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基普·索恩

美国物理学家

基普·史蒂芬·索恩（英語：Kip Stephen Thorne，1940年6月1日— ）是美國理論物理學家，主要貢獻是在重力物理和天體物理學領域。索恩和英國物理學家史蒂芬·霍金，以及美國天文學家、科普作家、科幻小說作家卡爾·薩根保持了長期的好友和同事關係。[2]:12009年以前一直擔任加州理工學院費曼理論物理學教授[3]，是當今世界上研究在天體物理學領域的廣義相對論理論與實驗的領導者之一。

基普·索恩2017年諾貝爾物理學獎得主
Kip Thorne
索恩在2022年
出生 (1940-06-01) 1940年6月1日（84歲）
 美國猶他州洛根
國籍 美國
母校加州理工學院（學士）
普林斯頓大學（博士）
知名於索恩－祖特闊夫天體
索恩-霍金-普雷斯基爾賭局
LIGO
獎項阿爾伯特·愛因斯坦獎章（2009年）
基礎物理學特別突破獎 （2016年）
邵逸夫天文學獎 （2016年）
諾貝爾物理學獎 （2017年）
科學生涯
研究領域天體物理學
重力波天文學
機構加州理工學院
博士導師約翰·惠勒
博士生李立[1]
唐納德·佩奇
理察·普萊斯
柏納德·舒茨（英語：Bernard Shutz）
索爾·圖科斯基
克利福德·威爾

2017年，索恩因對LIGO探測器及重力波探測的決定性貢獻而與萊納·魏斯及巴里·巴利許共同獲得諾貝爾物理學獎[4]。

生平

 
索恩於1972年的照片

索恩於1940年6月1日出生在美國猶他州的洛根，他的父母親都是猶他州立大學的教授：父親維因·索恩（英語：D. Wynne Thorne）是農藝學專家，母親艾莉森·索恩（英語：Alison C. Thorne）是經濟學家。同在學術氛圍濃郁的家庭環境中成長，在他的四名兄弟姐妹當中，後來有兩人也成為了教授。[5][6]

索恩年輕時就已在學術領域取得了非凡的成就，他在三十歲時成為了加州理工學院歷史上最年輕的正教授之一。他於1962年獲得加州理工學院的學士學位，在1965年獲得普林斯頓大學的博士學位。在著名的物理學家約翰·惠勒的指導下，索恩完成了博士論文《圓柱系統的幾何動力學》（Geometrodynamics of Cylindrical Systems）。1967年索恩回到加州理工學院被聘任為一名副教授，三年後晉升教授職位，1981年起擔任「威廉·科南（英語：William R Kenan, Jr.）教授」，自1991年至2009年，他榮任「費曼理論物理學教授」，辭任後，他從事於寫作與製作電影，但仍繼續科學研究。他的第一部電影計畫是《星際效應》，他與導演克里斯多福·諾蘭共同合作完成這部電影。索恩現為「榮譽費曼理論物理學教授」。[3]

多年來，索恩一直扮演著眾多前沿理論學者的導師和論文指導教授的角色，這些學者現今大多仍舊活躍在廣義相對論的觀測、實驗或天體物理學領域。到目前為止，出自索恩門下的加州理工學院物理博士畢業生約有五十多名。[3]

索恩善於將在重力物理和天體物理學領域的一些發現的令人興奮並且重要之處，清楚明白地解釋給學術界專家與一般聽眾。1999年，索恩預言，人類將能夠在二十一世紀解答一些以下尚未解決的問題：[7][8]

  • 是否存在這樣一個「宇宙的黑暗面」，其中遍布諸如黑洞一般的天體？
  • 我們能否通過重力波來觀測宇宙的誕生和黑暗面？
  • 21世紀科技能否觀測到量子行為發生於像人類尺寸大小的物體？

索恩於1960年和第一任妻子琳達·彼得森（英語：Linda Jean Peterson）結婚，並有兩個孩子，後來於1977年離婚。1984年和第二任妻子，南加州大學的生物機動學（英語：biokinesiology）和物理治療法教授卡羅莉·溫斯坦（英語：Carolee Joyce Winstein）結婚。[9]

研究領域

索恩的研究領域主要是在相對論性天體物理學和重力物理學，其中比較著重於相對論性星體（英語：relativistic star）和黑洞方面的論題，特別是關於重力波的論題。[3]最被公眾所知與極具爭議性的論述無疑應屬他的關於蟲洞或許能夠用來做星際旅行或時間旅行的主張。[10]

