自学成才的核武专家,后半生转战天体物理,再创高产奇迹

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图1：1950-1960年代以及1980年代的雅科夫·鲍里索维奇·泽尔多维奇（1914年3月8日-1987年12月2日）。图片来源：AIP Emilio Segrè Visual Archives, Physics Today Collection）



导读：

       苏联科学家雅科夫∙鲍里索维奇∙泽尔多维奇是位极具天赋的全能型学者。他从未接受过正统的大学教育，但成为苏联核武器项目的核心人物之一，32岁即当选苏联科学院通讯院士，50岁转向从未触及天文学研究，带领一批年轻人开辟出崭新的研究领域。其旺盛的精力和高数量高质量的科研产出持续到了生命最后一刻，可谓奇迹。
郑政 | 撰文 中国科学院国家天文台 | 来源
雅科夫∙鲍里索维奇∙泽尔多维奇（Yakov Borisovich Zeldovich，也常被称为YaB），苏联著名物理学家，在热核反应，爆炸力学，流体力学等领域都有非凡的造诣，是苏联核武器项目中的核心人物。天文学者更为熟知的则是他在物理宇宙学方面的卓越贡献。
今年3月是泽尔多维奇诞辰110周年，本文介绍泽尔多维奇的生平以及一些轶事。SAIXIANSHENG
极具天赋的理论物理学家

泽尔多维奇1914年3月8日出生于白俄罗斯明斯克的一个犹太家庭，他的父亲是一名律师，母亲是一名精通法语的翻译家。出生不久，他们举家搬迁到了圣彼得堡（列宁格勒）。

泽尔多维奇天资过人，基本自学成才，而且是一名全能型学者。17岁那年，泽尔多维奇在苏联科学院的化学物理研究所找了一份实验员的工作。泽尔多维奇在研究方面非常活跃，18岁那年就发表了他的第一篇论文。他觉得与其花四五年时间读大学，还不如集中精力做研究有意思。所以泽尔多维奇从未正式进入大学接受高等教育，只是在列宁格勒国立大学和列宁格勒理工学院上了一些本科物理课和数学课。

还好那个时候的苏联教育正在经历巨变，不太看重学历。正因为这样，22岁那年，泽尔多维奇得以以一篇“异相表面的吸收与催化”的论文通过了等效于博士的候选资格。后来，泽尔多维奇建立了数学物理理论解释氮的氧化过程，在物理化学领域，他发现的这一热氮氧化机制被称为泽尔多维奇机制。凭借这项工作，25岁的泽尔多维奇成功地获得了博士学位，继续他开挂的人生。

按照泽尔多维奇两卷著作选集里的分类，金兹堡（V. L. Ginzburg；2003年诺贝尔物理学奖获得者）把泽尔多维奇的人生大致划分为四个阶段。1914年-1930年是童年和求学阶段；1931年-1947年，在化学物理研究所进行物理化学研究；1947年-1963年，进行核技术，核物理，以及基本粒子研究（这期间他主要参与并领导了苏联核武器包括原子弹和氢弹的研制）；1963年-1987年，转向天体物理研究，集中在相对论天体物理和宇宙学。

1946年，32岁的泽尔多维奇被选为苏联科学院通讯院士，朗道（Lev Landau；1962年诺贝尔物理学奖获得者）在推荐信里称他为苏联最具天赋的理论物理学家之一，盛赞他在燃烧学方面的理论研究，并总结出他罕见而鲜明的研究特色：广泛地把流体力学和理论物理方法结合起来。朗道最后指出泽尔多维奇的科研之路还远未达到顶峰，潜力巨大。

1953年，泽尔多维奇当选苏联科学院院士，库尔恰托夫（I. V. Kurchatov）在推荐信里归纳了泽尔多维奇进行科学研究的四个特点：涉猎广泛（理论，实验，吸收现象，化学动力学，燃烧和爆炸理论，气体动力学，核物理），化繁为简寻找近似的能力，解决难题的高超理论水平，将严格和精确的理论分析应用于解决重大应用问题的特有才能。显而易见，他这一阶段的研究和他参与核武器项目密切相关。
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50岁重新开始

