Kip S. Thorne

Hoera! Vandaag is het de tachtigste verjaardag van de iconische Kip Thorne. Kip Thorne is bij het grote publiek bekend om zijn bestsellerboeken en zijn bijdrage aan de films Interstellar en Contact. In de wetenschappelijke wereld is hij niet minder een held. Zijn werk omtrent zwarte gaten, wormgaten, zwaartekrachtgolven… maakt van hem zeer terecht de eerste nog levende scientist in the spotlight!

Kip werd geboren op 1 juni 1940, in Logan, Utah, binnen een academisch ingesteld gezin:  zijn vader was namelijk chemicus en zijn moeder econoom en overigens de eerste vrouw die een PhD behaalde aan de Iowa State College. Boven werden twee van Kip’s zussen ook nog eens professor in de psychologie. Zijn moeder Alison was een (in die tijd onconventionele) feministe en leerde haar kinderen om hun eigen interesses te volgen, individualiteit te koesteren en niet automatisch de voorschriften van de huidige cultuur te volgen. Elementen die we allemaal bij Kip zullen terugvinden.

Toen Kip 13 jaar las hij One, Two, Three… Infinity van de theoretische fysicus en kosmoloog George Gamow. Dit wetenschapspopulariserend boek legt op een ludieke manier een hoop fundamentele concepten uit de wiskunde en fysica uit op het niveau van de middelbare scholier. Het verbijsterde hem. Kip werd verliefd op de schoonheid van Einstein’s relativiteitstheorie en de kracht van fysische wetten om het Universum te begrijpen. Na het driee keer gelezen te hebben besloot hij om fysicus te worden.

Einsteins apostelen

In 1958 vertrok Kip naar California Institute of Technology, een plek die hij nooit meer zou verlaten. Tijdens die studie trouwde Kip met Linda Peterson, waar hij twee kinderen mee heeft. Ze scheidden echter in 1977, waarna hij zeven jaar later met Carolee Winstein trouwde, een professor in de biokinesiologie.


Men sprak al eens over Kip Thorne als de Californische hippie-fysicus op sandalen.

Nadat Kip in 1962 zijn studie met glans afrondde, ging hij naar Princeton voor zijn doctoraat, met als voornaamste motivatie: John Weeler. John Weeler was de man die het naoorlogs onderzoek naar zwaartekracht levend hield, en dat terwijl iedereen rondom hem in die nieuwe veelbelovende kwantumveldentheorie zijn geluk ging zoeken. Van John Weeler,  op dat moment zowat de ‘goeroe’ van algemene relativiteitstheorie, leerde Kip alles over de gekromde ruimtetijd.
Na zijn doctoraat over Geometrodynamics of Cylindrical Systems, vertrok Kip in 1966 weer naar zijn geliefde Caltech om er op 27-jarige leeftijd de jongste professor in de geschiedenis van de universiteit te worden. Hier zou Kip meer dan 40 jaar blijven tot aan zijn emeritaat in 2009. Hij startte een onderzoeksgroep in de relativistische astrofysica: zwarte gaten, neutronensterren, zwaartekrachtgolven en nog zoveel meer. In die periode ontmoette hij tijdens een conferentie in Londen ook de jonge Stephen Hawking, met wie hij altijd bevriend is gebleven.


Links: Een weddenschap in 1974 tussen Kip Thorne en Stephen Hawking over het bestaan van een zwart gat in het sterrenbeeld Zwaan. Het bestaan hiervan leverde Kip een abonnement op een erotisch tijdschrift op. Midden: John Preskill en Kip Thorne wedden op het bestaan van naakte (niet omringd door een zwart gat) singulariteiten, Stephen Hawking was tegen. Hawking gaf zijn ongelijk toe in 1997 en kocht beide heren een T-shirt met het opschrift “Nature abhors a naked singularity.″ Rechts: Hawking was echter koppig en wenste een nieuwe weddenschap. In 1997 namen Kip Thorne en Stephen Hawking het aldus op tegen John Preskill over de informatieparadox van zwarte gaten. Die verloren ze opnieuw, wat Preskill deze keer een baseball-encyclopedie opleverde.

