Kip Stephen Thorne (nacido el 1 de junio de 1940) es un físico teórico y escritor estadounidense conocido por sus contribuciones en física gravitacional y astrofísica . Junto con Rainer Weiss y Barry C. Barish , fue galardonado con el Premio Nobel de Física de 2017 por sus contribuciones al detector LIGO y la observación de ondas gravitacionales . [4] [5] [6] [7]
Amigo y colega de Stephen Hawking y Carl Sagan desde hace mucho tiempo , fue profesor de Física Teórica Richard P. Feynman en el Instituto Tecnológico de California (Caltech) hasta 2009 [8] y habla de las implicaciones astrofísicas de la teoría general de la relatividad . Sigue realizando investigaciones científicas y consultoría científica, un ejemplo notable de lo cual fue para la película Interstellar de Christopher Nolan . [9] [10]
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Thorne nació el 1 de junio de 1940 en Logan, Utah . Su padre, D. Wynne Thorne (1908-1979), fue profesor de química del suelo en la Universidad Estatal de Utah , y su madre, Alison (née Comish; 1914-2004), fue economista y la primera mujer en recibir un doctorado en economía del Iowa State College . [11] [12] Criado en un ambiente académico, dos de sus cuatro hermanos también se convirtieron en profesores. [13] [14] Los padres de Thorne eran miembros de la Iglesia de Jesucristo de los Santos de los Últimos Días (Iglesia SUD) y criaron a Thorne en la fe SUD, aunque ahora se describe a sí mismo como ateo . Con respecto a sus puntos de vista sobre la ciencia y la religión, Thorne ha declarado: "Hay un gran número de mis mejores colegas que son bastante devotos y creen en Dios... No hay una incompatibilidad fundamental entre la ciencia y la religión. Resulta que yo no creo en Dios". [15]
Thorne destacó rápidamente en el ámbito académico desde muy joven, y ganó reconocimiento en la Westinghouse Science Talent Search cuando era estudiante de último año en la Logan High School . [16] Recibió su licenciatura en el Instituto Tecnológico de California (Caltech) en 1962, y su doctorado en la Universidad de Princeton en 1965 bajo la supervisión de John Archibald Wheeler con una disertación doctoral titulada " Geometrodinámica de sistemas cilíndricos". [17]
Thorne regresó a Caltech como profesor asociado en 1967 y se convirtió en profesor de física teórica en 1970, convirtiéndose en uno de los profesores titulares más jóvenes en la historia de Caltech a los 30 años. Se convirtió en el profesor William R. Kenan, Jr. en 1981, y el profesor Feynman de Física Teórica en 1991. Fue profesor adjunto en la Universidad de Utah de 1971 a 1998 y profesor Andrew D. White en general en la Universidad de Cornell de 1986 a 1992. [18] En junio de 2009, renunció a su cátedra Feynman (ahora es profesor Feynman de Física Teórica, Emérito) para seguir una carrera de escritura y realización de películas. [ cita requerida ] Su primer proyecto cinematográfico fue Interstellar , en el que trabajó con Christopher Nolan y Jonathan Nolan . [8]
A lo largo de los años, Thorne ha sido mentor y asesor de tesis de muchos teóricos destacados que ahora trabajan en aspectos observacionales, experimentales o astrofísicos de la relatividad general. Aproximadamente 50 físicos han recibido doctorados en Caltech bajo la tutoría personal de Thorne. [8]
Thorne es conocido por su capacidad para transmitir el entusiasmo y la importancia de los descubrimientos en el campo de la gravitación y la astrofísica tanto a audiencias profesionales como no profesionales. Sus presentaciones sobre temas como los agujeros negros , la radiación gravitacional , la relatividad , los viajes en el tiempo y los agujeros de gusano se han incluido en programas de la PBS en los EE. UU. y en la BBC en el Reino Unido. [ cita requerida ]
Thorne y Linda Jean Peterson se casaron en 1960. Sus hijos son Kares Anne y Bret Carter, arquitecto. Thorne y Peterson se divorciaron en 1977. Thorne y su segunda esposa, Carolee Joyce Winstein, profesora de biokinesiología y fisioterapia en la USC , se casaron en 1984. [19]
La investigación de Thorne se ha centrado principalmente en la astrofísica relativista y la física de la gravitación , con énfasis en las estrellas relativistas , los agujeros negros y especialmente las ondas gravitacionales . [8] Quizás sea más conocido por el público por su controvertida teoría de que los agujeros de gusano posiblemente se puedan usar para viajar en el tiempo. [20] Sin embargo, las contribuciones científicas de Thorne, que se centran en la naturaleza general del espacio , el tiempo y la gravedad , abarcan toda la gama de temas de la relatividad general.
