Η σπουδαιότερη εργασία του Οπενχάιμερ

Πώς οι σταλινικές εκκαθαρίσεις του 1936-38 έγιναν αφορμή για την σπουδαιότερη δημοσίευση του Οπενχάιμερ Πολύ πριν αρχίσει να εργάζεται στο Manhattan Project και την ανάπτυξη της ατομικής βόμβας, ο J. Robert Oppenheimer ήταν ένας πρωτοπόρος φυσικός με σημαντικές επιστημονικές δημοσιεύσεις στην κβαντική θεωρία, την ατομική και πυρηνική φυσική, τα στοιχειώδη σωματίδια και τις κοσμικές ακτίνες. Στο σύνολο των εργασιών του Oppenheimer εύκολα εντοπίζει κανείς τρεις δημοσιεύσεις, που ξεφεύγουν από τα συνηθισμένα ερευνητικά ενδιαφέροντά του. Στην ταινία «Oppenheimer», του Christopher Nolan, μάλλον δεν θα βρούμε καμία αναφορά γι’ αυτές. Πρόκειται για τις τρεις μοναδικές δημοσιεύσεις του στον τομέα της αστροφυσικής οι οποίες έγιναν την διετία 1938-39:

Αν πάρουμε τα πράγματα από την αρχή θα δούμε ότι η αφορμή για αυτές τις τρεις αστροφυσικές εργασίες του Oppenheimer ήταν … η Μεγάλη Εκκαθάριση του Στάλιν. Στις 19 Φεβρουαρίου του 1938, ενώ ο λαός της σοβιετικής ένωσης βίωνε τον Μεγάλο Τρόμο, δημοσιεύθηκε στο δυτικό επιστημονικό περιοδικό Nature (με την βοήθεια του Niels Bohr) μια εργασία ενός από τους σημαντικότερους φυσικούς της ΕΣΣΔ, του Lev Davidovich Landau, με τίτλο ‘Origin of Stellar Energy‘, στην οποία υποστήριζε ότι στην καρδιά του Ήλιου υπάρχει ένα μικρό άστρο νετρονίων. Όμως, η φυσική που χρησιμοποιούσε στην συγκεκριμένη εργασία είχε σοβαρά σφάλματα. Στη συνέχεια ο Landau συνελήφθη και φυλακίστηκε από το σοβιετικό κράτος, όχι για τη λάθος φυσική που χρησιμοποίησε στην εν λόγω δημοσίευση, αλλά για τις αντισταλινικές του απόψεις. O Landau ως «κατάσκοπος» των Ναζί Στα τέλη του 1937 ο Landau, που τότε ήταν ήδη επικεφαλής της έρευνας στη θεωρητική φυσική στη Μόσχα, αισθάνθηκε την θύελλα των εκκαθαρίσεων να τον πλησιάζει. Πανικόβλητος αναζήτησε προστασία. Θα μπορούσε πιθανόν να αποφύγει τον κίνδυνο αν συγκέντρωνε τη δημόσια προσοχή ως διαπρεπής επιστήμονας. Αναζήτησε λοιπόν ανάμεσα στις επιστημονικές ιδέες του κάποια που θα μπορούσε ενδεχομένως να προκαλέσει μεγάλη εντύπωση, τόσο στον δυτικό όσο και τον ανατολικό κόσμο. Τελκά, επέλεξε μια ιδέα που τριβέλιζε στο νου του από τις αρχές της δεκαετίας του 1930, την ιδέα ότι τα «κανονικά» άστρα όπως ο Ήλιος ίσως διέθεταν στο κέντρο τους αστρικούς πυρήνες νετρονίων, όπως τους αποκαλούσε ο ίδιος. Για να εξασφαλίσει ότι το άρθρο θα τραβούσε όσο το δυνατόν την προσοχή του κοινού, προέβη σε μια σειρά ασυνήθιστων ενεργειών.