Ο ΡΟΛΟΣ ΤΟΥ CHANDRASEKHAR ΣΤΗΝ ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΤΟΥ 20ου ΑΙΩΝΑ

Freeman Dyson

Μετάφραση: Βαρβάρα Πετανίδου

Από τη στιγμή που η κοινότητα της αστροφυσικής είχε έρθει αντιμέτωπη με έναν υπολογισμό που έκανε ένας δεκαεννιάχρονος φοιτητής κατά τη διάρκεια των μεταπτυχιακών του σπουδών, οι ουρανοί δεν θα μπορούσαν ποτέ ξανά να θεωρηθούν ως μια τέλεια και ήρεμη κτήση.

Το 1946 ο Subrahmanyan Chandrasekhar έδωσε μια ομιλία στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο με τίτλο «Ο επιστήμονας»¹. Ήταν 35 ετών, λιγότερο από τα μισά της ζωής του και λιγότερο από το ένα τρίτο της καριέρας του ως επιστήμονας, αλλά ήδη προβληματιζόταν βαθιά για το νόημα και τον σκοπό του έργου του. Η ομιλία του ήταν μία από τη σειρά δημόσιων διαλέξεων που διοργάνωσε ο Robert Hutchins, τότε πρύτανης του πανεπιστημίου. Ο κατάλογος των ομιλητών είναι εντυπωσιακός και περιελάμβανε τους Frank Lloyd Wright, Arnold Schoenberg και Marc Chagall. Αυτή η λίστα αποδεικνύει δύο πράγματα. Δείχνει ότι ο Hutchins ήταν ένας διοργανωτής εκδηλώσεων με αξιοσημείωτες δυνάμεις πειθούς, και ότι αναγνώριζε ήδη τον Chandra ως έναν καλλιτέχνη παγκόσμιας κλάσης, του οποίου  το μέσο τυχαίνει να είναι οι θεωρίες του σύμπαντος και όχι η μουσική ή η ζωγραφική. Λέω «Chandra» επειδή αυτό είναι το όνομα με το οποίο τον αποκαλούσαν οι φίλοι του όσο ζούσε.

ΒΑΣΙΚΗ ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΚΑΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΠΙΣΤΗΜΗ

Ο Chandra ξεκίνησε την ομιλία του με την περιγραφή δύο ειδών επιστημονικής έρευνας. «Θέλω να επιστήσω την προσοχή σας σε μια ευρεία διαίρεση των φυσικών επιστημών που πρέπει να έχετε κατά νου, τη διαίρεση σε βασική επιστήμη και παράγωγη επιστήμη. Η βασική επιστήμη επιδιώκει να αναλύσει την τελική σύσταση της ύλης και τις βασικές έννοιες του χώρου και του χρόνου. Η παράγωγη επιστήμη, από την άλλη πλευρά, ασχολείται με την ορθολογική ταξινόμηση των πολυποίκιλων πτυχών των φυσικών φαινομένων με βάση τις βασικές έννοιες».

Ως παραδείγματα βασικής επιστήμης, ο Chandra ανέφερε την ανακάλυψη του ατομικού πυρήνα από τον Ernest Rutherford και την ανακάλυψη του νετρονίου από τον James Chadwick. Κάθε μία από αυτές τις ανακαλύψεις έγινε με ένα απλό πείραμα που αποκάλυψε την ύπαρξη ενός βασικού δομικού στοιχείου του σύμπαντος. Ο Rutherford ανακάλυψε τον πυρήνα εκτοξεύοντας σωματίδια άλφα σε ένα λεπτό φύλλο χρυσού και παρατηρώντας ότι ορισμένα από τα σωματίδια αναπήδησαν πίσω. Ο Chadwick ανακάλυψε το νετρόνιο εκτοξεύοντας σωματίδια άλφα προς ένα στόχο βηρυλλίου παρατηρώντας ότι η προέκυπτε μια ουδέτερη ηλεκτρικά ακτινοβολία η οποία συγκρουόταν με τους πυρήνες του βηρυλλίου με τον τρόπο που αναμενόταν για ένα τεράστιο ουδέτερο σωματίδιο δίδυμο του πρωτονίου. Ως παράδειγμα παράγωγης επιστήμης, ο Chandra ανέφερε την ανακάλυψη του Edmond Halley, το 1705, ότι ο κομήτης που σήμερα φέρει το όνομά του εμφανιζόταν περιοδικά στον ουρανό τουλάχιστον τέσσερις φορές στην καταγεγραμμένη ιστορία και ότι η ελλειπτική τροχιά του περιγράφεται από τον νόμο της βαρύτητας του Νεύτωνα. Σημείωσε επίσης την ανακάλυψη του William Herschel το 1803 ότι οι τροχιές των διπλών αστρικών συστημάτων καθορίζονται από τον ίδιο νόμο της βαρύτητας που ισχύει και πέρα από το ηλιακό μας σύστημα. Οι παρατηρήσεις του Halley και του Herschel δεν αποκάλυψαν νέα δομικά στοιχεία, αλλά διεύρυναν σημαντικά το φάσμα των φαινομένων που η βασική επιστήμη του Νεύτωνα μπορούσε να εξηγήσει.