在年届五十知天命的时候，泽尔多维奇告别核武器项目，重出江湖，回归学术圈，选择转向之前从未触及的天文领域（值得我辈深思，自己50岁的时候要做何转变）。他引领一帮年轻人，开辟崭新的研究领域，其旺盛的精力和高数量高质量的科研产出持续到了生命最后一刻（1987年12月2日因心脏病突发去世），可谓奇迹。在外界看来，1960年代不知从哪里突然冒出个泽尔多维奇，开始活跃在学术界。霍金（Stephen Hawking）曾一度认为泽尔多维奇类似布尔巴基，是一群科学家的虚构名字，直到1970年代霍金访问苏联和他当面交流后方才相信泽尔多维奇确有其人。1964年，泽尔多维奇加入了苏联科学院应用数学所。1983年，他应卡皮查（P. L. Kapitsa；1978年诺贝尔物理学奖获得者）邀请转到物理问题研究所，领导其理论部。这是由朗道一手创立的，泽尔多维奇使用的就是朗道的办公室，继续小心翼翼保留里面一面黑板，上面是狄拉克访问时写下的几个方程。
泽尔多维奇著作颇丰。前面提到的那两卷著作选集是在泽尔多维奇70岁的时候出版的，第一卷包括19部专著和156篇论文，第二卷包括14部专著和教科书还有296篇论文。在天文相关研究中，他开创了相对论天体物理，研究课题广泛，包括中子星，黑洞，吸积，宇宙中物质和辐射的相互作用，大尺度结构的形成，以及各种观测效应。
和泽尔多维奇这个名字联系在一起的物理机制、效应和过程可谓数不胜数。这里简单举几个例子：星系团里电子逆康普顿散射导致微波背景辐射光谱扭曲的Sunyaev-Zeldovich（SZ）效应已被广泛用于研究星系团和宇宙学；基于拉格朗日微扰理论的Zeldovich近似是关于宇宙结构形成非常成功和富有洞见的解析模型，被广泛用于设置N体数值模拟的初始状态；宇宙大尺度扰动增长到塌缩所形成的特征结构被称为Zeldovich Pancake；在暴胀理论诞生之前，对宇宙原初扰动的形成尚缺乏理解的情况下，泽尔多维奇和哈里森分别提出和论证了尺度无关的扰动谱，被称为Harrison-Zeldovich功率谱，非常接近我们现在基于暴胀得到的功率谱；在磁理论中，有Zeldovich反发电机定理，限制发电机机制能产生的磁场类型。泽尔多维奇曾获国际理论物理中心的狄拉克奖，太平洋天文学会的布鲁斯奖，英国皇家天文学会金奖，苏联科学院的库尔恰托夫奖。编号包含他生日的11438号小行星以他的名字命名。

图2：泽尔多维奇（左）1983年获太平洋天文学会的布鲁斯奖，鲁宾（Vera Rubin，右）到莫斯科为他颁奖。中间是天文学家Alla Genrikhovna Masevich（当时苏联科学院天文部门的副主席）。图片来源：AIP Emilio Segrè Visual Archives, Physics Today Collection
泽尔多维奇之所以涉猎广泛，部分原因源自他的科研哲学和风格。在他看来，对一个新领域能做到学习了10%就可以开展研究工作了，通过努力可以对该领域达到90%的理解，这个时候就该换一个新领域了，因为要把剩下的10%真正攻克需要消耗大量时间和精力。所以泽尔多维奇从一个领域做了开创性和奠基性的工作后就会转换课题，后辈依然能够在他工作的基础上继续挖矿拓展。SAIXIANSHENG
爱打赌，赢多输少

泽尔多维奇和莫斯科国立大学的斯腾伯格天文研究所定期举办联合天体物理研讨会，介绍天文领域进展和他们的工作，这个研讨会吸引了众多学者和学生，不少人从外地赶来参加。在这个研讨会上，泽尔多维奇的讲座座无虚席，影响了众多学生走上天文研究的道路。

泽尔多维奇对学生因材施教，没有什么架子，和学生平等讨论，也勇于承认自己的错误。有学生从别处来访，他也事必躬亲安排好住宿。他习惯早起，经常早上6点就开始和学生打电话讨论问题。泽尔多维奇无时无刻不在工作，即便是会议间隙，他也会把一些想法和推导随手写在纸上，传给学生整理。在天文领域，大家熟知的他的学生包括研究高能天体物理和宇宙学的拉希德∙苏尼亚耶夫（Rashid Sunyaev），研究吸积盘的尼古拉∙沙库拉（Nikolai Shakura），以及暴胀宇宙学开创者之一去年刚刚去世的亚历克西∙斯塔罗宾斯基（Alexei Starobinsky）。
泽尔多维奇要求学生对最基本的知识了然于胸。比斯诺瓦蒂-科根（G.S. Bisnovatyi-Kogan）在研究生入学考试口试时，被问及非相对论和相对论电子气体的绝热指数，他推导了半天，分别得到5/3和4/3的正确结果。泽尔多维奇却不甚满意，说这还需要推导，考试不能给你5分。结果被其他几个教授劝止了，免得给学生入学找麻烦。泽尔多维奇自己则确实是博闻强记，除了学术上，他的学生注意到他打电话从不看电话簿。泽尔多维奇喜欢和他的学生以及其他学者就学术问题打赌。如果他自己输了，就会拿出一瓶白兰地酒，而对方（尤其是学生）输了就要拿一瓶矿泉水，在上面贴上纸条写明前因后果。绝大多数情况，泽尔多维奇是赢家。在研究所一个柜橱里，摆满了他赢得的矿泉水。比斯诺瓦蒂-科根对一个恒星外流的问题固执己见，泽尔多维奇自信地和他打赌，并让他研究一下自己以前的手稿。比斯诺瓦蒂-科根读完后还是觉得自己的计算没问题。泽尔多维奇劝他不要自甘堕落，比斯诺瓦蒂-科根说我都堕落到底了，还能怎样。泽尔多维奇说你落向的是无底的深渊，所以及时停止总还是有希望的。比斯诺瓦蒂-科根继续研究泽尔多维奇的手稿，终于发现自己确实错了，老老实实奉上一瓶矿泉水。


