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基普·索恩

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基普·索恩2017年诺贝尔物理学奖得主
Kip Thorne
索恩在2022年
出生 (1940-06-01) 1940年6月1日（84岁）
 美国犹他州洛根
国籍 美国
母校加州理工学院（学士）
普林斯顿大学（博士）
知名于索恩－祖特阔夫天体
索恩-霍金-普雷斯基尔赌局
LIGO
奖项阿尔伯特·爱因斯坦奖章（2009年）
基础物理学特别突破奖 （2016年）
邵逸夫天文学奖 （2016年）
诺贝尔物理学奖 （2017年）
科学生涯
研究领域天体物理学
引力波天文学
机构加州理工学院
博士导师约翰·惠勒
博士生李立[1]
唐纳德·佩奇
理查德·普莱斯
柏纳德·舒茨（英语：Bernard Shutz）
索尔·图科斯基
克利福德·威尔

基普·斯蒂芬·索恩（英语：Kip Stephen Thorne，1940年6月1日— ）是美国理论物理学家，主要贡献是在引力物理和天体物理学领域。索恩和英国物理学家斯蒂芬·霍金，以及美国天文学家、科普作家、科幻小说作家卡尔·萨根保持了长期的好友和同事关系。[2]:12009年以前一直担任加州理工学院费曼理论物理学教授[3]，是当今世界上研究在天体物理学领域的广义相对论理论与实验的领导者之一。

2017年，索恩因对LIGO探测器及引力波探测的决定性贡献而与莱纳·魏斯及巴里·巴里什共同获得诺贝尔物理学奖[4]。

生平

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索恩于1972年的照片

索恩于1940年6月1日出生在美国犹他州的洛根，他的父母亲都是犹他州立大学的教授：父亲维恩·索恩（英语：D. Wynne Thorne）是农艺学专家，母亲艾莉森·索恩（英语：Alison C. Thorne）是经济学家。同在学术氛围浓郁的家庭环境中成长，在他的四名兄弟姐妹当中，后来有两人也成为了教授。[5][6]

索恩年轻时就已在学术领域取得了非凡的成就，他在三十岁时成为了加州理工学院历史上最年轻的正教授之一。他于1962年获得加州理工学院的学士学位，在1965年获得普林斯顿大学的博士学位。在著名的物理学家约翰·惠勒的指导下，索恩完成了博士论文《圆柱系统的几何动力学》（Geometrodynamics of Cylindrical Systems）。1967年索恩回到加州理工学院被聘任为一名副教授，三年后晋升教授职位，1981年起担任“威廉·科南（英语：William R Kenan, Jr.）教授”，自1991年至2009年，他荣任“费曼理论物理学教授”，辞任后，他从事于写作与制作电影，但仍继续科学研究。他的第一部电影计划是《星际效应;zh-hk星際啟示錄》，他与导演克里斯托弗·诺兰共同合作完成这部电影。索恩现为“荣誉费曼理论物理学教授”。[3]

多年来，索恩一直扮演着众多前沿理论学者的导师和论文指导教授的角色，这些学者现今大多仍旧活跃在广义相对论的观测、实验或天体物理学领域。到目前为止，出自索恩门下的加州理工学院物理博士毕业生约有五十多名。[3]

索恩善于将在引力物理和天体物理学领域的一些发现的令人兴奋并且重要之处，清楚明白地解释给学术界专家与一般听众。1999年，索恩预言，人类将能够在二十一世纪解答一些以下尚未解决的问题：[7][8]

  • 是否存在这样一个“宇宙的黑暗面”，其中遍布诸如黑洞一般的天体？
  • 我们能否通过引力波来观测宇宙的诞生和黑暗面？
  • 21世纪科技能否观测到量子行为发生于像人类尺寸大小的物体？

索恩于1960年和第一任妻子琳达·彼得森（英语：Linda Jean Peterson）结婚，并有两个孩子，后来于1977年离婚。1984年和第二任妻子，南加州大学的生物机动学（英语：biokinesiology）和物理治疗法教授卡罗莉·温斯坦（英语：Carolee Joyce Winstein）结婚。[9]