重力波和LIGO

索恩是全世界公認的重力波天文學權威。自從1960年代，他就在研究，從像黑洞互撞或中子星互撞這般的宇宙極端事件，怎樣生成重力波。1975年，他與萊納·魏斯嘗試將魏斯設計製作的干涉臂為5英尺長的雛型重力波探測器加以改良。[11]1981年，索恩在加州理工學院實驗室裡成功地製成了干涉臂為31英尺臂長的雛型重力波探測器。[12]

索恩是雷射干涉重力波天文台（LIGO）的主要發起者之一。1984年索恩與朗納·德瑞福、萊納·魏斯合作擬妥了LIGO計劃，這計畫是至今為止（2016年）美國國家科學基金會投資的最大項目。[13]LIGO運用雷射干涉的方法測量微小的長度變化，重力波引起的時空擾動會造成某種特別模式的長度變化，LIGO希望能夠找到這種特別模式，從而探測到重力波的蹤跡。

長久以來，索恩是LIGO在理論方面的專家，他與他的團隊給予LIGO很多寶貴的理論支援，這包括為探測重力波的數據分析算法奠定理論基礎，指明LIGO應該探測的目標波源，設計LIGO射束管中用來控制散射光的擋板，分析各種躁聲的來源與構想控制躁聲的方法。他和莫斯科的弗拉基米爾·布拉金斯基（英語：Vladimir Braginsky）研究小組合作發展出用於新一代重力波探測器的量子非破壞性測量（英語：quantum nondemolition measurement）器件設計。索恩和他的學生卡爾頓·卡維斯（英語：Carlton Caves）一起開發了反作用迴避（英語：back-action evasion）方法來對諧振子做量子非破壞性測量，這種技術可以有效地應用於重力波探測和量子光學。[3]

2016年2月11日，代表LIGO科學協作團隊（英語：LIGO Scientific Collaboration）的四人小組宣布，LIGO於2015日9月曾記錄到在約13億光年之外，兩個黑洞因碰撞而產生的特徵信號。這次探測是第一次直接觀察到重力波。此次探測驗證了廣義相對論的一項重要理論預測，並且開啟了重力波天文學的新紀元。[14][15][16]

黑洞宇宙學

 
一個圓柱叢的磁場線。

索恩在普林斯頓大學攻讀博士學位時，他的指導教授約翰·惠勒最初選派給他一個重力問題：一個圓柱叢的磁場線是否可能會因重力而發生內爆？一般而言，圓柱型磁鐵的磁場線與磁場線彼此之間會相互排斥，如果不是磁鐵將磁場線聚集在一起，這些磁場線會向外爆開。但根據廣義相對論．由於磁場也是能量，給定足夠強勁的磁場，則其能量所產生的強勁重力會將一個圓柱叢的磁場線聚集在一起，完全不需要磁鐵的拘禁作用。然而，這狀況很可能不穩定，更強勁的重力很可能會促使這些磁場線發生內爆。經過一番研究，應用愛因斯坦場方程式於這問題，索恩給出理論證明：一個圓柱叢的磁場線絕不可能因屈服於重力而發生內爆。[17]:262-265

為什麼一個圓柱叢的磁場線不會發生內爆，而球型恆星會發生內爆？索恩試圖找出這問題的解答，他發覺，只有當物體在所有方向都被壓縮之時，重力才能夠克制內部壓強。索恩提出環猜想來表述這領悟，環猜想表明，一個經歷內爆的物體會塌縮成具有事件視界的黑洞，若且唯若，該物體被壓縮後的周長在任何方向都會小於該物體的「臨界周長」。[註 1]換句話說，該物體會塌縮成具有事件視界的黑洞，若且唯若，由該物體的史瓦西半徑所形成的球面能夠將該物體完全包裹在內。[17]:266-267[18]:189-190

由於宇宙學者理查·韓倪（英語：Richard Hanni）、雷莫·魯菲尼等等在1970年代所貢獻出的基礎性論述與啟發，索恩與他的學生發展出一種妙用無窮的研究黑洞物理學的範式，稱為膜範式（英語：membrane paradigm）。對於任何在黑洞外發生的現象，彎曲時空範式所能夠寫出的黑洞物理學定律，膜範式也能夠等價地寫出，而且更為簡單明瞭。使用膜範式，索恩詳細地闡明了布蘭德福–日納傑過程。[註 2][17]{{rp|405-411}