Το υπέβαλε στα ρωσικά για δημοσίευση στο περιοδικό «Εκθέσεις της Ακαδημίας Επιστημών της ΕΣΣΔ», που εκδίδονταν στη Μόσχα, και παράλληλα το έστειλε μεταφρασμένο στα αγγλικά στον διάσημο φυσικό Niels Bohr στην Κοπεγχάγη. Ο Bohr ως επίτιμο μέλος της Ακαδημίας Επιστημών της ΕΣΣΔ, ήταν λίγο πολύ αποδεκτός από τις σοβιετικές αρχές, ακόμη και κατά την περίοδο των Μεγάλων Εκκαθαρίσεων. O Landau παρακαλούσε τον Bohr να υποβάλλει το άρθρο του για δημοσίευση στο βρετανικό περιοδικό Nature, ένα από τα μεγαλύτερης κυκλοφορίας και πιο σοβαρά επιστημονικά περιοδικά στον κόσμο. O Landau είχε φίλους που κατείχαν υψηλές θέσεις – αρκετά υψηλές θέσεις ώστε να φροντίσουν αμέσως μόλις ο Bohr ενέκρινε το άρθρο και το υπέβαλε στο Nature, να σταλεί ένα τηλεγράφημα από τη συντακτική ομάδα της κυβερνητικής εφημερίδας μεγάλης κυκλοφορίας Izvestia στον Bohr, ζητώντας την γνώμη του σχετικά με το άρθρο. H δημοσίευση στο Nature και η θεαματική του προβολή με τα εγκωμιαστικά σχόλια του Βοhr στις σοβιετικές εφημερίδες έγιναν με μοναδικό σκοπό να γλιτώσει την σύλληψη ο Landau. Κι όμως, η εκστρατεία αυτή δεν ήταν αρκετή για να τoν σώσει. Νωρίς το πρωί της 28ης Απριλίου του 1938, o Landau, ένας εβραίος και φλογερός μαρξιστής, συνελήφθη στο σπίτι του και φυλακίστηκε με την γελοία κατηγορία της κατασκοπίας υπέρ των Γερμανών.

Για την ιστορία, αποφυλακίστηκε τον Απρίλιο του 1939, ύστερα από έκκληση για την απελευθέρωσή του που έκανε ο πιο φημισμένος τότε σοβιετικός πειραματικός φυσικός Pyotr Kapitsa, υποστηρίζοντας ότι ο Landau ήταν ο μόνος από τους σοβιετικούς θεωρητικούς φυσικούς που θα μπορούσε να λύσει το μυστήριο της υπερρευστότητας (Κι έτσι έγινε! Ο Landau εξήγησε το φαινόμενο της υπερρευστότητας χρησιμοποιώντας τους νόμους της κβαντομηχανικής και βραβεύθηκε με το Νόμπελ Φυσικής). Δεν θα ήταν υπερβολή αν κάποιος ισχυριζόταν ότι η ενασχόληση του Oppenheimer με την φυσική των άστρων οφείλεται στη δίωξη του Landau από το σταλινικό καθεστώς. Και τούτο, γιατί ήταν από τις λίγες φορές που ένα άρθρο σοβιετικού φυσικού γινόταν άμεσα γνωστό στους φυσικούς των ΗΠΑ, αφού δημοσιευόταν απευθείας σε επιστημονικό περιοδικό της Δύσης. Αστρικοί πυρήνες νετρονίων Το άρθρο του Landau στο Nature, παρά τα σφάλματά του, τράβηξε την προσοχή του Richard Tolman, ενός σπουδαίου θεωρητικού φυσικού στο Catlech, με παγκόσμια αναγνώριση ως αυθεντία στη γενκή σχετικότητα. O Tolman ενθουσιάστηκε με την ιδέα ενός άστρου από νετρόνια. Θεωρώντας ότι η