研究领域

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索恩的研究领域主要是在相对论性天体物理学和引力物理学，其中比较着重于相对论性星体（英语：relativistic star）和黑洞方面的论题，特别是关于引力波的论题。[3]最被公众所知与极具争议性的论述无疑应属他的关于虫洞或许能够用来做星际旅行或时间旅行的主张。[10]

引力波和LIGO

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索恩是全世界公认的引力波天文学权威。自从1960年代，他就在研究，从像黑洞互撞或中子星互撞这般的宇宙极端事件，怎样生成引力波。1975年，他与莱纳·魏斯尝试将魏斯设计制作的干涉臂为5英尺长的雏型引力波探测器加以改良。[11]1981年，索恩在加州理工学院实验室里成功地制成了干涉臂为31英尺臂长的雏型引力波探测器。[12]

索恩是激光干涉引力波天文台（LIGO）的主要发起者之一。1984年索恩与朗纳·德瑞福、莱纳·魏斯合作拟妥了LIGO计划，这计划是至今为止（2016年）美国国家科学基金会投资的最大项目。[13]LIGO运用激光干涉的方法测量微小的长度变化，引力波引起的时空扰动会造成某种特别模式的长度变化，LIGO希望能够找到这种特别模式，从而探测到引力波的踪迹。

长久以来，索恩是LIGO在理论方面的专家，他与他的团队给予LIGO很多宝贵的理论支援，这包括为探测引力波的数据分析算法奠定理论基础，指明LIGO应该探测的目标波源，设计LIGO射束管中用来控制散射光的挡板，分析各种躁声的来源与构想控制躁声的方法。他和莫斯科的弗拉基米尔·布拉金斯基（英语：Vladimir Braginsky）研究小组合作发展出用于新一代引力波探测器的量子非破坏性测量（英语：quantum nondemolition measurement）器件设计。索恩和他的学生卡尔顿·卡维斯（英语：Carlton Caves）一起开发了反作用回避（英语：back-action evasion）方法来对谐振子做量子非破坏性测量，这种技术可以有效地应用于引力波探测和量子光学。[3]

2016年2月11日，代表LIGO科学协作团队（英语：LIGO Scientific Collaboration）的四人小组宣布，LIGO于2015日9月曾记录到在约13亿光年之外，两个黑洞因碰撞而产生的特征信号。这次探测是第一次直接观察到引力波。此次探测验证了广义相对论的一项重要理论预测，并且开启了引力波天文学的新纪元。[14][15][16]

黑洞宇宙学

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一个圆柱丛的磁场线。

索恩在普林斯顿大学攻读博士学位时，他的指导教授约翰·惠勒最初选派给他一个引力问题：一个圆柱丛的磁场线是否可能会因引力而发生内爆？一般而言，圆柱型磁铁的磁场线与磁场线彼此之间会相互排斥，如果不是磁铁将磁场线聚集在一起，这些磁场线会向外爆开。但根据广义相对论．由于磁场也是能量，给定足够强劲的磁场，则其能量所产生的强劲引力会将一个圆柱丛的磁场线聚集在一起，完全不需要磁铁的拘禁作用。然而，这状况很可能不稳定，更强劲的引力很可能会促使这些磁场线发生内爆。经过一番研究，应用爱因斯坦场方程于这问题，索恩给出理论证明：一个圆柱丛的磁场线绝不可能因屈服于引力而发生内爆。[17]:262-265

为什么一个圆柱丛的磁场线不会发生内爆，而球型恒星会发生内爆？索恩试图找出这问题的解答，他发觉，只有当物体在所有方向都被压缩之时，引力才能够克制内部压强。索恩提出环猜想来表述这领悟，环猜想表明，一个经历内爆的物体会坍缩成具有事件视界的黑洞，当且仅当，该物体被压缩后的周长在任何方向都会小于该物体的“临界周长”。[注 1]换句话说，该物体会坍缩成具有事件视界的黑洞，当且仅当，由该物体的史瓦西半径所形成的球面能够将该物体完全包裹在内。[17]:266-267[18]:189-190