 Het centrum van het relativiteitsonderzoek lag die tijd niet alleen in Caltech. In Moskou was Vladimir Braginsky eveneens een onderzoeksprogramma naar zwaartekrachtgolven aan het opzetten. Zijn hele carrière lang bleven Braginsky en Kip samenwerken. Kip leerde Russisch zodat hij de papers van zijn collega’s in de Sovjet Unie kon begrijpen. Al snel werd hij één van de weinige Amerikaanse fysici (en een doorn in het oog van de KGB) die geregeld naar de USSR reisde.

 
In 1973 was Kip Thorne mede-auteur, samen met Charles Misner en zijn grote held John A. Wheeler, van een van de grote literaire werken binnen theoretische fysica: Gravitation. Een onmisbaar collector’s item, van bijna 1300 pagina’s en ongeveer 3 kg voor ieder zichzelf respecterende astrofysicus. Midden: John Wheeler. Rechts: Charles Misner

Kip Thorne is tot op de dag van vandaag Feynman Professor of Theoretical Physics (niettemin als emeritus) aan Caltech University, en geniet er een ongeziene roem. Kip is naast briljant fysicus, activist en wetenschapscommunicator een geliefde mentor- en thesisadviseur geweest voor vele vooraanstaande theoretici. Zijn manier van werken spiegelt aan die van John Wheeler en Robert Oppenheimer: hij gaf studenten altijd heel veel ruimte en vrijheid om dingen op zichzelf uit te zoeken en stond hen bij waar nodig, maar gaf hen steeds het krediet. Bovendien voorzag hij een intellectuele omgeving waarin iedereen van elkaar leert. Hij is mentor geweest voor maar liefst 52 doctoraatstudenten.

Black Hole Blues

In Einsteins algemene relativiteitstheorie wordt zwaartekracht gezien als een fenomeen dat afkomstig is van de kromming van de ruimtetijd. Hoe groter de massa, hoe groter de kromming. Wanneer een massa versnelt, veroorzaakt het rimpelingen in dat ruimtetijdsweefsel, zwaartekrachtgolven die aan de lichtsnelheid bewegen. Zo gek is dat niet. Als je een elektron op en neer versnelt in een antenne, krijg je radiogolven. Maar wat wil dit eigenlijk zeggen? Rimpelingen in de ruimtetijd? Wat is er juist aan het ‘golven’?
Voor een geluidsgolf is dat gemakkelijk: de dichtheid aan moleculen in de lucht die continu verandert. Voor de radiogolf uit de GSM-mast zijn het de elektrische en magnetische velden die sterker en zwakker worden.
Als een zwaartekrachtgolf onze planeet doorkruist, zal die ervoor zorgen dat bepaalde afstanden tussen objecten ritmisch groter en kleiner worden. Bekijk hier een filmpje van Minute Physics dat dit wat duidelijker maakt.

Hoewel zelfs Einstein niet geloofde dat deze golven ooit experimenteel konden waargenomen worden, hield Kip voet bij stuk. Hij en Braginsky (die helaas nooit het Ijzeren Gordijn is kunnen ontvluchten) waren ervan overtuigd dat het mogelijk moest zijn. Kip Thorne’s gedrevenheid haalde in 1979 de Schotse fysicus Ronald Drever naar Caltech. Drever had namelijk het idee om met laser interferometers de golven waar te nemen, een intrigerend idee volgens Kip.

 

 
Links: De laserinterferometer van LIGO. In beide armen gaat een lichtstraal reizen tot aan de spiegels op het einde. Zoals je ziet, verandert de zwaartekrachtgolf (situatie 2) in de linkerarm de lengte een beetje, en zal dat licht dus iets langer/korter onderweg zijn dan het licht dat rechtdoor gaat. De lichtstralen zullen daarom een ander interferentiepatroon hebben (in dit geval doven ze elkaar uit). Dit redelijk simpel idee is het idee achter LIGO. In de praktijk is het echter heel wat moeilijker om zo’n zwak signaal eruit te filteren. Rechts: De sites van LIGO in Lousiana en Washington.

Het zou een huzarenstukje worden, de afstandsfluctuaties waar het om ging, waren duizenden malen kleiner dan de grootte van een proton!