El trabajo de Thorne se ha centrado en la predicción de la intensidad de las ondas gravitacionales y sus firmas temporales tal como se observan en la Tierra. Estas "firmas" son de gran relevancia para LIGO (Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferometría Láser), un experimento de ondas gravitacionales de varias instituciones del que Thorne ha sido uno de los principales promotores: en 1984, cofundó el Proyecto LIGO (el proyecto más grande jamás financiado por la NSF [21] ) para discernir y medir cualquier fluctuación entre dos o más puntos "estáticos"; tales fluctuaciones serían evidencia de ondas gravitacionales, como describen los cálculos. Un aspecto significativo de su investigación es el desarrollo de las matemáticas necesarias para analizar estos objetos. [22] Thorne también lleva a cabo análisis de diseño de ingeniería para las características del LIGO que no se pueden desarrollar sobre la base de experimentos y brinda asesoramiento sobre algoritmos de análisis de datos mediante los cuales se buscarán las ondas. Ha proporcionado apoyo teórico para LIGO, incluyendo la identificación de fuentes de ondas gravitacionales que LIGO debería apuntar, el diseño de los deflectores para controlar la luz dispersa en los tubos de haz de LIGO y, en colaboración con el grupo de investigación de Vladimir Braginsky (Moscú, Rusia), la invención de diseños de no demolición cuántica para detectores avanzados de ondas gravitacionales y formas de reducir el tipo de ruido más serio en detectores avanzados: el ruido termoelástico . Con Carlton M. Caves , Thorne inventó el enfoque de evasión de acción posterior para mediciones de no demolición cuántica de los osciladores armónicos , una técnica aplicable tanto en la detección de ondas gravitacionales como en la óptica cuántica . [8]
El 11 de febrero de 2016, un equipo de cuatro físicos [a] que representa a la Colaboración Científica LIGO anunció que en septiembre de 2015, LIGO registró la señal de dos agujeros negros colisionando a 1.300 millones de años luz de distancia. Esta detección registrada fue la primera observación directa del fugaz chirrido de una onda gravitacional y confirmó una predicción de la teoría general de la relatividad. [23] [24] [25] [26] [27]
Mientras estudiaba para su doctorado en la Universidad de Princeton, su mentor John Wheeler le asignó un problema en el que pensar: averiguar si un haz cilíndrico de líneas de campo magnético repulsivo implosionaría o no bajo su propia fuerza gravitatoria atractiva. Después de varios meses de lucha con el problema, demostró que era imposible que las líneas de campo magnético cilíndricas implosionaran . [28] : 262–265
¿Por qué un haz cilíndrico de líneas de campo magnético no implosiona, mientras que las estrellas esféricas sí lo hacen bajo su propia fuerza gravitatoria? Thorne intentó explorar la cresta teórica entre estos dos fenómenos. Finalmente determinó que la fuerza gravitatoria puede superar toda la presión interior solo cuando un objeto ha sido comprimido en todas las direcciones. Para expresar esta conclusión, Thorne propuso su conjetura del aro , que describe una estrella que implosiona y se convierte en un agujero negro cuando la circunferencia crítica del aro diseñado puede colocarse a su alrededor y ponerse en rotación. Es decir, cualquier objeto de masa M alrededor del cual se pueda hacer girar un aro de circunferencia debe ser un agujero negro. [28] : 266–267 [29] : 189–190
Como herramienta para ser utilizada en ambas empresas (astrofísica y física teórica), Thorne y sus estudiantes han desarrollado un enfoque inusual, llamado el " paradigma de membrana ", para la teoría de los agujeros negros y lo han utilizado para aclarar el mecanismo de Blandford-Znajek por el cual los agujeros negros pueden alimentar algunos cuásares y núcleos galácticos activos . [28] : 405–411
Thorne ha investigado el origen estadístico cuántico de la entropía de un agujero negro. Junto con su investigador posdoctoral Wojciech Zurek, demostró que la entropía de un agujero negro es el logaritmo del número de formas en que podría haberse formado el agujero. [28] : 445–446
Junto con Igor Novikov y Don Page , desarrolló la teoría relativista general de los discos de acreción delgados alrededor de los agujeros negros, y usando esta teoría dedujo que con una duplicación de su masa por dicha acreción, un agujero negro girará hasta 0,998 veces el giro máximo permitido por la relatividad general, pero no más allá. Este es probablemente el giro máximo permitido para un agujero negro en la naturaleza. [8]
Thorne y sus colaboradores en Caltech llevaron a cabo investigaciones científicas sobre si las leyes de la física permiten que el espacio y el tiempo estén conectados de forma múltiple (¿pueden existir agujeros de gusano clásicos y atravesables y "máquinas del tiempo"?). [30] Con Sung-Won Kim, Thorne identificó un mecanismo físico universal (el crecimiento explosivo de la polarización del vacío de los campos cuánticos ), que siempre puede impedir que el espacio-tiempo desarrolle curvas cerradas de tipo temporal (es decir, impedir los viajes en el tiempo hacia atrás ). [31]
