Haupt Innovation Physiker Kip Thorne diskutiert Gravitationswellen, die Wissenschaft hinter „Interstellar“

Physiker Kip Thorne diskutiert Gravitationswellen, die Wissenschaft hinter „Interstellar“

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Der theoretische Astrophysiker Kip Thorne arbeitet mit Jessica Chastain am Set von Interstellar

Der theoretische Astrophysiker Kip Thorne arbeitet mit Jessica Chastain am Set von Interstellar(Bildnachweis: Kip Thorne über Wired Magazine)



Ein Jahrhundert lang, seit Albert Einstein zum ersten Mal seine bahnbrechende Allgemeine Relativitätstheorie veröffentlicht hat, haben die führenden Köpfe der Welt versucht herauszufinden, ob die Vorhersagen seiner Theorie zutreffen. Einer dieser Köpfe, Kip Thorne, hat seine Karriere damit verbracht, Einsteins Behauptung zu untersuchen, dass es Gravitationswellen gibt, und gilt als der weltweit führende Experte auf diesem Gebiet. Thorne steht jetzt an der Schwelle zu einem der verblüffendsten wissenschaftlichen Durchbrüche in der modernen Menschheitsgeschichte: dem Erkennung dieser Wellen .

Als Professor für theoretische Physik am California Institute of Technology veröffentlichte Thorne zahlreiche Bücher und Aufsätze zur Gravitationstheorie. 1984 war Thorne Mitbegründer des LIGO-Projekts (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory), das Laser verwendet, um winzige Verzerrungen im Raum-Zeit-Gefüge zu messen – Verzerrungen, die durch Gravitationswellen verursacht werden könnten.

1994 schrieb er den preisgekrönten Schwarze Löcher und Zeitschleifen: Einsteins unerhörtes Vermächtnis ein Buch, das das Mainstream-Publikum mit seinem komplexen Studiengebiet verbindet. Ein Jahrzehnt später wurde Thorne wissenschaftlicher Berater für Interstellar und lieferte die Mathematik, die erforderlich ist, um die großartigen Bilder des Films genau bereitzustellen. Er hat auch veröffentlicht Die Wissenschaft des Interstellaren mit einem Stürmer von Christopher Nolan.

Am 14. September 2015 wurden Wissenschaftler, die an den beiden LIGO-Detektorstandorten Livingston, Louisiana und Hanford, Washington, arbeiten, zur Geheimhaltung verpflichtet, nachdem erste Daten auf die Entdeckung eines gewaltsamen kosmischen Ereignisses vor langer Zeit hindeuteten. Nach monatelanger Überprüfung und erneuter Überprüfung der Daten und nachdem Neuigkeiten an die Öffentlichkeit durchgesickert waren, kündigten Forscher der CalTech- und MIT-betriebenen LIGO-Laboratorien den außergewöhnlichen Nachweis von Gravitationswellen an. Als neues Fenster zum Universum haben die Wellen vor fast 1,3 Milliarden Jahren die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher enthüllt.

Der Braganca setzte sich mit Kip Thorne vor seinen multimediale Zusammenarbeit mit VFX-Meister Paul Franklin und dem Oscar-prämierten Komponisten Hans Zimmer on Verzerrte Seite des Universums , um Einstein, Gravitationswellen und seine Arbeit zu diskutieren Interstellar .

Was ist Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie?

Es ist ein Rahmen für alle Gesetze der Physik außer den Quantengesetzen. Die Leute sagen normalerweise gut, es ist seine Theorie der Schwerkraft, aber es geht weit darüber hinaus. Er hat diese Theorie entwickelt, um die Schwerkraft zu erklären, aber tatsächlich leistet diese Theorie noch viel mehr. Es sagt Ihnen, wie alle anderen Naturgesetze in Raum und Zeit passen.

Es ist die genaueste Art und Weise, die wir kennen, um die Natur in dem, was wir den klassischen Bereich nennen würden, zu beschreiben, der alles ist, außer wenn man sich auf das Allerkleinste beschränkt – Dinge wie Atome und Moleküle.