De  Amerikaanse fysicus Rainer Weiss was ondertussen met hetzelfde idee aan het spelen in Massachusetts (MIT). In 1984 werd het LIGO project gesticht onder leiding van Thorne, Weiss en Drever. Na jarenlang overleg stemde De National Science Foundation in 1990 uiteindelijk in met het idee om twee van die 4 km lange interferometers te bouwen, maar enkel als Caltech en MIT samenwerkten. Het idee dat uit hun samenwerking vloeide, bestond uit twee faciliteiten. Een in Livingston, Louisiana en de andere in Hanford, Washington.
Niet veel later kwam ook die andere Nobel-laureaat op de proppen: Barry Barish. Hij transformeerde het kleine Caltech-MIT projectje in een enorme internationele samenwerking met ongeveer 1200 wetenschappers en ingenieurs van over heel de wereld.

De eerste testen begonnen in 2001. Ondertussen werkte Kip Thorne verder aan theoretisch werk omtrent zwaartekrachtgolven en de types bronnen die ze zouden kunnen veroorzaken. LIGO werd verbeterd om steeds gevoeliger te worden en in 2015 startte Advanced LIGO. 14 september 2015 was een legendarische dag in de natuurkundewereld. Beide detectoren namen namelijk de eerste significante zwaartekrachtgolven waar. De bron: twee zwarte gaten op 1,3 miljard lichtjaar die in elkaar spiraleerden om een nieuw zwart gat te vormen. Wanneer men het golfpatroon van de zwaartekrachtgolven omzet naar geluid, is dit het resultaat.

 


Links: Kip Thorne en zijn familie bij de uitreiking van de Nobelprijs in december 2017. V.l.n.r. Bret Thorne en zijn vrouw, Kip’s vrouw Carolee Winstein, Kip Thorne, Kip’s ex-vrouw Linda Peterson, zijn kleindochter Larisa en tenslotte zijn dochter Kares.
Rechts: Een illustratie van het zwaartekrachtgolfobservatorium dat men van plan is te bouwen in Limburg.

Op 11 februari 2016 maakte LIGO hun ontdekkingen bekend. Hiermee was het eerste onomstotelijk observationeel bewijs voor zwaartekrachtgolven een feit. Een sluitsteen voor  de theorie van Einstein. Kip Thorne ontving in 2017 samen met Rai Weiss en Barry Barish de Nobelprijs Fysica. Ron Drever stierf jammer genoeg zeven maanden voor uitreiking van de Nobelprijs.

Kip Thorne en zijn collega’s openden met LIGO een heel nieuw venster op het Universum, want zwaartekrachtgolven kunnen gaan waar geen elektromagnetische golf ooit geweest is! Zwaartekrachtgolf-sterrenkunde is ondertussen een feit. De Europese tegenhanger van LIGO, Virgo, is gestationeerd nabij Pisa in Italië en is sinds 2017 operationeel. Op 14 augustus 2017 namen voor het eerste alle drie de interferometers een zwaartekrachtgolf waar van een samensmeltend zwartegatenpaar. Drie dagen later werd bovendien de eerste golf afkomstig van twee samensmeltende neutronensterren waargenomen! Op andere plaatsen in de wereld (en in de ruimte) is men nu ook bezig dergelijke zwaartekrachtgolf-observatoria op te stellen, zo zal België binnenkort ook kunnen deelnemen aan deze nieuwe manier om het Universum te bekijken!

Black Holes and Time Warps

Eind jaren ’80, toen het LIGO-bestuur aan het vechten was voor subsidiëring van de NSF, kreeg Kip plots telefoon van Carl Sagan, astrofysicus aan Cornell University en vooral bekend door de televisieserie Cosmos. Sagan was bezig met een sci-fi boek te schrijven en hij had Kips hulp nodig. Zijn heldin Ellie zou door een zwart gat reizen om bij de ster Vega te geraken. Geen goed idee, vond Kip. Ellie zou een tragische dood sterven. Hij moest haar door een wormgat sturen, een tunnel die twee uiteinden van het Universum met elkaar kan verbinden.
Kip pakte pen en papier erbij en begon de vergelijkingen uit te werken, waarna hij een brief stuurde naar Sagan met alle instructies voor zijn wormgat.