Junto con Mike Morris y Ulvi Yurtsever, demostró que los agujeros de gusano atravesables pueden existir en la estructura del espacio-tiempo solo si están atravesados por campos cuánticos en estados cuánticos que violan la condición de energía nula promedio (es decir, tienen energía renormalizada negativa distribuida sobre una región suficientemente grande). [32] Esto ha desencadenado investigaciones para explorar la capacidad de los campos cuánticos de poseer una energía negativa tan extendida . Cálculos recientes de Thorne indican que las masas simples que pasan a través de agujeros de gusano atravesables nunca podrían generar paradojas : no hay condiciones iniciales que conduzcan a la paradoja una vez que se introduce el viaje en el tiempo. Si sus resultados pueden generalizarse, sugerirían que ninguna de las supuestas paradojas formuladas en las historias de viajes en el tiempo puede en realidad formularse a un nivel físico preciso: es decir, que cualquier situación en una historia de viajes en el tiempo resulta permitir muchas soluciones consistentes. [ cita requerida ]
Con Anna Żytkow , Thorne predijo la existencia de estrellas supergigantes rojas con núcleos de estrellas de neutrones ( objetos de Thorne-Żytkow ). [33] Sentó las bases para la teoría de pulsaciones de estrellas relativistas y la radiación gravitatoria que emiten. Con James Hartle , Thorne derivó de la relatividad general las leyes del movimiento y la precesión de los agujeros negros y otros cuerpos relativistas, incluida la influencia del acoplamiento de sus momentos multipolares a la curvatura del espacio-tiempo de los objetos cercanos, [34] así como escribió la métrica de Hartle-Thorne , una solución aproximada que describe el exterior de un cuerpo que gira lenta y rígidamente, estacionario y axialmente simétrico.
Thorne también ha predicho teóricamente la existencia de una " materia exótica " antigravitatoria universal , el elemento necesario para acelerar la tasa de expansión del universo, mantener abiertas las "Puertas Estelares" transitables por agujeros de gusano y mantener en funcionamiento los " motores warp " de flotación libre geodésicos temporales . Con Clifford Will [35] y otros de sus estudiantes, sentó las bases para la interpretación teórica de las pruebas experimentales de las teorías relativistas de la gravedad , bases sobre las que Will y otros construyeron posteriormente. A partir de 2005 , Thorne se interesó en el origen del espacio y el tiempo clásicos a partir de la espuma cuántica de la teoría de la gravedad cuántica . [ cita requerida ][actualizar]
Thorne ha escrito y editado libros sobre temas de teoría gravitacional y astrofísica de alta energía . En 1973, fue coautor del libro de texto Gravitation con Charles Misner y John Wheeler ; [36] que según John C. Baez y Chris Hillman, es uno de los grandes libros científicos de todos los tiempos y ha inspirado a dos generaciones de estudiantes. [37] En 1994, publicó Black Holes and Time Warps: Einstein's Outrageous Legacy , un libro para no científicos por el que recibió numerosos premios. Este libro se ha publicado en seis idiomas y se están imprimiendo ediciones en chino, italiano, checo y polaco. [ ¿cuándo? ] En 2014, Thorne publicó The Science of Interstellar en el que explica la ciencia detrás de la película Interstellar de Christopher Nolan ; Nolan escribió el prólogo del libro. En septiembre de 2017, Thorne y Roger D. Blandford publicaron Modern Classical Physics: Optics, Fluids, Plasmas, Elasticity, Relativity, and Statistical Physics , un libro de texto de nivel de posgrado que cubre las seis áreas principales de la física enumeradas en el título. [38]
Los artículos de Thorne han aparecido en publicaciones como:
Thorne ha publicado más de 150 artículos en revistas académicas. [42]
Thorne ha sido elegido para: [43]
Ha sido reconocido con numerosos premios, entre ellos:
Ha sido becario Woodrow Wilson , becario Danforth, becario Guggenheim y becario Fulbright . También ha recibido el título honorífico de doctor en letras humanas de la Claremont Graduate University y un doctorado honorario del Departamento de Física de la Universidad Aristóteles de Tesalónica . En 2024 se le concedió un doctorado honorario de la Universidad de Cambridge . [53]
Fue elegido para ocupar la cátedra Lorentz para el año 2009 en la Universidad de Leiden, Países Bajos .
Thorne ha trabajado en:
Kip Thorne fue seleccionado por la revista Time en una lista anual de las 100 personas más influyentes del mundo estadounidense en 2016. [54]
Thorne creció en una familia académica mormona en Utah, pero ahora es ateo. "Hay un gran número de mis mejores colegas que son bastante devotos y creen en Dios, desde un Dios humanista abstracto hasta un Dios católico o mormón muy concreto. No hay ninguna incompatibilidad fundamental entre la ciencia y la religión. Resulta que yo no creo en Dios".
LIGO es la mayor iniciativa individual emprendida por la NSF, con inversiones de capital de casi 300 millones de dólares y costos operativos de más de 30 millones de dólares al año.
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