έννοια του αστέρα νετρονίων παραμένει ένα πρόβλημα προς επίλυση, παρακίνησε τον Robert Oppenheimer να εφαρμόσει τις χωροχρονικές εξισώσεις του Αϊνστάιν στα άστρα που κατέρρεαν. Το καλοκαίρι του 1938 ο Oppenheimer συνεργάστηκε με τον Robert Serber για να ελέγξουν τα δεδομένα της εργασίας του Landau. Έτσι, στην εργασία τους με τίτλο ‘On the Stability of Stellar Neutron Cores‘, που δημοσιεύθηκε την 1η Οκτωβρίου του 1938, απέδειξαν ότι τα συνηθισμένα άστρα όπως ο Ήλιος, ήταν αδύνατον να έχουν πυρήνα νετρονίων. Διαφορετικά, ο Ήλιος μας θα ήταν πολύ πιο μικρός, λόγω της τεράστιας βαρυτικής έλξης του υπέρπυκνου πυρήνα του. Ο Oppenheimer άρχισε να αναρωτιέται μήπως οι πυρήνες του Landau έπαιζαν κάποιο ρόλο στο τέλος της ζωής των άστρων. Πριν από αρκετά χρόνια ένας άλλος φυσικός, ο Subrahmanyan Chandrasekhar, είχε ανακαλύψει ότι ένα άστρο που θα γινόταν λευκός νάνος δεν έπρεπε να υπερβαίνει μια συγκεκριμένη μάζα για να μην μεταμορφωθεί σε κάτι άλλο: υπήρχε, άραγε, παρόμοιο όριο και για τον αστέρα νετρονίων; Έτσι, λίγους μήνες αργότερα, με τον φοιτητή George Michael Volkoff, και τον Tolman να τους συμβούλευε ανεπισήμως, χρησιμοποιώντας την θεωρία της γενικής σχετικότητητας, κάνοντας επίπονους υπολογισμούς κατέληξαν σε μια συνολική εικόνα για το πως σχηματίζεται ένας πυρήνας νετρονίων. Δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους στην εργασία τους με τίτλο «On massive neutron cores«, όπου παρουσιάζουν ένα άνω όριο – σήμερα γνωστό ως «όριο Tolman–Oppenheimer–Volkoff» – στη μάζα των αστέρων νετρονίων. Αν ξεπερνούσαν το όριο οι αστέρες γίνονταν ασταθείς. Ο Volkoff και ο Oppenheimer ανακάλυψαν ότι υπήρχε ένα τελικό όριο για τον αστέρα νετρονίων. Πέρα από μια συγκεκριμένη μάζα, ο πυρήνας του άστρου θα εξακολουθούσε να συστέλλεται – και μάλιστα ατέρμονα. Όπως o Chandrasekhar βρήκε ένα άνω όριο για τις μάζες των λευκών νάνων, έτσι και οι Volkoff και Oppenheimer αποκάλυψαν ένα παρόμοιο περιορισμό για τους αστέρες νετρονίων. Τι συμβαίνει στο άρχικό άστρο αν η μάζα του υπεβαίνει το όριο; «Το ερώτημα του τι συμβαίνει παραμένει αναπάντητο», αποκρίθηκαν. Όμως κανένας δεν είχε ακόμα πανικοβληθεί. Ήξεραν ότι είχαν μόλις αρχίσει να ασχολούνται με το πρόβλημα. Ενδεχομένως, οι φυσικές ιδιότητες της τόσο συμπιεσμένης ύλης δεν ήταν ακόμα πλήρως κατανοητές. Ίσως στο προσκήνιο να εμφανίζονται άγνωστες έως τώρα απωστικές δυνάμεις που να αποτρέπουν την οριστική κατάρρευση. Εννέα μήνες αργότερα, την 1η Σεπτεμβρίου