Wie hängt Einsteins Theorie mit . zusammen? Gravitationswellen ?

Einstein formulierte seine Allgemeine Relativitätstheorie in einem sehr intensiven Bemühen, das von 1905 bis 1915 dauerte, und er vollendete die Theorie im November 1915 – vor etwas mehr als hundert Jahren. Dann begann er, die von ihm entwickelte Theorie oder diese Gesetze zu verwenden – um Vorhersagen zu treffen. Eine der wichtigsten Vorhersagen und die letzte große Vorhersage, die er machte, war, dass es Gravitationswellen geben sollte. Er sagte dies im Juni 1916 voraus, also sprechen wir jetzt nur zwei Monate vor dem hundertsten Jahrestag der Gravitationswellenvorhersage.

Er schaute sich die Vorhersagen an, betrachtete die Technologie des Tages und betrachtete Dinge, die Gravitationswellen im Universum erzeugen könnten, und kam zu dem Schluss, dass es hoffnungslos war, sie jemals zu sehen. Wir hätten einfach nie eine präzise genug Technologie.

Er lag falsch. Wir haben sie im September zum ersten Mal gesehen.

Was war in der Zeitleiste von Einsteins Vorhersagen bis zur jüngsten Entdeckung der Gravitationswellen der Wendepunkt, der zu einem Durchbruch führte?

Nun, es gab ein paar Wendepunkte. Die beiden wichtigsten Wendepunkte kamen von zwei bestimmten Personen. Joseph Weber entwickelte um 1960 einen Ansatz, der so aussah, als könnte er Gravitationswellen sehen, und er machte sich daran, sie zu finden. Er war der erste, der Einsteins Diktum in Frage stellte, dass wir nicht die Technologie dazu hätten. Weber hat keine Gravitationswellen gesehen. Er dachte eine Weile, dass er es tat, aber er sah sie nicht wirklich. Die Wellen sind schwächer, als er gehofft hatte, aber er hat den Stau der Leute durchbrochen, die dachten, dass man es einfach nicht kann, und er hat andere inspiriert. Mich eingeschlossen.

Der zweite Wendepunkt war eine Erfindung von Ray Weiss at MIT aber mit der Saat dieser Idee kam früher von Mikhail Gertsenshtein und Vladislav Pustovoit in Moskau, Russland. Ray Weiss hat diese Technik erfunden, die wir jetzt verwenden, und sie unterschied sich von Webers Technik. Wir nennen es Interferometer-Gravitationswellenerkennung und es basiert auf Gravitationswellen, die Spiegel hin und her schieben. Die meisten Spiegel vermessen Sie mit Laserstrahlen.

Weiss hat das erfunden und dann alle wichtigen Lärmquellen analysiert und beschrieben, wie man damit umgeht. 1972 lieferte er mit dieser Art von Design eine Blaupause für die Zukunft. Es war eine Blaupause, die auf verschiedene Weise modifiziert wurde, aber nicht immens. Es war wirklich ein Design, das sich jahrzehntelang als Leitfaden für diesen Weg bewährt hat. Das war der größte Wendepunkt.

Es ist ziemlich interessant, weil Ray ein bescheidener Typ ist und er die Idee hatte, dies nicht in der regulären Literatur zu veröffentlichen, bis er Gravitationswellen entdeckt hatte. Also schrieb er dieses Papier, das meiner Meinung nach das stärkste technische Papier ist, das ich je gelesen habe. Er schrieb es und veröffentlichte es in einer internen MIT-Berichtsreihe. Es war für Leute wie mich, die sich für das Thema interessierten, leicht zugänglich. Man musste danach suchen, weil es in der regulären Literatur nicht zu finden war.

Was kommt als nächstes für dieses Feld, nachdem Gravitationswellen entdeckt wurden?