图3：泽尔多维奇的学生Bisnovatyi-Kogan
图源：http://www.pereplet.ru/avtori/bisnovatiy_kogan.html在屈指可数的几次泽尔多维奇打赌输掉的情况里，一次是关于中子星的磁场，主角还是前面的比斯诺瓦蒂-科根，1967年他在泽尔多维奇和沙库拉中子星吸积辐射的基础上，考虑了中子星有磁场的情形，泽尔多维奇和他打赌说中子星不可能有磁场。不久后，《自然》杂志上发表了脉冲星发现的论文，泽尔多维奇意识到自己错了，提醒比斯诺瓦蒂-科根赶紧发表论文。这次打赌的结果成了比斯诺瓦蒂-科根引以为豪的一张王牌，有两三次和泽尔多维奇意见不一致，争论不相上下的时候，他就会祭出杀手锏：“提醒一下，你当年不相信中子星有磁场。”泽尔多维奇往往在讨论中就会退让一步。泽尔多维奇物理直觉非常强，而且讲解的时候往往风趣幽默。1971年在波兰的一次流体力学国际会议上，有位报告人声称高电导率的流体中磁场不可能增强，因为磁通量守恒。泽尔多维奇站起来，让报告人解下了腰带。众目睽睽之下，报告人提着裤子，看着泽尔多维奇把腰带先合成一个圈，然后扭成8字形，最后把8字形上下对叠在一起，形象地说明了磁场如何被增强。这个拉伸-扭曲-折叠（stretch-twist-fold）的图像后来经常被用于直观解释快速发电机机制。SAIXIANSHENG
英雄与英雄

因为曾参与苏联核武器的研制，泽尔多维奇被苏联方面限制出境，无法到西方国家访问和参加学术会议，出国仅限于东欧。他通过文献期刊了解各领域进展，在他的带领下，他和学生们的科研从未滞后，甚至还常常超前于西方学者。

在微波背景辐射（苏联科学家称为遗迹辐射）发现之前，1960年代初，泽尔多维奇发表了关于遗迹辐射和正确计算大爆炸氦合成的论文，一些苏联科学家也通过观测限制了遗迹辐射的强度。因为对贝尔实验室一篇论文用词的理解不准确，泽尔多维奇甚至以为贝尔实验室已经测量到遗迹辐射，温度低于1开尔文。1965年微波背景辐射被彭齐亚斯和威尔逊正式发现之后，泽尔多维奇给被抢了先的普林斯顿大学的迪克（Robert Henry Dicke）发信祝贺他在这个发现中所起到的重要作用，可谓英雄惜英雄。1970年4月，苏尼亚耶夫和泽尔多维奇发表论文预言了重子声波振荡的现象，早于皮布尔斯（P.J.E. Peebles，2019年诺贝尔物理学奖获得者）和虞哲奘的论文（1970年12月）。


