Stephen Hawking: chi era?
Stephen Hawking è stato un cosmologo, fisico, matematico e astrofisico britannico fra i più autorevoli e conosciuti fisici teorici al mondo. È noto soprattutto per i suoi studi sui buchi neri, sulla cosmologia quantistica e sull’origine dell’universo.
Tra i suoi contributi più rilevanti figurano la radiazione di Hawking, la teoria cosmologica sull’inizio senza confini dell’universo (denominata stato di Hartle-Hawking) e la termodinamica dei buchi neri.
La fruttuosa collaborazione con altri scienziati ha contribuito all’elaborazione di numerose teorie fisiche e astronomiche. Tra queste teorie compaiono il multiverso, la formazione ed evoluzione galattica e l’inflazione cosmica. Sempre spiegate con chiarezza e semplicità, hanno raggiunto il grande pubblico attraverso numerosi testi di divulgazione scientifica.
Ma andiamo con ordine per scoprire meglio chi era davvero Stephen Hawking.
Sommario
L’inizio di un genio
Nato in Inghilterra, a Oxford, prima della fine della Seconda Guerra Mondiale, l’infanzia di Hawking non fu facile. Infatti cambiò molte scuole, anche in seguito a motivi di salute, ma approdò all’università in età precoce: a poco più di 17 anni.
Il quoziente d’intelligenza di Stephen Hawking, secondo i test standard, era 160 o 165, e questa cosa fu palese fin da subito.
Sviluppò una genuina passione per la matematica. Ma, all’epoca, l’Università di Oxford non aveva tra le sue offerte formative la facoltà di matematica, e Stephen si vide costretto a ripiegare sulla fisica, laureandosi poi alla facoltà di Scienze naturali.
Hawking cominciò la sua formazione universitaria nell’ottobre del 1959 presso la University College. Fu il più giovane tra i suoi coetanei e trovava il lavoro accademico “ridicolmente facile“. Tra il secondo e il terzo anno di studio, Hawking si sforzò “per essere solo uno dei ragazzi“. Sviluppò un grande interesse per la musica, la scienza e la fantascienza.
Hawking stimò di aver studiato circa mille ore durante i suoi tre anni a Oxford. Dopo aver conseguito la laurea con lode in scienze naturali, cominciò il suo lavoro di laurea al Trinity Hall di Cambridge, nell’ottobre del 1962.
All’epoca, l’argomento accademico di maggiore dibattito verteva sull’origine dell’universo e sul Big Bang. Durante il 1965, fece sua questa problematica, analizzandola nella propria tesi di laurea.
Nel marzo 1966, Hawking ottenne una borsa di ricerca presso la Gonville and Caius College, e di lì a breve conseguì il dottorato in matematica applicata e in fisica teorica. Il suo saggio dal titolo Singularities and the Geometry of Space-Time, vinse il Premio Adams.
Dopo questo excursus sulla sua straordinaria vita accademica, ora concentriamoci sul suo lato da ricercatore, per indagare meglio su chi fosse questo brillante fisico.
Le sue ricerche
I principali campi di ricerca di Hawking furono la teoria cosmologica e la gravità quantistica.
Il suo lavoro sulla cosmologia quantistica e sulla funzione d’onda dell’universo, secondo alcuni, è la ragione del ritrovato interesse per questa teoria.
I buchi neri secondo Stephen Hawking
Insieme con Brandon Carter, W. Israel e D. Robinson, ha fornito la prova matematica del teorema dell’essenzialità (No-Hair Theorem) di John Archibald Wheeler. Ovvero il teorema che dice che i buchi neri sono caratterizzati solamente da tre proprietà: la massa, il momento angolare e la carica elettrica.
Con Bardeen e Carter, ha inoltre proposto le quattro leggi della termodinamica dei buchi neri. Le leggi furono proposte in analogia con la termodinamica classica, in modo da non violare specialmente il secondo principio della termodinamica.