του 1939, ο Oppenheimer και ένας ακόμα φοιτητής του, ο Hartland Snyder- δημοσίευσαν μια εργασία με τίτλο «Περί της Συνεχούς Βαρυτικής Συστολής». Η ιστορία έχει καταχωρίσει στην ημερομηνία αυτή την εισβολή των ναζί στην Πολωνία και την έναρξη του Δευτέρου Παγκοσμόυ Πολέμου. Ο φυσικός και ιστορικός της επιστήμης Jeremy Bernstein την αποκαλεί «μια από τις πιο σπουδαίες δημοσιεύσεις στη φυσική του εικοστού αιώνα», αν και τότε η εργασία τους πέρασε σχεδόν απαρατήρητη. Η πρώτη περιγραφή μιας μαύρης τρύπας Οι Oppenheimer και Snyder ξεκίνησαν με αφετηρία ένα άστρο που έχει καταναλώσει τα καύσιμά του. Για να απλουστεύσουν, μάλιστα, τους υπολογισμούς εκείνη την εποχή χωρίς τους σημερινούς υπολογιστές, αγνόησαν κάποιες πιέσεις και την περιστροφή του άστρου. Διαφορετικά θα ήταν αδύνατον να λύσουν το πρόβλημα. Όταν πάψουν οι πυρηνικές καύσεις ο πυρήνας του αστέρα δεν μπορεί να στηρίξει τον εαυτό του κόντρα στην έλξη της ίδιας της βαρύτητά του προς το κέντρο, και το αστρικό κουφάρι αρχίζει να συρρικνώνεται. Ο Oppenheimer και ο Snyder διαπίστωσαν ότι αν αυτός ο πυρήνας έχει μάζα πάνω από κάποιο όριο, το απομεινάρι του άστρου δεν θα μετατραπεί σε λευκό νάνο (όπως θα συμβεί με τον δικό μας Ήλιο) ούτε θα συμβιβαστεί με το να μείνει μια σφαίρα νετρονίων. Κι αυτό γιατί από τη στιγμή που η ύλη συμπιέζεται σε πυκνότητες πάνω συγκεκριμένο όριο, τα νετρόνια δεν μπορούν να φρενάρουν επαρκώς την κατάρρευση. Οι πιέσεις εκφυλισμού, που αναπτύσσονται από τα νετρόνια, δεν αρκούν. Ο Oppenheimer και ο Snyder υπολόγισαν ότι το άστρο θα συνεχίσει την ατέρμονη συρρίκνωσή του. Όταν πάρει η βαρύτητα το πάνω χέρι, δεν προβλέπεται διάλειμμα για να πάρουν ανάσα οι κουρασμένοι. Η ύλη μέσα σ’ ένα τέτοιο άστρο που καταρρέει βρίσκεται σε κατάσταση μόνιμης ελεύθερης πτώσης. Οι τελευταίες ακτίνες φωτός που διαφεύγουν προτού η «πόρτα» κλείσει οριστικά επιμηκύνονται σε τέτοιον βαθμό από την έλξη της βαρύτητας (από το ορατό περνούν στο υπέρυθρο, μετά στα ραδιοκύματα κι ακόμα παραπέρα) ώστε οι ακτίνες γίνονται αόρατες και το άστρο εξαφανίζεται από το οπτικό πεδίο. Ο χωροχρόνος υφίσταται τέτοια στρέβλωση γύρω από το άστρο που καταρρέει ώστε το άστρο κυριολεκτικά αυτο-αποκλείεται από το υπόλοιπο σύμπαν. «Παραμένει μόνο το βαρυτικό πεδίο του», ανέφεραν οι Oppenheimer και ο Snyder. Βρήκαν, επιπλέον, ότι το άστρο καταρρέει σε ένα σημείο, συμπιεσμένο σε μια ιδιομορφία άπειρης πυκνότητας και μηδενικού όγκου (κάτι που μοιάζει αδύνατον). Αυτό έλεγαν