Stephen Hawking: cos’ha scoperto?
Stephen Hawking è stato un cosmologo, fisico, matematico e astrofisico britannico fra i più autorevoli e conosciuti al mondo.
E’ stato uno dei pochi uomini di scienza ad aver raggiunto un successo internazionale tra il grande pubblico. Egli ha attribuito la sua notorietà nell’immaginario popolare soprattutto alla sua immagine di “genio disabile“, più che alle sue ricerche, che sono molto tecniche e spesso conosciute a fondo solo dagli esperti.
Di questo personaggio di scienza così noto ai più viene troppo ignorato il suo impareggiabile contributo alla nostra visione attuale dell’universo. Noi di Skuola.net abbiamo deciso di dedicare a Hawking un articolo in cui proviamo a spiegare alcune delle sue più brillanti intuizioni.
Sommario
Le scoperte di Stephen Hawking
I principali campi di ricerca di Hawking furono la teoria cosmologica e la gravità quantistica. Per quanto concerne la meccanica quantistica ha sostenuto l’interpretazione a molti mondi.
Il suo lavoro sulla cosmologia quantistica e sulla funzione d’onda dell’universo, secondo alcuni, è la ragione del ritrovato interesse per questa teoria.
Modelli matematici e singolarità gravitazionali
Ha lavorato sulle singolarità nelle soluzioni delle equazioni di campo dalla teoria della relatività generale, concentrandosi in particolare sui buchi neri. Singolarità come i buchi neri erano state scoperte, ma erano limitate a particolari condizioni simmetriche di distribuzione della massa-energia.
Per cui restava aperta la domanda se le singolarità restassero presenti anche in condizioni meno simmetriche e più realistiche. A questo proposito, Hawking dimostrò nel 1971 il primo di molti teoremi che forniscono un insieme di circostanze sufficienti per l’esistenza delle singolarità gravitazionali nello spaziotempo.
Questo lavoro ha indicato che le singolarità sono una caratteristica generale e non occasionale della relatività generale. Ha provato quindi che l’universo deve aver avuto origine nel Big Bang. Una singolarità in cui le leggi stesse della relatività generale cessano di essere valide per via degli effetti quantistici.
Studi sui buchi neri
Ha fornito la prova matematica del teorema dell’essenzialità di John Archibald Wheeler, cioè che i buchi neri sono caratterizzati solamente da tre proprietà: la massa, il momento angolare e la carica elettrica.
Ha inoltre proposto le quattro leggi della termodinamica dei buchi neri, 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 esista una singolarità nuda. Ovvero una singolarità isolata non circondata dall’orizzonte degli eventi.
In quanto secondo loro 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. Mentre l’altra potrebbe sfuggirgli, invece che annichilirsi entrambe subito dopo o 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 lasciar perdere. Si arrese 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 così 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.
I buchi neri primordiali
Un’altra teoria sostenuta da Hawking ipotizza la presenza dei buchi neri primordiali. Questi sarebbero generati dalle fluttuazioni nella densità della massa-energia nei primissimi istanti di vita dell’universo anziché dal collasso di una stella massiccia.
Questi micro buchi neri, potendo avere una massa minore rispetto a quelli generati dai collassi stellari, emetterebbero una radiazione più intensa e sarebbero quindi individuabili dalle sonde e dagli osservatori astronomici. Se queste radiazioni fossero effettivamente rilevate, permetterebbero una verifica sperimentale dell’esistenza della radiazione di Hawking.
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. »