Ο Chandra περιέγραψε επίσης τα συγκεκριμένα παραδείγματα βασικής και παράγωγης επιστήμης που έπαιξαν καθοριστικό ρόλο στη δική του πνευματική ανάπτυξη. Το 1926, όταν ο Chandra ήταν 15 ετών, αλλά ήδη φοιτητής φυσικής στο Presidency College στο Madras (σημερινό Chennai) της Ινδίας, ο Enrico Fermi και ο Paul Dirac ανακάλυψαν ανεξάρτητα τις βασικές έννοιες της στατιστικής Fermi-Dirac: εάν ένα σύνολο ηλεκτρονίων είναι κατανεμημένο σε έναν αριθμό κβαντικών καταστάσεων, κάθε κβαντική κατάσταση μπορεί να καταληφθεί το πολύ από ένα ηλεκτρόνιο και η πιθανότητα να καταληφθεί μια κατάσταση είναι απλή συνάρτηση της θερμοκρασίας. Αυτές οι βασικές ιδιότητες των ηλεκτρονίων αποτέλεσαν τον ακρογωνιαίο λίθο της νεογέννητης επιστήμης της κβαντομηχανικής. Άνοιξαν το δρόμο για τη λύση ενός από τα διάσημα άλυτα προβλήματα της φυσικής συμπυκνωμένης ύλης, εξηγώντας γιατί οι ειδικές θερμότητες των στερεών υλικών μειώνονται με τη θερμοκρασία και μηδενίζονται γρήγορα καθώς η θερμοκρασία μηδενίζεται.

Δύο χρόνια μετά τη συνάντησή του με τον Sommerfeld, στην ώριμη ηλικία των 19 ετών, ο Chandra ταξίδεψε με το ατμόπλοιο Pilsna για να εγγραφεί ως μεταπτυχιακός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο του Cambridge. Εκεί επρόκειτο να συνεργαστεί με τον Ralph Fowler, ο οποίος είχε χρησιμοποιήσει τη στατιστική Fermi-Dirac για να εξηγήσει τις ιδιότητες των λευκών νάνων – άστρων που έχουν εξαντλήσει τα αποθέματα πυρηνικής ενέργειας καίγοντας υδρογόνο για να δημιουργήσουν ήλιο ή άνθρακα και οξυγόνο. Οι λευκοί νάνοι καταρρέουν βαρυτικά σε μια πυκνότητα πολλές χιλιάδες φορές μεγαλύτερη από την κανονική ύλη και στη συνέχεια ψύχονται αργά εκπέμποντας την εναπομένουσα θερμότητα. Ο θρίαμβος της παράγωγης επιστήμης του Fowler περιελάμβανε τον υπολογισμό της σχέσης μεταξύ της πυκνότητας και της μάζας ενός λευκού νάνου, και το αποτέλεσμά του συμφωνούσε καλά με τις λιγοστές παρατηρήσεις που ήταν διαθέσιμες εκείνη την εποχή. Με τα παραδείγματα του Sommerfeld και του Fowler να τον ενθαρρύνουν, ο Chandra έπλεε προς την Αγγλία με την πρόθεση να κάνει τη δική του συμβολή στην παράγωγη επιστήμη.

ΑΛΛΑΓΗ ΣΤΗ ΘΑΛΑΣΣΑ

Στο Pilsna, ο Chandra βρήκε γρήγορα έναν τρόπο να προχωρήσει μπροστά. Οι υπολογισμοί των Sommerfeld και Fowler είχαν υποθέσει ότι τα ηλεκτρόνια ήταν μη σχετικιστικά σωματίδια που υπάκουαν στους νόμους της Νευτώνειας μηχανικής. Αυτή η υπόθεση ίσχυε σίγουρα για τον Sommerfeld. Τα ηλεκτρόνια στα μέταλλα σε κανονικές πυκνότητες έχουν ταχύτητες πολύ μικρές σε σύγκριση με την ταχύτητα του φωτός. Αλλά για τον Fowler, η υπόθεση της Νευτώνειας μηχανικής δεν ήταν τόσο ασφαλής. Τα ηλεκτρόνια στις κεντρικές περιοχές των άστρων, λευκών νάνων, μπορεί να κινούνται αρκετά γρήγορα ώστε να καθιστούν σημαντικά τα σχετικιστικά φαινόμενα. Έτσι, ο Chandra πέρασε τον ελεύθερο χρόνο του στο σκάφος επαναλαμβάνοντας τον υπολογισμό του Fowler για τη συμπεριφορά ενός λευκού νάνου, αλλά με τα ηλεκτρόνια να υπακούουν στους νόμους της ειδικής σχετικότητας του Αϊνστάιν αντί των νόμων του Νεύτωνα. Ο Fowler είχε υπολογίσει ότι για δεδομένη χημική σύνθεση, η πυκνότητα ενός λευκού νάνου θα ήταν ανάλογη του τετραγώνου της μάζας του. Αυτό ήταν λογικό από διαισθητική άποψη. Όσο μεγαλύτερη μάζα έχει το άστρο, τόσο ισχυρότερη είναι η δύναμη της βαρύτητας και τόσο πιο ισχυρά θα συμπιέζεται το άστρο. Τα αστέρια με μεγαλύτερη μάζα θα ήταν μικρότερα και πιο αμυδρά, γεγονός που εξηγούσε γιατί δεν είχαν παρατηρηθεί λευκοί νάνοι πολύ μεγαλύτερης μάζας από τον Ήλιο.