由于宇宙学者理查·韩倪（英语：Richard Hanni）、雷莫·鲁菲尼等等在1970年代所贡献出的基础性论述与启发，索恩与他的学生发展出一种妙用无穷的研究黑洞物理学的范式，称为膜范式（英语：membrane paradigm）。对于任何在黑洞外发生的现象，弯曲时空范式所能够写出的黑洞物理学定律，膜范式也能够等价地写出，而且更为简单明了。使用膜范式，索恩详细地阐明了布兰德福–日纳杰过程。[注 2][17]{{rp|405-411}

在黑洞热力学领域，约翰·惠勒的研究生雅各布·贝肯斯坦宣称，黑洞的表面面积可以用来量度熵；假若将一堆含有熵的物质丢入黑洞，则响应这动作，黑洞的表面面积会增加。进一步分析这论述，这索恩与博士后沃杰克·祖瑞克（英语：Wojciech Zurek）构想出一个理想实验：将一些具有质量、角动量与电荷量的物质丢入某黑洞，一旦这些物质进入这黑洞的事件视界后，就无法从视界外得知到这些物质的除了质量、角动量与电荷量以外的其它性质，因为，根据无毛定理，黑洞只有三种特性：质量、角动量与电荷量。索恩与祖瑞克由此推论，给定最初黑洞与最终黑洞，数算到底有多少种丢入这些物质的方法，这数量的对数必是黑洞的熵的增加值。索恩与祖瑞克总结，一个黑洞的熵是所有能够制成这黑洞的方法的数量的对数。[17]:445-446

索恩、伊戈尔·诺维考弗（英语：Igor_Dmitriyevich_Novikov）与唐恩·佩吉共同发展出黑洞吸积盘的广义相对论性理论，应用这理论，他们估算，假若黑洞的质量因吸积而成长为先前的两倍，则该黑洞的旋转速度可增至高达广义相对论所允许的旋转速度的99.8%。由于吸积盘的发射电磁辐射、黑洞的吸收电磁辐射，这两种机制都会产生反作用力矩，这是该黑洞的最大旋转速度，这可能也是大自然所允许的最大黑洞旋转速度，吸积的最大效率为30%。[3]

虫洞和时间旅行

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在宇宙的两个相隔甚远的空间区域之间，虫洞提供了一条相连通的捷径。红线表示通过正常空间的路径，绿线表示通过虫洞的捷径。

卡尔·萨根在撰写科幻小说《接触未来》时，曾经请教索恩一些关于星际旅行的问题，这引起了索恩研究虫洞的兴趣。萨根不是广义相对论专家，他原本想要使用黑洞来进行星际旅行，索恩提醒萨根，黑洞不是个风平浪静的地方，进入黑洞的太空船会被电磁辐射与电磁真空涨落不停地攻击，这些被引力加速至极高能量的电磁辐射与电磁真空涨落会极快速地摧毁太空船。因此必须改使用虫洞。[17]:483-484虫洞是一种假想的多连通时空实体，与黑洞一般，它涉及到超强劲的引力，但不同的是，它有两个端点，从一端进入，可以从另一端出来。因此科幻小说常常会将虫洞描述为一种遨游星空宇宙的高速通道，或穿越古今未来的时间机器。然而，在那时期，物理学者并不清楚虫洞是否符合已知物理学理论。[19]

索恩与两位加州理工学院高材生麦克·莫利斯（英语：Mike Morris (physicist)）、额维·尤特西沃（英语：Ulvi Yurtsever）在《物理评论快报》发表了一篇论文《虫洞、时间机器与弱能量条件（英语：Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition）》[20]，在文中他们阐明，大多数虫洞都不可供通行，可供通行的虫洞必须使用某种反引力的奇异物质为洞壁的建材。宇宙中应该可以找到反引力的奇异物质，反引力能够遏止普通带质量物体因引力发生内爆形成的黑洞。负能量可以生成反引力。有些量子系统可以处于负能量态，这意味着物理定律不排除奇异物质存在于宇宙。[19]霍金早先已于1974年发现，在黑洞的事件视界附近的量子涨落具有奇异性质。后来，罗伯特·沃尔德与尤特西沃证实，曲率扭曲了量子涨落，促使其具有奇异性质。然而，物理学者尚不清楚量子涨落是否能维持虫洞的内部空旷无阻。[17]:492-493

