Raramente ci è dato contemplare l’opera di individui dotati di un particolare talento e instancabilmente impegnati nella ricerca di quelle risposte che ci consentano di comprendere il mondo intorno a noi. Uomini con un intelletto molto al di sopra della media e animati da uno speciale coraggio, perché sfidare l’ignoto non ammette paura. Persone rare, che mettono se stesse al servizio dell’umanità semplicemente perché la pulsione verso il sapere è in loro troppo forte per essere soffocata, ed essi non possono far altro che seguirla.
In questo articolo ricordiamo in particolare il genio di Stephen Hawking, fisico teorico, matematico, cosmologo, astrofisico britannico e…che altro? Probabilmente molto altro ancora. Di certo una delle più belle menti che la storia ci abbia regalato. Recentemente scomparso, Hawking è noto soprattutto per la teoria dei buchi neri sulla quale qui ci concentreremo, ma anche per gli studi sulla cosmologia quantistica e sull’origine dell’universo.
Alcuni prodromici chiarimenti. Cos’è in realtà un “buco nero” e perché è ritenuto uno degli oggetti più distruttivi presenti nell’universo? Perché, per dirla con Dante, “Lasciate ogne speranza, voi ch’intrate”.
Già, perché un buco nero èun corpo celeste dotato di un campo gravitazionale straordinariamente intenso. Più propriamente, secondo i principi della fisica teorica, mi piace descrivere un buco nero come una regione dello spaziotempo con una curvatura talmente grande da non consentire a nulla di uscire dal suo interno, nemmeno alla luce, dal momento che la velocità di fuga dovrebbe essere superiore a quella della luce stessa. Analogamente, in questa porzione di spazio la forza del campo gravitazionale è tale che qualsiasi cosa giunga nelle sue vicinanze viene attratta e catturata per scomparire definitivamente.
Il corpo celeste in questione si definisce dunque “nero” perché non osservabile in maniera diretta. Come recentemente dimostrato tuttavia, la presenza di questi oggetti si rivela indirettamente mediante gli effetti ingenerati nello spazio circostante, aloni luminosi che rappresentano le interazioni gravitazionali con altri corpi celesti e le loro emissioni, le irradiazioni principalmente elettromagnetiche della materia catturata dal suo campo di forza.
Lungi dal voler essere esaustivi su argomenti di una tale complessità, si enunceranno di seguito alcune delle principali teorie sui buchi neri formulate da Stephen Hawking, che personalmente amo annoverare tra le più affascinanti enunciazioni della fisica teorica moderna alle quali io abbia avuto la fortuna di accostarmi.
Hawking, nato a Oxford nel 1942, fu incuriosito sin da giovane dai buchi neri tanto che nella sua tesi di Dottorato, postulò che l’Universo come lo conosciamo oggi ebbe origine in un punto infinitamente piccolo e denso, una cosiddetta singolarità, validando la famosa teoria del Big Bang oggi quasi unanimemente accettata dal resto della comunità scientifica, ed escludendo la coerenza matematica dell’alternativa teoria dello stato stazionario, ai tempi molto dibattuta. Partendo dalle ipotesi di Einstein, secondo cui qualunque corpo, enorme come il sole o piccolo come uno spillo, curva lo spazio intorno a sé, esercitando una forma di gravità, Hawking arrivò a paragonare il Big Bang “a un buco nero al contrario”. La Relatività generale ipotizza infatti che un oggetto sufficientemente grande, come può essere una stella massiccia, possa collassare su se stesso per poi concentrarsi in un punto a densità infinita, ovvero la singolarità. Ebbene, secondo Hawking, anziché finire tutto in una singolarità, tutto ha inizio da una singolarità e i buchi neri possono essere considerati un ulteriore tipo di singolarità, quella che si ingenera quando una stella, esaurite le reazioni di fusione nucleare, collassa sotto l’azione della sua stessa gravità.