Προς μεγάλη του έκπληξη, ο Chandra διαπίστωσε ότι η αλλαγή από τον Νεύτωνα στον Αϊνστάιν έχει σημαντική επίδραση στη συμπεριφορά των λευκών νάνων. Κάνει την ύλη στα αστέρια πιο συμπιεστή, έτσι ώστε η πυκνότητα να γίνεται μεγαλύτερη για ένα αστέρι δεδομένης μάζας. Η πυκνότητα δεν αυξάνεται ταχύτερα καθώς αυξάνεται η μάζα, αλλά τείνει στο άπειρο καθώς η μάζα φτάνει σε μια πεπερασμένη τιμή, το όριο Chandrasekhar. Εφόσον η μάζα του είναι κάτω από το όριο, οι φυσικοί μπορούν να μοντελοποιήσουν έναν λευκό νάνο με σχετικιστικά ηλεκτρόνια και να λάβουν μια μοναδική σχέση μάζας-πυκνότητας. Δεν υπάρχουν μοντέλα για λευκούς νάνους με μάζα μεγαλύτερη από το όριο Chandrasekhar. Η οριακή μάζα εξαρτάται από τη χημική σύνθεση του αστέρα. Για αστέρια που έχουν κάψει όλο το υδρογόνο τους, είναι περίπου 1,5 φορά η μάζα του Ήλιου.

Ο Chandra ολοκλήρωσε τον υπολογισμό του πριν φτάσει στην Αγγλία και δεν είχε ποτέ καμία αμφιβολία ότι το συμπέρασμά του ήταν σωστό. Όταν έφτασε στο Κέιμπριτζ και έδειξε τα αποτελέσματά του στον Fowler, αυτός ήταν φιλικός αλλά δεν πείστηκε και δεν θέλησε να υποστηρίξει την εργασία του Chandra για δημοσίευση από τη Βασιλική Εταιρεία του Λονδίνου. Ο Chandra δεν περίμενε την έγκριση του Fowler, αλλά έστειλε μια σύντομη εκδοχή της εργασίας στο επιστημονικό περιοδικό Astrophysical Journal στις ΗΠΑ².  Το περιοδικό την έστειλε για κρίση στον Carl Eckart, έναν διάσημο γεωφυσικό που δεν γνώριζε πολλά για την αστρονομία. Ο Eckart συνέστησε να γίνει δεκτή και δημοσιεύθηκε ένα χρόνο αργότερα. Ο Chandra είχε ψυχραιμία. Δεν επιθυμούσε να εμπλακεί σε δημόσιο πόλεμο με τους Βρετανούς ακαδημαϊκούς, οι οποίοι απέτυχαν να κατανοήσουν τα επιχειρήματά του. Δημοσίευσε το έργο του σιωπηλά σε ένα έγκριτο αστρονομικό περιοδικό και στη συνέχεια περίμενε υπομονετικά να αναγνωρίσει η επόμενη γενιά αστρονόμων τη σημασία του. Εν τω μεταξύ, θα παρέμενε σε φιλικές σχέσεις με τον Fowler και το υπόλοιπο βρετανικό ακαδημαϊκό κατεστημένο και θα έβρισκε άλλα προβλήματα παράγωγης επιστήμης, όπου η γνώση των μαθηματικών και της φυσικής θα του επέτρεπε να επιλύσει.

Η ΠΑΡΑΚΜΗ ΚΑΙ Η ΠΤΩΣΗ ΤΟΥ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΗ

Οι αστρονόμοι είχαν καλό λόγο το 1930 να αντιδράσουν με σκεπτικισμό στα αποτελέσματα του Chandra. Οι συνέπειες της ανακάλυψης μιας οριακής μάζας ήταν εντελώς αινιγματικές. Σε όλο τον ουρανό, βλέπουμε μια αφθονία αστέρων που λάμπουν χαρούμενα με μάζες μεγαλύτερες από το όριο αυτό. Ο υπολογισμός του Chandra λέει ότι όταν αυτά τα άστρα κάψουν τα πυρηνικά τους καύσιμα, δεν θα υπάρχουν καταστάσεις ισορροπίας στις οποίες θα μπορούν να ψυχθούν. Τι μπορεί, λοιπόν, να κάνει ένα αστέρι μεγάλης μάζας όταν του τελειώσουν τα καύσιμα; Ο Chandra δεν είχε απάντηση σε αυτό το ερώτημα, ούτε και κανείς άλλος όταν το έθεσε το 1930.

