Γιακόβ Ζέλντοβιτς: Από την ατομική βόμβα στις μελανές οπές

Επιστήμονες που έχουν σημαντική συνεισφορά στην πρόοδο της έρευνας υπάρχουν αρκετοί. Πολύ λιγότεροι όμως είναι όσοι άφησαν τη σφραγίδα τους στο οικοδόμημα της επιστημονικής γνώσης και ακόμη λιγότεροι αυτοί που κατάφεραν να αφήσουν τη σφραγίδα τους σε περισσότερους από έναν ερευνητικούς τομείς. Ο μεγάλος ρώσος φυσικός Γιακόβ Ζέλντοβιτς ανήκε σίγουρα στην τρίτη κατηγορία, αφού είχε σημαντική συμβολή σε τόσο διαφορετικά κεφάλαια της Φυσικής όπως η εκρηκτική καύση και τα ωστικά κύματα, η ατομική και η υδρογονική βόμβα, η υδροδυναμική, η αστροφυσική και η κοσμολογία. Υπήρξε καθηγητής του Πανεπιστημίου της Μόσχας και ακαδημαϊκός, θέση που τότε εθεωρείτο η υψηλότερη στην επιστημονική ιεραρχία της Σοβιετικής Ενωσης, και όλα αυτά όντας ουσιαστικά αυτοδίδακτος! Είναι ευκαιρία λοιπόν, εφέτος που συμπληρώνονται 100 χρόνια από τη γέννηση του μεγάλου αυτού επιστήμονα, να παρουσιάσω σύντομα τα επιτεύγματά του και την «κληρονομιά» που άφησε στη διεθνή επιστημονική κοινότητα.

Ο Γιακόβ Ζέλντοβιτς

Ο Γιακόβ Ζέλντοβιτς (Yakov Zel'dovich) γεννήθηκε το 1914 στο Μινσκ της Λευκορωσίας από γονείς εβραϊκής καταγωγής και σε ηλικία 17 ετών, όταν άλλοι συνομήλικοί του πήγαιναν ακόμη σχολείο, αυτός ήταν ήδη βοηθός στο Ινστιτούτο Φυσικής Χημείας του Λένινγκραντ. Χωρίς να έχει πανεπιστημιακό πτυχίο κατόρθωσε το 1936 να πάρει το δίπλωμα Υποψηφίου των Επιστημών (Candidate of Science, ισοδύναμο με το αγγλοσαξονικό PhD) και το 1939 να ανακηρυχθεί διδάκτορας των Φυσικών Επιστημών. Η αρχική ερευνητική δουλειά του στο Ινστιτούτο Φυσικής Χημείας επικεντρώθηκε στην προσρόφηση, δηλαδή στη δέσμευση μιας χημικής ουσίας στην επιφάνεια ενός στερεού, και στον μηχανισμό οξείδωσης του αζώτου, ο οποίος είναι σήμερα γνωστός ως Μηχανισμός Ζέλντοβιτς. Στη συνέχεια ασχολήθηκε με την εκρηκτική καύση, τον μηχανισμό των εκρήξεων και τη διάδοση των παραγόμενων ωστικών κυμάτων με τόσο μεγάλη επιτυχία, ώστε η σχετική θεωρία είναι σήμερα γνωστή ως Θεωρία Ζέλντοβιτς - Φον Νόιμαν - Ντόρινγκ.

Με την αρχή του πολέμου η προσοχή του στράφηκε στην ατομική ενέργεια και το 1946 επιλέχθηκε ως πρώτος διευθυντής της ομάδας Arzamas-16, όπως ήταν το κωδικό όνομα του «σοβιετικού εργαστηρίου Λος Αλαμος» που είχε για στόχο την κατασκευή της πρώτης σοβιετικής ατομικής βόμβας. Την ίδια χρονιά πρότεινε τη θεωρητική ιδέα της κατασκευής της βόμβας υδρογόνου, κατά την οποία μια μικρή ατομική βόμβα χρησιμοποιείται ως «πυροκροτητής» για την έναρξη των αντιδράσεων σύντηξης της «μεγάλης» υδρογονικής βόμβας.

 

Ακτινοβολία μικροκυμάτων υποβάθρου και σμήνη γαλαξιών

Με το τέλος του Β' Παγκοσμίου Πολέμου ο Ζέλντοβιτς αποφάσισε να αλλάξει ριζικά το πεδίο της ερευνητικής δραστηριότητάς του, και στράφηκε κατ' αρχήν στην Πυρηνική Φυσική και τα Στοιχειώδη Σωμάτια. Η ερευνητική δουλειά του σε αυτό το πεδίο αναγνωρίστηκε γρήγορα και είχε για αποτέλεσμα να εκλεγεί το 1958 μέλος της Ακαδημίας Επιστημών της Σοβιετικής Ενωσης, που ήταν η ανώτερη ακαδημαϊκή θέση στη χώρα. Από τις αρχές της δεκαετίας του 1960 στράφηκε στη Σχετικιστική Αστροφυσική και στην Κοσμολογία, όπου συνέχισε να εργάζεται ως τον θάνατό του, το 1987. Αυτή ήταν και η κατεύθυνση που τον έκανε ευρύτερα γνωστό στη διεθνή επιστημονική κοινότητα και από την οποία τον γνώρισα και εγώ. Στην Κοσμολογία εργάστηκε στη δομή μεγάλης κλίμακας του Σύμπαντος και στα χαρακτηριστικά της ακτινοβολίας μικροκυμάτων υποβάθρου, δηλαδή της ακτινοβολίας που αποτελεί τον «απόηχο» της Μεγάλης Εκρηξης. 