οι εξισώσεις τους, αλλά δίσταζαν να το πουν ευθέως. Ο λόγος ήταν ότι οι ιδιομορφίες προκαλούν τρόμο στους φυσικούς. Είναι ένα σήμα ότι υπ’ αυτές τις ακραίες συνθήκες κάτι δεν πάει καλά με τη θεωρία, ότι βρίσκονται σε μια επικράτεια όπου τα μαθηματικά που χρησιμοποιούν δεν περιγράφουν έγκυρα τα φυσικά δεδομένα. Είναι εξίσου άσχημο με το να προσπαθείς να διαιρέσεις έναν αριθμό με το μηδέν. Η απάντηση ότι η διαίρεση ενός αριθμύ με το μηδέν ισούται με άπειρο δεν είναι καθόλου ικανοποιητική. Μια ιδιομορφία σε μια εξίσωση της φυσικής, όπου μια παράμετρος δραπετεύει στο άπειρο, υποδηλώνει ένα παρόμοιο αδιέξοδο. Με δεδομένη αυτή την άβολη κατάσταση, ο Oppenheimer και ο Snyder δεν είχαν διάθεση να ψάξουν περισσότερο. Αυτό που ανέφεραν ήταν ήδη αρκετά αλλόκοτο. Σύμφωνα με τον Werner Israel, ήταν «η πιο τολμηρή και παράδοξα προφητική εργασία που δημοσιεύθηκε ποτέ σ’ αυτό το πεδίο. Στην εργασία αυτή δεν υπάρχει τίποτα που να χρειάζεται σήμερα αναθεώρηση». Στον τίτλο της εργασίας τους, ο Oppenheimer και ο Snyder αποκάλεσαν το συγκεκριμένο φαινόμενο «συνεχιζόμενη βαρυτική συστολή», που καθιερώθηκε ως η πρώτη σύγχρονη περιγραφή μιας μαύρης τρύπας. Ωστόσο, η εργασία αυτή, πέρασε σχεδόν απαρατήρητη για δυο λόγους. Πρώτον, δημοσιεύθηκε την ίδια ημέρα που ο Χίτλερ κήρυξε τον πόλεμο στην Πολωνία, πυροδοτώντας την έναρξη του Β’ Παγκοσμίου Πολέμου και δεύτερον στο ίδιο τεύχος του περιοδικού δημοσιεύθηκε μια πρωτοποριακή εργασία των Νiels Bohr και John Archibald Wheeler για τον μηχανισμό της πυρηνικής σχάσης, θέμα πολύ πιο σημαντικό και επείγον για τους φυσικούς της εποχής. Σύμφωνα με τον Kip Thorne, μόνο στις αρχές της δεκαετίας του 1970 και μετά, όταν ανιχνεύθηκαν μαύρες τρύπες από τους αστρονόμους, η εργασία των Oppenheimer-Snyder αποδεικνύεται εκ των υστέρων, μια αξιόλογα πλήρης – και μαθηματικά ακριβής – περιγραφή της βαρυτικής κατάρρευσης και του σχηματισμού μιας μαύρης τρύπας. Ήταν δύσκολο για τους ανθρώπους της εποχής εκείνης να κατανοήσουν την συγκεκριμένη εργασία διότι αυτά που προέκυπταν από τα μαθηματικά της διέφεραν από την κρατούσα αντίληψη για το πως έπρεπε να συμπεριφέρονται τα ουράνια σώματα. Έχοντας κάνει λοιπόν το αρχικό δημουργικό άλμα για τη θεωρία των μαύρων τρυπών, ο Oppenheimer έπαψε να ασχολείται με την αστροφυσική! Δυο δεκαετίες αργότερα, ένας άλλος μεγάλος φυσικός, ο John Wheeler, προσπάθησε να μιλήσει στον Oppenheimer για την παλιά του εργασία σχετικά με τους εξαντλημενους αστέρες