Η απάντηση ανακαλύφθηκε το 1939 από τον J. Robert Oppenheimer και τον μαθητή του Hartland Snyder. Δημοσίευσαν τη λύση τους σε μια εργασία με τίτλο On Continued Gravitational Contraction³.  Κατά τη γνώμη μου, ήταν η σημαντικότερη συμβολή του Oppenheimer στην επιστήμη. Όπως και η συνεισφορά του Chandra εννέα χρόνια νωρίτερα, ήταν ένα αριστούργημα της παράγωγης επιστήμης, που πήρε μερικές από τις βασικές εξισώσεις του Αϊνστάιν και έδειξε ότι οδηγούν σε εκπληκτικές και απροσδόκητες συνέπειες στον πραγματικό κόσμο της αστρονομίας. Η διαφορά μεταξύ του Chandra και του Oppenheimer ήταν ότι ο Chandra ξεκίνησε με τη θεωρία της ειδικής σχετικότητας του 1905, ενώ ο Oppenheimer με τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν του 1915. Το 1939 ο Oppenheimer ήταν ένας από τους λίγους φυσικούς που έπαιρναν στα σοβαρά τη γενική σχετικότητα. Εκείνη την εποχή ήταν ένα θέμα που δεν ήταν της μόδας και ενδιέφερε κυρίως τους φιλοσόφους και τους μαθηματικούς. Ο Oppenheimer ήξερε πώς να τη χρησιμοποιήσει ως εργαλείο εργασίας, για να απαντήσει σε ερωτήματα σχετικά με πραγματικά αντικείμενα στον ουρανό.

Οι Oppenheimer και Snyder αποδέχθηκαν το συμπέρασμα του Chandra ότι δεν υπάρχει κατάσταση στατικής ισορροπίας για ένα ψυχρό αστέρι με μάζα μεγαλύτερη από το όριο Chandrasekhar. Επομένως, η τύχη ενός αστέρα μεγάλης μάζας στο τέλος της ζωής του πρέπει να είναι δυναμική. Επεξεργάστηκαν τη λύση των εξισώσεων της γενικής σχετικότητας για ένα ογκώδες άστρο που καταρρέει κάτω από το ίδιο του το βάρος και ανακάλυψαν ότι το άστρο βρίσκεται σε κατάσταση μόνιμης ελεύθερης πτώσης – δηλαδή, το άστρο συνεχίζει για πάντα να πέφτει προς τα μέσα, προς το κέντρο του. Η γενική σχετικότητα επιτρέπει αυτή την παράδοξη συμπεριφορά επειδή ο χρόνος που μετράει ένας παρατηρητής έξω από το αστέρι τρέχει ταχύτερα από τον χρόνο που μετράει ένας παρατηρητής μέσα στο αστέρι. Ο χρόνος που μετριέται στο εξωτερικό εκτείνεται από το τώρα μέχρι το τέλος του σύμπαντος, ενώ ο χρόνος που μετριέται στο εσωτερικό εκτείνεται μόνο για λίγες ημέρες. Κατά τη διάρκεια της βαρυτικής κατάρρευσης, ο εσωτερικός παρατηρητής βλέπει το άστρο να πέφτει ελεύθερα με μεγάλη ταχύτητα, ενώ ο εξωτερικός παρατηρητής το βλέπει να επιβραδύνεται γρήγορα. Η κατάσταση της μόνιμης ελεύθερης πτώσης είναι, απ’ όσο γνωρίζουμε, η πραγματική κατάσταση κάθε ογκώδους αντικειμένου που έχει ξεμείνει από καύσιμα. Γνωρίζουμε ότι τέτοια αντικείμενα υπάρχουν σε αφθονία στο σύμπαν. Τα ονομάζουμε μαύρες τρύπες.

Μετά από αρκετές δεκαετίες, μπορούμε να διαπιστώσουμε ότι η ανακάλυψη της οριακής μάζας από τον Chandra και η ανακάλυψη της μόνιμης ελεύθερης πτώσης από τους Oppenheimer-Snyder αποτέλεσαν σημαντικά σημεία καμπής στην ιστορία της επιστήμης. Οι ανακαλύψεις αυτές σηματοδότησαν το τέλος της αριστοτελικής θεώρησης που κυριαρχούσε στην αστρονομία επί 2000 χρόνια: οι ουρανοί ως το βασίλειο της ειρήνης και της τελειότητας, σε αντίθεση με τη Γη το βασίλειο της διαμάχης και της αλλαγής.

Οι Chandra και Oppenheimer απέδειξαν ότι ο Αριστοτέλης έκανε λάθος. Σε ένα σύμπαν όπου κυριαρχεί η βαρύτητα, δεν είναι δυνατή η ειρηνική ισορροπία. Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1930, μεταξύ των θεωρητικών ιδεών των Chandra και Oppenheimer, οι συστηματικές παρατηρήσεις του Fritz Zwicky για τις εκρήξεις σουπερνόβα επιβεβαίωσαν ότι ζούμε σε ένα βίαιο σύμπαν⁴.  Την ίδια δεκαετία, ο Zwicky ανακάλυψε τη σκοτεινή ύλη της οποίας η βαρύτητα κυριαρχεί στη δυναμική των δομών μεγάλης κλίμακας. Μετά το 1939, οι αστρονόμοι εγκατέλειψαν αργά και απρόθυμα το αριστοτελικό σύμπαν, καθώς συσσωρεύονταν όλο και περισσότερα στοιχεία για βίαια γεγονότα στους ουρανούς. Τα ραδιοτηλεσκόπια και τα τηλεσκόπια ακτίνων-Χ αποκάλυψαν ένα σύμπαν γεμάτο κρουστικά κύματα και υψηλής θερμοκρασίας πλάσμα, με άκρως βίαιες εκρήξεις που συνδέονταν με τον ένα ή τον άλλο τρόπο με τις μαύρες τρύπες.