Een wormgat of ‘Einstein-Rosen brug’ is een structuur die twee ver verwijderde punten in de ruimtetijd aan elkaar linkt. Op die manier zou je dus sneller dan het licht kunnen reizen, door een ‘kortsluiting’ in de ruimte te nemen. Rechts: Het wormgat zoals voorgesteld in de film ‘Interstellar’.

Dit telefoongesprek wakkerde Kip’s voorkeur voor ‘weird science’ aan, en zette hem ertoe aan de wetenschap van wormgaten terug nieuw leven in te blazen. Dankzij ideeën uit de kwantumveldentheorie, ontdekte hij dat je een bruikbaar wormgat kon maken met zogenaamde exotische materie: materie met een negatieve massa (inderdaad, niemand heeft een idee wat dat is). Kip ontdekte ook dat, áls je een wormgat zou hebben, je het in een tijdmachine zou kunnen veranderen. Hij begon zich dus ook te focussen op de theorie van tijdreizen, en op de kwestie of dit überhaupt mogelijk is (Hawking geloofde van niet).
Het antwoord op die vraag zullen we helaas pas met zekerheid weten als we onze begeerde theorie van kwantumgravitatie ooit vinden.

Toen LIGO op gang begon te komen in ’92, besloot Kip deze wetenschappelijke fase in zijn leven (deels) af te ronden door in Gamow’s voeten te treden. In 1994 bracht hij namelijk over die ‘weird science’ zijn gerenommeerde bestseller Black Holes and Time Warps: Einstein’s Outrageous Legacy uit, bedoeld voor een publiek die geen wetenschappelijke achtergrond heeft.
Tot begin 2000 werkte Kip bijna uitsluitend aan theoretische ondersteuning voor LIGO. Daarna vond hij zijn rol daar een beetje uitgespeeld en vond hij dat de jongere generatie het wel van hem kon overnemen. Kip vertrok terug naar Caltech om daar een onderzoeksgroep ‘Simulating Extreme Spacetime’ op te starten over computersimilaties van samensmeltende zwarte gaten en andere bronnen van zwaartekrachtgolven.

The Science of Interstellar

Elf jaar geleden, ging hij met emiraat om zich te focussen op een een carrière als wetenschapsadviseur binnen de filmindustrie en daarbuiten. De cinefielen onder ons zullen ongetwijfeld al gehoord hebben van zijn bijdrage aan de film Interstellar (van Christopher Nolan). Deze succesvolle film, uitgebracht in 2014, werd mee-ontwikkeld door Kip als executive producer. Hij hielp hier namelijk met de vergelijkingen voor de lichtbanen door wormgaten en rondom zwarte gaten. Met andere woorden, de beelden die we zien in de film zijn een waarheidsgetrouwe voorstelling van zwarte gaten en wormgaten zoals voorspeld door de algemene relativiteitstheorie! De wetenschappelijke uitleg van die talloze concepten binnen deze film pende hij neer in zijn boek The Science of Interstellar. In Interstellar verschijnt Kip trouwens als hommage in een easter egg, namelijk als de robot KIPP.


Links: Voorstelling van het ‘Gargantua’ zwart gat in Interstellar. Voor de geïnteresseerde lezer biedt de American Journal of Physics ook enkele verklaringen voor de fysica achter de film Interstellar: https://aapt.scitation.org/doi/10.1119/1.4916949. Rechts: Kip die het krijtbord van Professor Brand voorziet van vergelijkingen.

Daarnaast deed Kip mee aan enkele multimedia-concerten (Starmus Festival) over ‘The Warped Side of the Universe’ met componist Hans Zimmer en visuele-effecten goeroes Paul Franklin en Oliver James. De prachtige videos die daar getoond werden, werden gegenereerd in zijn SXS onderzoeksgroep in Caltech.

Op al die manieren hoopt Kip enkele jonge geesten te intrigeren door de wonderen van de wetenschap, net zoals Gamow dat 63 jaar geleden bij hem deed.

Bronnen:

door Bastiaan Aelbrecht