在黑洞熱力學領域，約翰·惠勒的研究生雅各布·貝肯斯坦宣稱，黑洞的表面面積可以用來量度熵；假若將一堆含有熵的物質丟入黑洞，則響應這動作，黑洞的表面面積會增加。進一步分析這論述，這索恩與博士後沃傑克·祖瑞克（英語：Wojciech Zurek）構想出一個理想實驗：將一些具有質量、角動量與電荷量的物質丟入某黑洞，一旦這些物質進入這黑洞的事件視界後，就無法從視界外得知到這些物質的除了質量、角動量與電荷量以外的其它性質，因為，根據無毛定理，黑洞只有三種特性：質量、角動量與電荷量。索恩與祖瑞克由此推論，給定最初黑洞與最終黑洞，數算到底有多少種丟入這些物質的方法，這數量的對數必是黑洞的熵的增加值。索恩與祖瑞克總結，一個黑洞的熵是所有能夠製成這黑洞的方法的數量的對數。[17]:445-446

索恩、伊戈爾·諾維考弗（英語：Igor_Dmitriyevich_Novikov）與唐恩·佩吉共同發展出黑洞吸積盤的廣義相對論性理論，應用這理論，他們估算，假若黑洞的質量因吸積而成長為先前的兩倍，則該黑洞的旋轉速度可增至高達廣義相對論所允許的旋轉速度的99.8%。由於吸積盤的發射電磁輻射、黑洞的吸收電磁輻射，這兩種機制都會產生反作用力矩，這是該黑洞的最大旋轉速度，這可能也是大自然所允許的最大黑洞旋轉速度，吸積的最大效率為30%。[3]

蟲洞和時間旅行

 
在宇宙的兩個相隔甚遠的空間區域之間，蟲洞提供了一條相連通的捷徑。紅線表示通過正常空間的路徑，綠線表示通過蟲洞的捷徑。

卡爾·薩根在撰寫科幻小說《接觸未來》時，曾經請教索恩一些關於星際旅行的問題，這引起了索恩研究蟲洞的興趣。薩根不是廣義相對論專家，他原本想要使用黑洞來進行星際旅行，索恩提醒薩根，黑洞不是個風平浪靜的地方，進入黑洞的太空船會被電磁輻射與電磁真空漲落不停地攻擊，這些被重力加速至極高能量的電磁輻射與電磁真空漲落會極快速地摧毀太空船。因此必須改使用蟲洞。[17]:483-484蟲洞是一種假想的多連通時空實體，與黑洞一般，它涉及到超強勁的重力，但不同的是，它有兩個端點，從一端進入，可以從另一端出來。因此科幻小說常常會將蟲洞描述為一種遨遊星空宇宙的高速通道，或穿越古今未來的時間機器。然而，在那時期，物理學者並不清楚蟲洞是否符合已知物理學理論。[19]

索恩與兩位加州理工學院高材生麥克·莫利斯（英語：Mike Morris (physicist)）、額維·尤特西沃（英語：Ulvi Yurtsever）在《物理評論快報》發表了一篇論文《蟲洞、時間機器與弱能量條件（英語：Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition）》[20]，在文中他們闡明，大多數蟲洞都不可供通行，可供通行的蟲洞必須使用某種反重力的奇異物質為洞壁的建材。宇宙中應該可以找到反重力的奇異物質，反重力能夠遏止普通帶質量物體因重力發生內爆形成的黑洞。負能量可以生成反重力。有些量子系統可以處於負能量態，這意味著物理定律不排除奇異物質存在於宇宙。[19]霍金早先已於1974年發現，在黑洞的事件視界附近的量子漲落具有奇異性質。後來，羅伯特·沃爾德與尤特西沃證實，曲率扭曲了量子漲落，促使其具有奇異性質。然而，物理學者尚不清楚量子漲落是否能維持蟲洞的內部空曠無阻。[17]:492-493

索恩與兩位博士生進一步闡述，假若物理定律允許在空間中創建與維持可供通行的蟲洞，則這蟲洞也可被改裝成時間機器，然而這樣很可能會違反因果論，至於是否能夠創建與維持可供通行的蟲洞，這問題涉及到一些尚未搞清楚的論題，例如，宇宙審查假說、量子重力、量子場論等等。在知悉這篇論文被發表後，諾維考弗非常高興地表示，從此以後他也可以發表關於時間機器的論文了。[17]:507-508索恩的這篇論文標誌著關於時間機器的論題已從科幻小說領域登入科學領域。

索恩與韓裔博士後Sung-Won Kim研究出一種萬用的物理機制。這種機制應用量子場的真空極化的爆炸性成長來摧毀任何一種企圖從事回到過去的時間旅行的蟲洞，從而防止時空發展出封閉類時曲線，也就是說，防止任何回到過去的時間旅行。然而至今索恩與眾多宇宙學權威仍舊不能確定這結論是否正確，因為當蟲洞開始被摧毀的時刻，也就是彎曲時空的量子場定律不適用的時候，必須改使用量子重力理論。[21][22]:133-134[17]:516-520