Κάθε παιδί που μαθαίνει επιστήμη στο σχολείο και κάθε θεατής που παρακολουθεί δημοφιλή επιστημονικά ντοκιμαντέρ στην τηλεόραση γνωρίζει πλέον ότι ζούμε σε ένα βίαιο σύμπαν. Το «βίαιο σύμπαν» έχει γίνει μέρος της επικρατούσας κουλτούρας. Γνωρίζουμε ότι ένας αστεροειδής συγκρούστηκε με τη Γη πριν από 65 εκατομμύρια χρόνια και προκάλεσε την εξαφάνιση των δεινοσαύρων. Γνωρίζουμε ότι κάθε βαρύ άτομο αργύρου ή χρυσού «μαγειρεύτηκε» στον πυρήνα ενός τεράστιου άστρου πριν εκτοξευθεί στο διάστημα από μια έκρηξη υπερκαινοφανούς. Γνωρίζουμε ότι η ζωή επιβίωσε στον πλανήτη μας για δισεκατομμύρια χρόνια, επειδή ζούμε σε μια ήσυχη γωνιά ενός ήσυχου γαλαξία, μακριά από την εκρηκτική βία που βλέπουμε γύρω από εμάς σε πιο ταραγμένα μέρη του σύμπαντος. Η αστρονομία έχει αλλάξει εντελώς τον χαρακτήρα της τα τελευταία 100 χρόνια. Πριν από έναν αιώνα το κύριο θέμα της αστρονομίας ήταν η εξερεύνηση ενός ήσυχου και αμετάβλητου τοπίου. Σήμερα το κύριο θέμα της είναι να παρατηρεί και να εξηγεί τα ουράνια πυροτεχνήματα που είναι η απόδειξη βίαιων αλλαγών. Αυτός ο ριζικός μετασχηματισμός στην εικόνα που έχουμε για το σύμπαν άρχισε στο καλό πλοίο Pilsna όταν ο δεκαεννιάχρονος Chandra ανακάλυψε ότι δεν μπορεί να υπάρχει σταθερή κατάσταση ισορροπίας για ένα άστρο μεγάλης μάζας.

ΝΕΕΣ ΙΔΕΕΣ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΕΣ ΜΕ ΤΗΝ ΠΑΛΙΑ ΤΑΞΗ ΠΡΑΓΜΑΤΩΝ

Πάντα μου φαινόταν παράξενο το γεγονός ότι το έργο των τριών κύριων πρωτοπόρων του βίαιου σύμπαντος – του Chandra, του Oppenheimer και του Zwicky – έτυχε τόσο λίγης αναγνώρισης και καταξίωσης την εποχή που έγινε. Οι ανακαλύψεις αυτές αγνοήθηκαν, εν μέρει, επειδή και οι τρεις πρωτοπόροι προέρχονταν από άτομα εκτός του αστρονομικού επαγγέλματος. Οι επαγγελματίες αστρονόμοι της δεκαετίας του 1930 ήταν συντηρητικοί στην άποψή τους για το σύμπαν και στην κοινωνική τους οργάνωση. Έβλεπαν το σύμπαν ως μια ειρηνική περιοχή που ήξεραν πώς να εξερευνήσουν με τα συνήθη εργαλεία του επαγγέλματός τους. Δεν είχαν την τάση να παίρνουν στα σοβαρά τις αξιώσεις των παρείσακτων με νέες ιδέες και νέα εργαλεία. Ήταν εύκολο για τους αστρονόμους να αγνοήσουν τους διαφορετικούς, επειδή οι νέες ανακαλύψεις δεν ταίριαζαν με τους αποδεκτούς τρόπους σκέψης και οι ανακαλύψεις δεν ταίριαζαν με την καθιερωμένη αστρονομική κοινότητα.

Εκτός από αυτές τις γενικές εκτιμήσεις, οι οποίες ίσχυαν και για τους τρεις επιστήμονες, μεμονωμένες περιστάσεις συνέβαλαν στην αγνόηση του έργου τους. Για τον Chandra, οι ιδιαίτερες περιστάσεις ήταν οι προσωπικότητες των Arthur Eddington και Edward Arthur Milne, οι οποίοι ήταν οι κορυφαίοι αστρονόμοι στην Αγγλία όταν ο Chandra έφθασε από την Ινδία. Ο Eddington και ο Milne είχαν τις δικές τους θεωρίες για την αστρική δομή στις οποίες πίστευαν ακράδαντα- και οι δύο αυτές θεωρίες ήταν ασυμβίβαστες με τον υπολογισμό του Chandra για την οριακή μάζα. Οι δύο αστρονόμοι αποφάσισαν αμέσως ότι ο υπολογισμός του Chandra ήταν λανθασμένος και δεν αποδέχθηκαν ποτέ τα φυσικά γεγονότα στα οποία βασιζόταν.