Stephen Hawking intuì inoltre che la massa di un buco nero determina le dimensioni dello spazio che circonda la singolarità, quel confine noto come ‘orizzonte degli eventi’. Di qui nasce uno dei contributi fondamentali allo studio dei buchi neri, ossia la scoperta a dir poco rivoluzionaria e dimostrata da alcuni scienziati nel 2022, dell’esistenza della cosiddetta radiazione di Hawking, ovvero del modo in cui gli effetti quantistici consentono ai buchi neri di emettere una radiazione la cui temperatura è inversamente proporzionale alla massa del buco nero stesso. L’emissione di una radiazione implica che ciascun buco nero stia evaporando, anche se molto lentamente.
E nonostante questi corpi celesti siano implicitamente ammessi dalla teoria della Relatività, ancora all’inizio degli anni ’70 i buchi neri venivano ritenuti una pura “astrazione matematica”, finché Hawking utilizzò le equazioni di Einstein insieme a quelle della meccanica quantistica, mostrando che effettivamente i buchi neri “potevano esistere” nell’Universo. Sviluppando la teoria quantistica – quella che descrive lo spazio vuoto composto in realtà da particelle opposte di materia e antimateria – Hawking arrivò anche a teorizzare che essi assorbano solo le particelle negative, l’antimateria, e così facendo possano diminuire la propria massa fino a sparire. La prova finale della correttezza di tale teoria è soltanto del 2019, quando lo Event Horizon Telescope è riuscito a fotografare l’ombra di un buco nero supermassiccio (ovvero il più grande tipo di buco nero, con una massa milioni o miliardi di volte superiore a quella del Sole) al centro della galassia gigante Messier 87. Nell’immagine si può osservare l’«ombra» del buco nero: la materia attratta al suo interno, riscaldandosi, emette luce osservabile parzialmente grazie ai radiotelescopi, rendendo visibile la zona “in ombra” all’interno del buco nero. La prima prova visiva diretta della presenza di un buco nero al centro della nostra Galassia, la Via Lattea, è invece l’immagine associata a questo articolo ed è stata catturata dall’Event Horizon Telescope e pubblicata il 12 maggio 2022.
Ma c’è di più. Hawking accostò l’espansione continua dell’orizzonte degli eventi al concetto di entropia, ovvero al grado di disordine di un sistema, concetto derivato dalla termodinamica classica. E siccome l’entropia, come noto, può solo aumentare, l’Universo invecchiando può solo diventare sempre più disordinato. Il fisico britannico propose addirittura un metodo per calcolare l’entropia di un buco nero a partire da una misura della sua area, e nel 2016, l’osservazione delle onde gravitazionali emesse da due buchi neri in coalescenza, consentì anche in questo caso di provare che l’intuizione di Hawking era corretta, in quanto l’area del buco nero finale risultò maggiore dell’area dei due buchi neri iniziali.
Vale la pena infine ricordare che la dimostrazione della convergenza tra fisica quantistica e Relatività generale non è ancora realtà, ma se mai lo sarà si confermerà anche quella Teoria del Tutto che costituisce il fine ultimo degli studi di Hawking, una teoria in grado di spiegare e di riunire in un’unica visione tutti i fenomeni fisici conosciuti, il che presuppone l’unificazione di tutte le interazioni fondamentali.
Concludo. Come già accaduto con Albert Einstein (e con diversi altri scienziati), molte delle teorie di Stephen Hawking sono state confermate sperimentalmente soltanto post mortem, molte altre ancora non lo sono. Dunque questo scritto, che riassume a livello divulgativo le scoperte dell’uomo con 160 di QI, mancato alla vita il 14 marzo 2018, intende essere solamente un compendio dei confini della fisica teorica ove egli ci ha condotto, con la doverosa precisazione che quanto enunciato va ancora del tutto empiricamente provato nella sua interezza e infinita complessità.
Fonti: vari articoli AGI, pubblicazioni di Sandro Iannacone.
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