νετρονίων. Όμως ο Oppenheimer δεν έδειχνε πλέον κανένα ενδιαφέρον γι’ αυτό που εξελισσόταν ραγδαία στο πιο καυτό αντικείμενο της φυσικής. Από επαγγελματική πλευρά, ήταν μια πρόσκαιρη παράκαμψη στην επιστημονική σταδιοδρομία του Oppenheimer, που περιλάμβανε τρεις και μόνο εργασίες. Αμέσως μετά επέστρεψε στη δουλειά του για τα πυρηνικά σωματίδια και τη φυσική των κοσμικών ακτίνων, απ’ όπου το 1942 πέρασε στο Σχέδιο Μανχάταν των ΗΠΑ, που είχε στόχο την κατασκευή της πρώτης ατομικής βόμβας στον κόσμο. Μολονότι, κανένας δυτικός φυσικός δεν ασχολήθηκε περαιτέρω με τη βαρυτική κατάρρευση, ο Lev Landau στη Σοβιετική Ένωση – ο φυσικός που άναψε την αστροφυσική σπίθα του Oppenheimer – εντυπωσιάστηκε βαθύτατα. Πρόσθεσε την εργασία των Oppenheimer-Snyder στη «χρυσή λίστα» του, έναν κατάλογο με τις κλασικές εργασίες που θεωρούσε ότι πρέπει κανείς να έχει διαβάσει. Πολλά χρόνια αργότερα, ο φυσικός Freeman Dyson ανέφερε στον Oppenheimer την ξεχασμένη εργασία του πάνω στις μαύρες τρύπες, αλλά ο πατέρας της ατομικής βόμβας δεν δέχθηκε να ακούσει λέξη. Επειδή ο Oppenheimer πίστευε ότι απλώς εφάρμοσε τους νόμους του Αϊνστάιν στα άστρα που καταρρέουν κι ότι δεν είχε ανακαλύψει κάποιον καινούργιο νόμο της φυσικής, ο Dyson υποψιάζεται ότι ο Oppenheimer θεωρούσε το επίτευγμά του άξιο μόνο για «μεταπτυχιακούς φοιτητές ή, έστω, φυσικούς τρίτης διαλογής». Δεν έβλεπε τον άθλο του ως θρίαμβο της θεωρίας. Ωστόσο ο Dyson είχε αντίθετη άποψη. Περιέγραψε την εργασία του Oppenheimer για τη συνεχιζόμενη βαρυτική συστολή ως την «πιο σημαντική συνεισφορά του στην επιστήμη, ένα αριστούργημα παράγωγης επιστήμης, που παίρνοντας μερικές από τις βασικές εξισώσεις του Αϊνστάιν μας έδειξε πως αυτές πυροδοτούν εκπληκτικά και απρόσμενα φαινόμενα στον πραγματικό κόσμο της αστροφυσικής«.

Ο J. Robert Oppenheimer (δεξιά) εφάρμοσε τις αρχές της γενικής σχετικότητας που διατύπωσε ο Albert Einstein (αριστερά), για να ανακαλύψει πώς μπορεί να σχηματιστεί υπό ορισμένες συνθήκες,αυτό που σήμερα γνωρίζουμε ως μαύρη τρύπα πηγές: 1. Μαύρες τρύπες και στρεβλώσεις του χρόνου, Kip S. Thorne, εκδόσεις κάτοπτρο 2. O ΘΡΙΑΜΒΟΣ ΚΑΙ Η ΤΡΑΓΩΔΙΑ ΤΟΥ ΡΟΜΠΕΡΤ ΟΠΕΝΧΑΪΜΕΡ, Kai Bird & Martin Sherwin, εκδόσεις Τραυλός 3. ΜΑΥΡΕΣ ΤΡΥΠΕΣ, Μάρσα Μπαρτούσακ, ΠΕΚ 4. Oppenheimer Almost Discovered Black Holes Before He Became ‘Destroyer of Worlds’ – https://www.scientificamerican.com/article/oppenheimer-almost-discovered-black-holes-before-he-became-destroyer-of-worlds/