Ο Zwicky αντιμετώπισε μια ακόμη χειρότερη κατάσταση στο Caltech, όπου στο τμήμα αστρονομίας κυριαρχούσαν ο Edwin Hubble και ο Walter Baade. Ο Zwicky ανήκε στο τμήμα φυσικής και δεν είχε επίσημα διαπιστευτήρια ως αστρονόμος. Ο Hubble και ο Baade πίστευαν ότι ο Zwicky ήταν τρελός και αυτός πίστευε ότι αυτοί ήταν ηλίθιοι. Και οι δύο πεποιθήσεις είχαν κάποια βάση στην πραγματικότητα. Ο Zwicky είχε νικήσει τους αστρονόμους στο δικό τους παιχνίδι παρατήρησης του ουρανού, χρησιμοποιώντας μια κάμερα ευρέως πεδίου που μπορούσε να καλύψει τον ουρανό 100 φορές ταχύτερα από ό,τι μπορούσαν να καλύψουν άλλες κάμερες τηλεσκοπίων που υπήρχαν εκείνη την εποχή. Στη συνέχεια ο Zwicky έκανε εχθρό του Baade κατηγορώντας τον ότι ήταν ναζιστής. Ως αποτέλεσμα αυτού και άλλων περιστατικών, οι ανακαλύψεις του Zwicky αγνοήθηκαν σε μεγάλο βαθμό για τα επόμενα 20 χρόνια.

Η αγνόηση της μεγαλύτερης συμβολής του Oppenheimer στην επιστήμη οφείλεται κυρίως σε ένα ατύχημα της ιστορίας. Η εργασία του μαζί με τον Snyder, η οποία καθόριζε σε τέσσερις σελίδες τη φυσική πραγματικότητα των μελανών οπών, δημοσιεύθηκε στο Physical Review την 1η Σεπτεμβρίου 1939, την ίδια ημέρα που ο Αδόλφος Χίτλερ έστειλε τις στρατιές του στην Πολωνία και ξεκίνησε τον Β’ Παγκόσμιο Πόλεμο. Εκτός από τον αντιπερισπασμό που δημιούργησε ο Χίτλερ, το ίδιο τεύχος του Physical Review περιείχε τη μνημειώδη εργασία των Niels Bohr και John Wheeler για τη θεωρία της πυρηνικής σχάσης – μια εργασία που περιέγραφε, για όσους μπορούσαν να διαβάσουν ανάμεσα στις γραμμές, τις δυνατότητες της πυρηνικής ενέργειας και των πυρηνικών όπλων⁵.  Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι η κατανόηση των μελανών οπών παραμερίστηκε από τον πιο επείγοντα ενθουσιασμό που έφερε ο πόλεμος και η πυρηνική ενέργεια.

Καθένας από τους τρεις πρωτοπόρους, μετά από μια σύντομη περίοδο επαναστατικής ανακάλυψης και μια σύντομη δημοσίευση, έχασε το ενδιαφέρον του να αγωνιστεί για την επανάσταση. Ο Chandra απόλαυσε επτά ειρηνικά χρόνια στην Ευρώπη προτού μετακομίσει στην Αμερική, δουλεύοντας κυρίως, χωρίς επαναστατικές συνέπειες, πάνω στη θεωρία των κανονικών αστέρων. Ο Zwicky, αφού ολοκλήρωσε την έρευνα του ουρανού που αποκάλυψε τη σκοτεινή ύλη και διάφορους τύπους υπερκαινοφανών, ασχολήθηκε με στρατιωτικά προβλήματα καθώς άρχιζε ο Β’ Παγκόσμιος Πόλεμος- τελικά, έγινε ειδικός στην πυραυλική. Ο Oppenheimer, αφού ανακάλυψε τη σημαντικότερη αστρονομική συνέπεια της γενικής σχετικότητας, έστρεψε την προσοχή του στις κοσμικές πυρηνικές εκρήξεις και έγινε διευθυντής του εργαστηρίου στο Λος Άλαμος.

Όταν προσπάθησα αργότερα να ξεκινήσω μια συζήτηση με τον Oppenheimer σχετικά με τη σημασία των μελανών οπών στην εξέλιξη του σύμπαντος, ήταν τόσο απρόθυμος να μιλήσει γι’ αυτές, όσο και για το έργο του στο Λος Άλαμος. Ο Oppenheimer υπέφερε από μια ακραία μορφή προκατάληψης που επικρατούσε μεταξύ των θεωρητικών φυσικών, υπερεκτιμώντας την καθαρή επιστήμη και υποτιμώντας την παράγωγη επιστήμη. Για τον Oppenheimer, η μόνη δραστηριότητα που άξιζε το ταλέντο ενός πρωτοκλασάτου επιστήμονα, ήταν η αναζήτηση νέων νόμων της φύσης. Η μελέτη των συνεπειών των παλαιών νόμων ήταν μια δραστηριότητα για μεταπτυχιακούς φοιτητές ή τριτοκλασάτους άσχετους. Δεν είχε καμία επιθυμία να επιστρέψει αργότερα στη μελέτη των μελανών οπών, τον τομέα στον οποίο είχε κάνει τη σημαντικότερη συνεισφορά του στην επιστήμη. Πράγματι, ο Oppenheimer θα μπορούσε να συνεχίσει να κάνει σημαντικές συνεισφορές στη δεκαετία του 1950, όταν οι μελανές οπές ήταν ένα θέμα που δεν ήταν της μόδας, αλλά προτίμησε να ακολουθήσει την τελευταία λέξη της μόδας. Ο Oppenheimer και ο Zwicky δεν έζησαν, όπως ο Chandra, αρκετά ώστε να δουν τις επαναστατικές ιδέες τους να υιοθετούνται από μια νεότερη γενιά και να ενσωματώνονται στο κυρίαρχο ρεύμα της αστρονομίας.

