinkhammer, G., Thorne, K.S. and Yurtsever, U., Physical Review D., 1990

Δείτε επίσης
 LIGO
 Ταξίδι στον χρόνο

Παραπομπές

Εξωτερικοί σύνδεσμοι
 Προσωπική ιστοσελίδα
 Ο Κιπ Θορν στην Internet Movie Database

Αμερικανοί φυσικοί
Αστροφυσικοί
Αμερικανοί άθεοι
Γενική σχετικότητα
Θεωρητικοί της σχετικότητας
Μέλη της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών των Ηνωμένων Πολιτειών
Βραβευμένοι με Νόμπελ Φυσικής
Αμερικανοί νομπελίστες