Nun, das ist wirklich nur der Anfang. Als Galilei sein optisches Teleskop zum ersten Mal auf den Himmel richtete und die moderne optische Astronomie erschloss, war das das erste der elektromagnetischen Fenster aus dem Universum: das Licht. Wir verwenden den Begriff „Fenster“, um bestimmte Technologien zu bezeichnen, mit denen wir nach Strahlung mit einem bestimmten Wellenlängenbereich suchen. In den 1940er Jahren wurde die Radioastronomie geboren – mit Radiowellen statt mit Licht zu suchen. In den 1960er Jahren wurde die Röntgenastronomie geboren. In den 1970er Jahren wurde die Gammastrahlen-Astronomie geboren. Die Infrarot-Astronomie wurde ebenfalls in den 1960er Jahren geboren.

Bald hatten wir all diese verschiedenen Fenster, die alle mit elektromagnetischen Wellen aussahen, aber mit unterschiedlichen Wellenlängen. Das Universum sieht durch ein Radioteleskop und ein Röntgenteleskop ganz anders aus als mit Licht. Das gleiche passiert mit der Gravitationswellenastronomie.

Werden Gravitationswellen genutzt, um das Universum zu erforschen?

Das machen wir jetzt. Wir machen es jetzt bei LIGO. Wir haben die Entdeckung zweier kollidierender Schwarzer Löcher angekündigt. Es wird mehr geben und wir werden viele andere Arten von Phänomenen sehen, aber wir sehen sie nur bei Gravitationswellen, die eine bestimmte Schwingungsdauer haben. Ein Zeitraum von einigen Millisekunden. Wir werden innerhalb der nächsten 20 Jahre Gravitationswellen sehen, die Perioden von Stunden haben. Das LIGO-Labor in Livingston, Louisiana (links) wurde verwendet, um Gravitationswellen nachzuweisen, die bei der Kollision zweier Schwarzer Löcher (rechts abgebildet) emittiert werden.

Das LIGO-Labor in Livingston, Louisiana (links) wurde verwendet, um Gravitationswellen nachzuweisen, die bei der Kollision zweier Schwarzer Löcher (rechts abgebildet) emittiert werden.Credits: LIGO








Mit LIGO-ähnlichen Detektoren, die im Weltraum fliegen, werden wir wahrscheinlich in den nächsten 5 Jahren Gravitationswellen sehen, die sich über Jahre erstrecken, wobei eine Technik aus der Radioastronomie verwendet wird, die die Verfolgung von sogenannten Pulsaren beinhaltet.

Wir werden wahrscheinlich in den nächsten 5 Jahren – sicherlich in den nächsten 10 Jahren Gravitationswellen mit Perioden sehen, die fast so lang sind wie das Alter des Universums. Durch Muster, die sie am Himmel erzeugen, nennen wir den kosmischen Mikrowellenhintergrund.

Wir werden in den nächsten 20 Jahren vier verschiedene Gravitationswellenfenster geöffnet haben und jedes von ihnen wird etwas anderes sehen. Wir werden damit die Geburt des Universums untersuchen. Die sogenannte „inflationäre Ära“ des Universums. Wir werden die Geburt der fundamentalen Kräfte untersuchen und wie sie entstanden sind. Wir werden beobachten, wie sie in den frühesten Momenten des Universums mithilfe von Gravitationswellen geboren werden. Wir werden zusehen, wie Schwarze Löcher kollidieren, was wir jetzt tun, aber riesige Schwarze Löcher kollidieren. Wir werden zusehen, wie Sterne von Schwarzen Löchern zerrissen werden.

Wir werden eine fantastische Auswahl an Dingen sehen, die wir noch nie zuvor gesehen haben, und dies wird Jahrhunderte lang so weitergehen, wie die optische Astronomie seit Jahrhunderten weitergeht. Dies ist erst der Anfang.