ΑΠΟ ΤΗΝ ΑΣΤΡΙΚΗ ΔΟΜΗ ΣΤΟΝ ΣΑΙΞΠΗΡ

Ο Chandra αφιέρωνε 5-10 χρόνια σε κάθε τομέα που επιθυμούσε να μελετήσει σε βάθος. Θα χρειαζόταν ένα χρόνο για να κατακτήσει το θέμα, μερικά ακόμη χρόνια για να δημοσιεύσει μια σειρά άρθρων σε περιοδικά που θα κατέρριπταν τα προβλήματα που μπορούσε να λύσει, και στη συνέχεια μερικά ακόμη χρόνια για να γράψει ένα οριστικό βιβλίο που θα εξέταζε το θέμα όπως το άφησε για τους διαδόχους του. Μόλις ολοκλήρωνε το βιβλίο, άφηνε το συγκεκριμένο πεδίο στην ησυχία του και αναζητούσε το επόμενο θέμα προς μελέτη.

Αυτό το μοτίβο επαναλήφθηκε οκτώ φορές και καταγράφηκε στις ημερομηνίες και τους τίτλους των βιβλίων του Chandra. Το βιβλίο An Introduction to the Study of Stellar Structure (University of Chicago Press, 1939) συνοψίζει το έργο του σχετικά με την εσωτερική δομή των λευκών νάνων και άλλων τύπων αστέρων. Το Principles of Stellar Dynamics (University of Chicago Press, 1942) περιγράφει την εξαιρετικά πρωτότυπη εργασία του σχετικά με τη στατιστική θεωρία των αστρικών κινήσεων σε σμήνη και γαλαξίες. Το Radiative Transfer (Clarendon Press, 1950) παρέχει την πρώτη ακριβή θεωρία της μεταφοράς ακτινοβολίας στις αστρικές ατμόσφαιρες. Το βιβλίο Hydrodynamic and Hydromagnetic Stability (Clarendon Press, 1961) παρέχει τα θεμέλια για τη θεωρία όλων των ειδών αστρονομικών αντικειμένων -συμπεριλαμβανομένων των αστέρων, των δίσκων προσαύξησης και των γαλαξιών- που μπορεί να γίνουν ασταθή ως αποτέλεσμα της διαφορικής περιστροφής. Το Ellipsoidal Figures of Equilibrium (Yale University Press, 1969) επιλύει ένα παλιό πρόβλημα βρίσκοντας όλες τις πιθανές διαμορφώσεις ισορροπίας μιας ασυμπίεστης υγρής μάζας που περιστρέφεται στο δικό της βαρυτικό πεδίο. Το πρόβλημα είχε μελετηθεί από τους μεγάλους μαθηματικούς του 19^ου αιώνα – Carl Jacobi, Richard Dedekind, Peter Lejeune Dirichlet, και Bernhard Riemann – οι οποίοι δεν μπόρεσαν να προσδιορίσουν ποιες από τις διάφορες διαμορφώσεις ήταν σταθερές. Στην εισαγωγή του βιβλίου του, ο Chandra παρατηρεί,

«Τα ερωτήματα αυτά έμελλε να παραμείνουν αναπάντητα για περισσότερα από εκατό χρόνια. Ο λόγος για αυτή την πλήρη παραμέληση πρέπει εν μέρει να αποδοθεί σε μια θεαματική ανακάλυψη του Πουανκαρέ, η οποία οδήγησε όλες τις μεταγενέστερες έρευνες προς κατευθύνσεις που φαίνονταν πλούσιες σε δυνατότητες- αλλά η μακρά αναζήτηση που συνεπαγόταν, αποδείχθηκε τελικά ένα κυνήγι χίμαιρας.»

Μετά το έργο με τα ελλειψοειδή σχήματα ακολούθησε ένα κενό 15 ετών μέχρι την εμφάνιση του επόμενου βιβλίου, The Mathematical Theory of Black Holes (Clarendon Press, 1983). Αυτά τα 15 χρόνια ήταν η περίοδος κατά την οποία ο Chandra εργάστηκε πιο σκληρά και εντατικά πάνω στο θέμα που ήταν πιο κοντά στην καρδιά του: την ακριβή μαθηματική περιγραφή των μελανών οπών και των αλληλεπιδράσεών τους με τα περιβάλλοντα πεδία και σωματίδια. Το βιβλίο του για τις μαύρες τρύπες ήταν ο αποχαιρετισμός του στην τεχνική έρευνα, όπως η «Τρικυμία» ήταν ο αποχαιρετισμός του Ουίλιαμ Σαίξπηρ στη συγγραφή θεατρικών έργων. Μετά τη δημοσίευση του βιβλίου, ο Chandra έδωσε διαλέξεις και έγραψε για μη τεχνικά θέματα, για τα έργα του Σαίξπηρ, του Μπετόβεν και του Σέλεϊ και για τη σχέση μεταξύ τέχνης και επιστήμης. Μια συλλογή των διαλέξεών του για το ευρύ κοινό εκδόθηκε το 1987 με τον τίτλο Αλήθεια και Ομορφιά¹ (ΣτΜ. Στα ελληνικά έχει εκδοθεί το 1992 από τις εκδόσεις ΕΣΠΙ).