相對論性星體、多極子和其它

1977年，索恩與波蘭天文學家安娜·祖特闊夫（波蘭語：Anna_N._Żytkow）發表論文預測，在紅超巨星的核心可能有中子星存在，這種假設存在的恆星稱為索恩－祖特闊夫天體。[23]40年後，天文學家發現恆星HV 2112是可能性相當高的這型天體的候選者。[24]

索恩為相對論性星（英語：relativistic star）的脈動（英語：stellar pulsation）與其所發射出的重力波奠定基礎。相對論性星的脈動在相對論性天文物理學（英語：International Center for Relativistic Astrophysics）裡是一門很重要的論題，通過脈動可以研究緻密星的穩定性，脈動是未來很可能被觀察到的重力波源。在超新星爆炸的最初幾秒，新形成的中子星或黑洞會劇烈脈動，發射出重力波，從而顯示坍縮物體的特徵。索恩主要研究的是脈動的重力波的f模（基礎模），大多數脈動的重力波都是通過f模發射出去。[25]

使用廣義相對論，索恩與詹姆斯·哈妥推導出黑洞與其它相對論性物體的運動定律與進動定律，這包括它們的多極矩與鄰近物體的時空曲率的相互耦合所產生的影響。[26]

對於實驗驗證重力的相對論性理論，索恩與學生克利福德·威爾在理論詮釋方面奠定基礎。由於科技進步，相對論性理論的重力實驗也變得越來越精密與精確，因此導致需要更詳細的實驗框架來加以分析與詮釋。[27][28]

榮譽

索恩被遴選為很多高等學術機構的院士或會員：[9]

索恩獲頒多項獎章：[9]

影視作品參與

美國的PBS電視網和英國的BBC電視網都播放過索恩關於黑洞、重力波、相對論、時間旅行以及蟲洞等主題的公眾演講節目。

1997年7月上映的羅勃·辛密克斯執導的美國科幻片《接觸未來》，描述首位探測到並證實外星文明存在證據的搜尋地外文明計劃科學家艾麗博士，透過穿越「蟲洞」而成功與外星文明進行第一次接觸。原著小說家兼該片編劇卡爾·薩根和基普·索恩是好朋友，因此邀請他協助將有關通過蟲洞進行時空旅行的研究融入電影劇本中。[34]

2014年11月上映的克里斯多福·諾蘭執導的美國科幻片《星際效應》，描述一隊探險者根據基普·索恩的理論，穿越「蟲洞」進行的太空冒險故事。

曾與其他在加州理工學院的諾貝爾獎得主，皆以其本人身份作為角色，客串演出美國熱門情景喜劇《宅男行不行》第12季（2019年首播）。

著作

曾出版著作《黑洞與時間彎曲——愛因斯坦的幽靈》等書。

參見

註釋

  1. ^ 物體的臨界周長為 ；其中， 是該物體的質量。[17]:189-190
  2. ^ 布蘭德福–日納傑過程能夠為黑洞提供能源給類星體與活動星系核。[17]:405-411

參考資料

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  2. ^ Kip Thorne. The Science of Interstellar. W. W. Norton. 2014-11-07. ISBN 978-0-393-35138-5. 
  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]. （原始內容存檔於2013-09-11）. 
  4. ^ The Nobel Prize in Physics 2017. Nobelprize.org. Nobel Media AB. [2017-10-03]. （原始內容存檔於2018-08-12）. 
  5. ^ Jones, Zachary. D. Wynne Thorne Papers, 1936-1983. Archives West. Orbis Cascade Alliance. 2011 [2016-09-09]. （原始內容存檔於2016-09-17）. 
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  7. ^ Spacetime Warps and the Quantum: A Glimpse of the Future. THE KITP PUBLIC LECTURE SERIES. KAVLI INSTITUTE FOR THEORETICAL PHYSICS. 1999 [2016-09-09]. （原始內容存檔於2016-09-17）. 
  8. ^ Kip, Thorne. Space-Time Warps and the Quantum: A Glimpse of the Future. KITP Public Lectures. KAVLI INSTITUTE FOR THEORETICAL PHYSICS. 1999-02-24 [2016-09-09]. （原始內容存檔於2016-03-24）. 
  9. ^ 9.0 9.1 9.2 Kondrashov, Veronica. Kip S. Thorne: Curriculum Vitae. Kip S. Thorn. California Institute of Technology. [2016-09-09]. （原始內容存檔於2016-09-04）. 
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外部連結

 
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