Nell’ambito dei teoremi sulla singolarità, Penrose e Hawking hanno proposto che non esiste una singolarità nuda, cioè una singolarità isolata non circondata dall’orizzonte degli eventi. Secondo loro, infatti, una singolarità non dovrebbe essere visibile dall’esterno a causa di un principio che hanno definito “censura cosmica”.
La questione sull’esistenza di singolarità nude rimane tuttora aperta. Nel 1972 Hawking ha enunciato il teorema dell’area di Hawking, secondo la quale la superficie totale di un buco nero non diminuisce mai.
La Radiazione di Hawking
Nel 1974 dimostrò che, dal punto di vista termodinamico, i buchi neri sono corpi neri e sono descritti dalle leggi della termodinamica: posseggono cioè una temperatura e un’entropia definite dal loro campo gravitazionale e dalla loro superficie.
Di conseguenza, nonostante il teorema dell’area, dovrebbero irradiare, grazie a un fenomeno quantistico, particelle subatomiche (oltre che produrre lampi di raggi gamma, raggi x e dando origine alla luminosità dei quasar).
Questa radiazione, nota come radiazione di Hawking, ha caratteristiche termiche e dovrebbe portare alla progressiva diminuzione di massa del buco nero.
Il meccanismo quantistico che produce questa radiazione occorre in quanto, sull’orizzonte degli eventi, coppie di particelle e antiparticelle virtuali che sono emesse normalmente nel vuoto dalle fluttuazioni quantistiche potrebbero separarsi.
E una delle due potrebbe cadere nel buco nero e l’altra potrebbe sfuggirgli, invece che annichilirsi entrambe subito dopo la lo prima che questa si annichilisca con la relativa particella esterna al buco nero. La particella viene invece lasciata sfuggire, ed è rilevabile sotto forma di radiazione.
L’antiparticella corrispondente invece si annichilirà con una particella della materia all’interno del buco nero, diminuendone quindi la massa fino alla cosiddetta “evaporazione” completa dopo circa 1066 anni.
Non è ancora chiaro, tuttavia, il possibile risultato finale dell’evaporazione di un buco nero, anche se Hawking ha ipotizzato che i buchi neri possano divenire molto piccoli e poi esplodere con estrema forza.
Hawking scommise nel 1975 col collega Kip Thorne che Cygnus X-1 (un probabile buco nero stellare) non fosse un buco nero, con la motivazione che aveva dedicato la vita agli studi sui buchi neri e, se non esistessero, almeno si sarebbe consolato vincendo una scommessa.
Il fisico britannico decise però di arrendersi quando, a partire dal 1990, i dati osservativi rinforzarono l’ipotesi dell’esistenza del buco nero, oggi in larga parte confermata.
Il paradosso dell’informazione dei buchi neri
Il paradosso dell’informazione del buco nero implica che l’informazione potrebbe “sparire” una volta finita in un buco nero, permettendo a molti stati fisici iniziali di evolvere nello stesso identico stato.
Le particelle e i corpi che finiscono in un buco nero contengono molte informazioni relative al loro stato e alla loro forma, ma il buco nero può essere descritto solamente con poche variabili (massa, momento angolare e carica elettrica), sicché non è chiaro se tutta l’informazione delle particelle che sono finite nel buco nero venga conservata al suo interno.
In particolare, la domanda cruciale è se l’informazione possa uscire, o al contrario venga distrutta, mentre il buco nero lentamente evapora. La violazione della conservazione dell’informazione comporterebbe la violazione dell’unitarietà della teoria che dovrebbe descrivere la gravità quantistica, fatto considerato innaturale.
Questa era giusto una breve introduzione alla figura e alle ricerche svolte da questo grandissimo fisico.
Voglio lasciarvi con una sua dichiarazione molto emblematica:
« Einstein sbagliò quando disse: “Dio non gioca a dadi”. La considerazione dei buchi neri suggerisce infatti non solo che Dio gioca a dadi, ma che a volte ci confonde gettandoli dove non li si può vedere. »