Κατά τη διάρκεια των ετών της συνταξιοδότησής του, πέρασε μεγάλο μέρος του χρόνου του δουλεύοντας τα Principia του Νεύτωνα. Ο Chandra ανακατασκεύασε κάθε πρόταση και κάθε απόδειξη, μεταφράζοντας τα γεωμετρικά επιχειρήματα του Νεύτωνα στην αλγεβρική γλώσσα που είναι οικεία στους σύγχρονους επιστήμονες. Τα αποτελέσματα της ιστορικής του έρευνας δημοσιεύτηκαν λίγο πριν από το θάνατό του στο τελευταίο του βιβλίο, Newton’s “Principia” for the Common Reader (Clarendon Press, 1995). Για να εξηγήσει γιατί έγραψε το βιβλίο, είπε: «Είμαι πεπεισμένος ότι οι γνώσεις κάποιου για τις Φυσικές Επιστήμες είναι ελλιπείς χωρίς τη μελέτη των Principia με τον ίδιο τρόπο που οι γνώσεις κάποιου για τη Λογοτεχνία είναι ελλιπείς χωρίς τη γνώση του Σαίξπηρ».⁶

Το έργο του Chandra για τις μαύρες τρύπες ήταν το πιο δραματικό παράδειγμα της δέσμευσής του στην παράγωγη επιστήμη ως εργαλείο για την κατανόηση της φύσης.

Η βασική μας κατανόηση της φύσης του χώρου και του χρόνου στηρίζεται σε δύο θεμέλια: πρώτον, στις εξισώσεις της γενικής σχετικότητας που ανακάλυψε ο Αϊνστάιν και δεύτερον, στις λύσεις για μελανές οπές αυτών των εξισώσεων που ανακάλυψαν ο Karl Schwarzschild και ο Roy Kerr και διερεύνησε σε βάθος ο Chandra. Η καταγραφή των βασικών εξισώσεων είναι ένα μεγάλο βήμα προς την κατανόηση, αλλά δεν αρκεί. Για να φτάσουμε σε μια πραγματική κατανόηση του χώρου και του χρόνου, είναι απαραίτητο να κατασκευάσουμε λύσεις των εξισώσεων και να εξερευνήσουμε όλες τις απροσδόκητες συνέπειές τους. Ο Chandra δεν είπε ποτέ ότι κατάλαβε περισσότερα για τον χώρο και τον χρόνο από τον Αϊνστάιν, αλλά κατάλαβε. Όσο ο Αϊνστάιν δεν αποδεχόταν την ύπαρξη των μελανών οπών, η κατανόηση του χώρου και του χρόνου δεν ήταν καθόλου πλήρης.

Όταν ήμουν φοιτητής στο Κέιμπριτζ, σπούδασα με τον φίλο του Chandra, Godfrey Hardy, έναν καθαρόαιμο μαθηματικό που συμμεριζόταν τις απόψεις του Chandra για τον βρετανικό ιμπεριαλισμό και την ινδική πολιτική. Όταν ήρθα, ο Hardy ήταν γέρος και περνούσε τον περισσότερο χρόνο του γράφοντας βιβλία. Με την αλαζονεία της νιότης, ρώτησα τον Hardy γιατί σπαταλούσε τον χρόνο του γράφοντας βιβλία αντί να κάνει έρευνα. Ο Hardy απάντησε: «Οι νέοι πρέπει να αποδεικνύουν θεωρήματα. Οι γέροι πρέπει να γράφουν βιβλία». Αυτή ήταν μια καλή συμβουλή που δεν έχω ξεχάσει ποτέ. Την ακολούθησε και ο Chandra. Δεν ξέρω αν την έμαθε από τον Hardy.

Αυτό το άρθρο βασίζεται σε μια ομιλία που έδωσα στο Συμπόσιο για την εκατονταετηρίδα του Chandrasekhar στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο στις 16 Οκτωβρίου 2010.

ΑΝΑΦΟΡΕΣ
1. Chandrasekhar, S., 1987. Truth and Beauty: Aesthetics and Motivations in Science, Chicago: U.Chicago Press.
2. Chandrasekhar, S., 1931. The Maximum Mass of Ideal White Dwarfs. J. 74, 81. https://doi.org/10.1086/143324
3. R. Oppenheimer, J., R., and Snyder. H., 1939. On Coninued Gravitational Contraction. Phys. Rev. 56, 455 (1939). https://doi.org/10.1103/PhysRev.56.455
4. See, for example, Zwicky, F., 1957. Morphological Astronomy, Berlin: Springer Springer, sec. 8 and 9.
5. Bohr, N., and J. A. Wheeler, , A., 1939. The Mechanism of Nuclear Fission. Phys. Rev. 56, 426. https://doi.org/10.1103/PhysRev.56.426
6. Chandrasekhar, S., 1994. On reading Newton’s Principia at age past eighty. Sci. 67, 495.
7. Αναφορά 2, ανατυπωμένη στο Wali, K., C., 2001. A Quest for Perspectives: Selected Works of S. Chandrasekhar, with Commentary, 1, London: Imperial College Press, p. 13.

Ο Freeman Dyson είναι συνταξιούχος καθηγητής στο Institute for Advanced Study στο Princeton του New Jersey.

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ

Reproduced from Chandrasekhar’s role in 20th-century science Physics Today 63 (12), 44–48 (2010); https://doi.org/10.1063/1.3529001, with the permission of the American Institute of Physics.”