Το «φαινόμενο Σουνιάγεφ - Ζέλντοβιτς» χρησιμοποιείται σήμερα για τον εντοπισμό σμηνών γαλαξιών όπως το εικονιζόμενο NGC2218

Συνδυασμός των δύο αυτών κατευθύνσεων ήταν αυτό που ονομάζουμε σήμερα «φαινόμενο Σουνιάγεφ - Ζέλντοβιτς», κατά το οποίο τα ηλεκτρόνια μεγάλης ενέργειας που περιβάλλουν τα σμήνη γαλαξιών προσδίδουν μέρος της ενέργειάς τους στα φωτόνια της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου. Το φαινόμενο αυτό χρησιμοποιείται σήμερα για την «αναγνώριση» των σμηνών γαλαξιών με τη βοήθεια παρατηρήσεων από ραδιοτηλεσκόπια, όπως το Κοσμολογικό Τηλεσκόπιο στην έρημο Ατακάμα της Χιλής και το Τηλεσκόπιο του Νότιου Πόλου.

 

Η «μοίρα» μιας μελανής οπής

Η δουλειά του στη Σχετικιστική Αστροφυσική επικεντρώθηκε κυρίως στις κβαντικές ιδιότητες των μελανών οπών. Συγκεκριμένα αντιλήφθηκε ότι ένας μακρινός παρατηρητής θα αντιλαμβάνεται ότι μια περιστρεφόμενη μελανή οπή εκπέμπει σωματίδια και, άρα, χάνει μάζα-ενέργεια. Το τελικό αποτέλεσμα είναι ότι με την πάροδο του χρόνου η μελανή οπή «φθίνει» και τελικά εξαερώνεται. Το φαινόμενο οφείλεται στον συνδυασμό της αρχής της αβεβαιότητας του Χάιζενμπεργκ, που είναι κβαντικό φαινόμενο, με την ύπαρξη της επιφάνειας της μελανής οπής, που είναι φαινόμενο της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας. Εξαιτίας της αρχής της αβεβαιότητας, σε κάθε περιοχή του χώρου συνεχώς δημιουργούνται και εξαφανίζονται ζεύγη σωματιδίων. Οταν ένα ζεύγος δημιουργηθεί κοντά στην επιφάνεια μιας περιστρεφόμενης μελανής οπής, τότε το ένα από τα μέλη του ζεύγους μπορεί να «πέσει» μέσα στη μελανή οπή, οπότε το ταίρι του απομακρύνεται και φαίνεται σαν να έχει «εκπεμφθεί» από τη μελανή οπή. Κατά τις αρχές της δεκαετίας του 1970 ο Ζέλντοβιτς είχε παρουσιάσει αυτή την ιδέα στον γνωστό άγγλο θεωρητικό φυσικό Στίβεν Χόκινγκ, ο οποίος την επεξεργάστηκε μαθηματικά και τη  θεμελίωσε με μια σειρά δημοσιεύσεων στα μέσα της δεκαετίας του 1970. Αξίζει να αναφερθεί ότι, κατά τη συνάντησή του με τον Ζέλντοβιτς, ο Χόκινγκ είχε πει ότι το δημοσιευμένο ερευνητικό έργο του μεγάλου ρώσου επιστήμονα ήταν τόσο πολύπλευρο, ώστε νόμιζε πως το όνομα «Ζέλντοβιτς» ήταν το ψευδώνυμο μιας ολόκληρης ερευνητικής ομάδας!

Η γνώμη μου είναι ότι ο Ζέλντοβιτς αντιμετώπισε το ίδιο πρόβλημα με τους περισσότερους μεγάλους σοβιετικούς επιστήμονες: την έλλειψη επικοινωνίας με τη διεθνή επιστημονική κοινότητα, η οποία με τη σειρά της οφειλόταν τόσο στο ότι το έργο του ήταν δημοσιευμένο στα ρωσικά όσο και στο ότι η προσωπική επαφή με τους συναδέλφους του στις δυτικές χώρες ήταν προβληματική. Ας ελπίσουμε ότι τα δύο τεύχη που αφιέρωσε εφέτος στην επιστημονική κληρονομιά του Ζέλντοβιτς το μεγάλο ρωσικό επιστημονικό περιοδικό «Physics-Uspekhi» («Εξελίξεις στη Φυσική Επιστήμη»), το οποίο εδώ και αρκετό καιρό εκδίδεται και στα αγγλικά, θα συντελέσουν ώστε το όνομα του μεγάλου αυτού επιστήμονα να πάρει τη θέση που του αξίζει στη διεθνή επιστημονική κοινότητα.