索恩与两位博士生进一步阐述，假若物理定律允许在空间中创建与维持可供通行的虫洞，则这虫洞也可被改装成时间机器，然而这样很可能会违反因果论，至于是否能够创建与维持可供通行的虫洞，这问题涉及到一些尚未搞清楚的论题，例如，宇宙审查假说、量子引力、量子场论等等。在知悉这篇论文被发表后，诺维考弗非常高兴地表示，从此以后他也可以发表关于时间机器的论文了。[17]:507-508索恩的这篇论文标志着关于时间机器的论题已从科幻小说领域登入科学领域。

索恩与韩裔博士后Sung-Won Kim研究出一种万用的物理机制。这种机制应用量子场的真空极化的爆炸性成长来摧毁任何一种企图从事回到过去的时间旅行的虫洞，从而防止时空发展出封闭类时曲线，也就是说，防止任何回到过去的时间旅行。然而至今索恩与众多宇宙学权威仍旧不能确定这结论是否正确，因为当虫洞开始被摧毁的时刻，也就是弯曲时空的量子场定律不适用的时候，必须改使用量子引力理论。[21][22]:133-134[17]:516-520

相对论性星体、多极子和其它

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1977年，索恩与波兰天文学家安娜·祖特阔夫（波兰语：Anna_N._Żytkow）发表论文预测，在红超巨星的核心可能有中子星存在，这种假设存在的恒星称为索恩－祖特阔夫天体。[23]40年后，天文学家发现恒星HV 2112是可能性相当高的这型天体的候选者。[24]

索恩为相对论性星（英语：relativistic star）的脉动（英语：stellar pulsation）与其所发射出的引力波奠定基础。相对论性星的脉动在相对论性天文物理学（英语：International Center for Relativistic Astrophysics）里是一门很重要的论题，通过脉动可以研究致密星的稳定性，脉动是未来很可能被观察到的引力波源。在超新星爆炸的最初几秒，新形成的中子星或黑洞会剧烈脉动，发射出引力波，从而显示坍缩物体的特征。索恩主要研究的是脉动的引力波的f模（基础模），大多数脉动的引力波都是通过f模发射出去。[25]

使用广义相对论，索恩与詹姆斯·哈妥推导出黑洞与其它相对论性物体的运动定律与进动定律，这包括它们的多极矩与邻近物体的时空曲率的相互耦合所产生的影响。[26]

对于实验验证引力的相对论性理论，索恩与学生克利福德·威尔在理论诠释方面奠定基础。由于科技进步，相对论性理论的引力实验也变得越来越精密与精确，因此导致需要更详细的实验框架来加以分析与诠释。[27][28]

荣誉

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索恩被遴选为很多高等学术机构的院士或会员：[9]

索恩获颁多项奖章：[9]

影视作品参与

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美国的PBS电视网和英国的BBC电视网都播放过索恩关于黑洞、引力波、相对论、时间旅行以及虫洞等主题的公众演讲节目。

1997年7月上映的罗伯特·泽米吉斯执导的美国科幻片《接触》，描述首位探测到并证实外星文明存在证据的搜寻地外文明计划科学家艾丽博士，透过穿越“虫洞”而成功与外星文明进行第一次接触。原著小说家兼该片编剧卡尔·萨根和基普·索恩是好朋友，因此邀请他协助将有关通过虫洞进行时空旅行的研究融入电影剧本中。[34]

2014年11月上映的克里斯多福·诺兰执导的美国科幻片《星际穿越》，描述一队探险者根据基普·索恩的理论，穿越“虫洞”进行的太空冒险故事。

曾与其他在加州理工学院的诺贝尔奖得主，皆以其本人身份作为角色，客串演出美国热门情景喜剧《生活大爆炸》第12季（2019年首播）。

著作

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曾出版著作《黑洞与时间弯曲——爱因斯坦的幽灵》等书。

参见

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注释

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  1. ^ 物体的临界周长为；其中，是该物体的质量。[17]:189-190
  2. ^ 布兰德福–日纳杰过程能够为黑洞提供能源给类星体与活动星系核。[17]:405-411

参考资料

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  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 Kondrashov, Veronica. Kip S. Thorne: Biographical Sketch. Kip S. Thorn. California Institute of Technology. [2013-08-30]. （原始内容存档于2013-09-11）. 
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外部链接

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