Du hast mit Christopher Nolan zusammengearbeitet und Paul Franklin, um die Wissenschaft und Grafik aufzubauen hinter Interstellar. Wie genau war das Schwarze Loch im Film Gargantua?

Es ist die genaueste Darstellung, die in einem Hollywood-Film erschienen ist. Oliver James, leitender Wissenschaftler bei Paul Franklin 's Firma Doppel negativ , mit einigem Drängen von mir eine ganz neue Art der Bildgebung erfunden. Es erzeugt Bilder, die in diesem Sinne glatter und genauer sind. Das braucht man für einen IMAX-Film.

Wir haben eine neue Reihe von Techniken verwendet, aber mit einer älteren Reihe von Techniken haben Astrophysiker Bilder wie das Bild von Gargantua erstellt, das bis ins Jahr 1980 zurückreicht. Es wurde zuerst von Jean-Pierre Luminet in Frankreich gemacht. Bilder von Schwarzen Löchern, die Gargantua ähneln, gibt es, aber man hat sie selten in der Astrophysik-Literatur gesehen. Dies ist nicht etwas, was Astronomen mit ihren Teleskopen tatsächlich sehen. Gargantua, das fiktive Schwarze Loch, das im Film Interstellar dargestellt wird.

Gargantua, das fiktive Schwarze Loch, das im Film Interstellar dargestellt wird.(Bildnachweis: Warner Bros.)



Dies ist die Version mit der höchsten Auflösung, die überzeugendste Version und die fesselndste Version. Aber genaue Abbildungen wurden zuvor von Astrophysikern gemacht.

In dem Film erklärt Professor Brand, dass Cooper das Problem der Schwerkraft gelöst hätte, wenn er von seiner interstellaren Reise zurückkehrt. Was war das Problem?

Im Film stirbt die Erde biologisch und es gibt nur noch wenige Millionen Menschen. Die Aufgabe von Professor Brand und seinen Mitarbeitern besteht darin, herauszufinden, ob es möglich ist, diese verbleibenden Menschen in Weltraumkolonien von der Erde zu heben. Sie hatten nicht die Raketenkraft, um das zu tun. Sie hatten die Macht, Weltraumkolonien auf der Erde zu bauen, aber nicht die Raketenkraft, um sie abzuheben.

In dem Film gibt es Gravitationsanomalien, die ganz plötzlich aufgetreten sind, und diese seltsame Art der Schwerkraft, die begonnen hat, aufzutreten, hat Professor Brand nahegelegt, dass es möglich sein könnte, die Schwerkraft zu kontrollieren oder ihr Verhalten zu ändern.

Er wollte die Anziehungskraft der Erde lange genug abschwächen, um uns mit einer kleinen Raketenkraft abzuheben. Das Problem bestand dann darin, zu lernen, wie man diese Anomalien nutzt. Sie sehen ein Beispiel für die Anomalie in Murphs Schlafzimmer – das fallende Staubmuster. Können Sie sich diese Anomalien zunutze machen und die Schwerkraft der Erde tatsächlich verringern?

Wie weit ist die Menschheit von interstellaren Reisen entfernt?

Ich denke, wir werden es wahrscheinlich tun, aber nicht in weniger als etwa drei Jahrhunderten. Es ist sehr sehr schwierig.

Es gibt Ideen, wie Sie dies tun könnten, im Allgemeinen beinhalten sie die Unterbringung von Menschen in Weltraumkolonien, die Generationen überdauern. Es gibt Antriebsideen, die Menschen hatten, die mich glauben lassen, dass sie in drei von vier Jahrhunderten von den Menschen erreicht werden.

Lesen Sie unser Interview mit dem Oscar-prämierten Visual Effects Artist dahinter Interstellar , Paul Franklin.

Robin Seemangal konzentriert sich auf die NASA und die Interessenvertretung für die Weltraumforschung. Er ist in Brooklyn geboren und aufgewachsen, wo er derzeit lebt. Finde ihn auf Instagram für mehr weltraumbezogene Inhalte: @not_gatsby.

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