图4：泽尔多维奇（左）和普林斯顿大学天文学教授奥斯特里克（Jeremiah P. Ostriker ）1979年在莫斯科。图片来源: AIP Emilio Segrè Visual Archives, gift of Jeremiah P. Ostriker
虽然无法出国访问，泽尔多维奇利用各种机会邀请西方学者进行交流。基普·索恩（Kip Thorne，2017年诺贝尔物理学奖获得者）曾多次到访。1971年访问期间的一天早上7点，泽尔多维奇打电话把索恩叫到他的公寓，兴奋地谈论起他的一个想法，类比旋转金属圆柱，物理直觉让泽尔多维奇认为旋转黑洞能够发出辐射。索恩觉得这想法太疯狂，泽尔多维奇无法说服索恩，就和他赌了一瓶上好的格鲁吉亚白兰地。泽尔多维奇和斯塔罗宾斯基开始着手进行计算。1973年，索恩第四次访问莫斯科，主要是应泽尔多维奇邀请陪同霍金访问。据索恩回忆，泽尔多维奇和斯塔罗宾斯基多次和霍金讨论他们旋转黑洞辐射的想法，霍金虽然感到非常有意思，却对他们的弯曲时空中量子场论的形式持怀疑态度。回到剑桥大学后，霍金自起炉灶，重新发展出一套弯曲时空的量子场论，计算表明黑洞即使不自转也会自发辐射，这一理论很快被西方学者接受。1975年，索恩第五次访问莫斯科，因为自己赌输了，特地给泽尔多维奇带了一瓶苏格兰威士忌。不料，他却惊讶地发现泽尔多维奇和斯塔罗宾斯基不相信霍金的结果，因为与他们自己的计算不符。就在索恩返美前一天晚上，泽尔多维奇打电话要他到其公寓讨论黑洞蒸发。因为时间紧急，打不到出租车，索恩就在路上截了一辆摩托车，给了车手五卢布，抄小路到了泽尔多维奇的住所。泽尔多维奇当面告诉索恩，他现在承认霍金是对的，而他们自己的弯曲时空量子场论和霍金的是完全等价的，只是他们在计算中犯了一个错误！（关于最早认识到黑洞会产生辐射的故事，参见科普作家张天蓉的文章：去神化的霍金 | 量子群英传）SAIXIANSHENG
勋章护身

因为对苏联核武器发展的贡献，泽尔多维奇拥有极高的声望和地位，曾荣获包括列宁勋章在内的十几项荣誉。其中有三枚社会主义劳动英雄勋章 ，这可不是一般的牛气，是苏联授予的最高国家荣誉，不仅常人难以企及，就连嗜好集章的苏联前最高领导人勃列日涅夫也只获得过两枚。这些荣誉成为了泽尔多维奇的护身符，让他能够采取一套行之有效的方法解决不少日常问题。


图5：2014年俄罗斯邮票上的泽尔多维奇，胸前是三枚苏联社会主义劳动英雄勋章。图片来源：https://en.wikipedia.org/wiki/Yakov_Zeldovich

比如，他喜欢开车，不过车技不敢恭维，经常被警察拦下。每当这个时候，泽尔多维奇就老老实实把驾照掏出来，同时附上社会主义劳动英雄证书，警察往往立马放行。有一次，大家好奇地发现泽尔多维奇穿着挂满勋章的外衣到所里工作，原来他的驾照前一天被警察没收了（可能忘记携带英雄证书了），穿这身能把人眼晃瞎的衣服去讨要驾照保证十拿九稳。泽尔多维奇把衣服放在一边，有淘气的学生趁其不在的时候还大胆地穿了一下。在一些敏感棘手的问题上，他也能够游刃有余，比如涉及到他曾经的同事异见人士萨哈罗夫（Andrei Dmitrievich Sakharov；他们两人可谓是苏联核武器项目中的双雄）。当年在谴责萨哈罗夫的公开信上，泽尔多维奇是为数不多的未签名的几名院士之一，也没人找他的麻烦。泽尔多维奇曾给温伯格的《最初三分钟》俄文版作序，其中提及了萨哈罗夫在宇宙学上相关的科学成就，结果没能通过审查。泽尔多维奇于是就穿上那件挂着众多勋章的衣服，去找审查部门进行了严肃的讨论，直到他们同意保留其写的序言原文。泽尔多维奇有四女两子，其中两个女儿和一个儿子也成为了物理学家。泽尔多维奇身后为我们留下了丰厚而宝贵的科学遗产，因篇幅所限，此处无法展开讨论。他的许多工作依然引领我们在探索宇宙的道路上前进，他的科研历程和思路仍旧能够不断给予我们启发。值此泽尔多维奇诞辰110周年之际，谨以此文致敬传奇。

参考文献：[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Yakov_Zeldovich[2] Zeldovich reminiscences, by Rashid A. Sunyaev. Boca Raton, FL: Chapman & Hall, 2004
作者简介：郑政，1996年本科毕业于北京大学地球物理系天体物理专业，1999年获得中国科学院北京天文台硕士，2004年获得美国俄亥俄州立大学博士学位。曾在普林斯顿高等研究院和耶鲁大学进行博士后研究工作，现为犹他大学物理和天文系教授和副系主任。研究兴趣广泛，主要方向为宇宙学，宇宙大尺度结构，以及星系形成和演化。本文于2024年1月24日首发于微信公众号”中国科学院国家天文台”，原标题“泽尔多维奇之奇”，主编：陈学雷；审查：何嘉；审核：田斌；审批：陆烨，《赛先生》获授权转载，转载时小标题为编者所加。

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