Stephen Hawking, il fisico che ha riavvolto l'universo e ha scremato le particelle potenziate dalle calde regioni di confine dei buchi neri, compie oggi 76 anni (8 gennaio).
Oltre ad essere un cosmologo di fama mondiale, Hawking è diventato una sorta di icona della cultura pop. È una figura sorprendente: un genio rannicchiato in un corpo in gran parte immobilizzato dalla sclerosi laterale amiotrofica, o SLA. È supportato da una sedia a rotelle avanzata e comunica al mondo attraverso un sistema raro e specializzato che converte in linguaggio i movimenti di un singolo muscolo della sua guancia. In quella modalità, è apparso in "Star Trek: The Next Generation", "The Simpsons" e "The Big Bang Theory".
Ma l'eredità più duratura di Hawking sarà il fisico più importante della seconda metà del 20 ° secolo - un ricercatore che ha preso le opere precedenti di figure come Albert Einstein e Werner Heisenberg e le ha trasformate insieme in qualcosa che si avvicina a una spiegazione coerente del comportamento di il cosmo.
"C'è una singolarità nel nostro passato"
Nessuna buona storia geniale inizia con qualcosa di meno di un botto, quindi è appropriato che il primo grande successo di Hawking sia stato anche la sua tesi di dottorato all'Università di Cambridge.
La tesi di Hawking, approvata nel 1966, fece una discussione drammatica: che l'intero universo iniziò come un singolo punto, infinitamente piccolo, denso e rannicchiato su se stesso - un punto all'inizio di tutto. O, come avrebbe scritto più tardi, in modo succinto: "C'è una singolarità nel nostro passato".
Fu la prima descrizione del Big Bang come viene comunemente intesa oggi: un punto infinitamente piccolo ai più lontani periodi del tempo che irruppe nel nostro cosmo moderno, in continua espansione.
Come Hawking descrisse nella sua conferenza del 2005 "L'origine dell'universo", la sua tesi arrivò in un momento in cui gli scienziati avevano visto che le vaste distese di spazio vuote, gli abissi tra le galassie, si stavano espandendo. Ma non erano sicuri del perché. Alcuni fisici hanno proposto versioni più deboli del concetto di Big Bang, meno la singolarità. Ma un'altra teoria, chiamata Steady State Universe, era dominante.
"Mentre le galassie si separavano", ha detto Hawking dello Steady State Universe, "l'idea era che nuove galassie si sarebbero formate dalla materia che avrebbe dovuto essere continuamente creata nello spazio. L'universo sarebbe esistito per sempre e avrebbe guardato lo stesso sempre."
In altre parole, molti scienziati hanno pensato che l'universo si stesse espandendo, ma in un modo che non gli ha dato né inizio né fine.
Mentre il biografo Kitty Ferguson ha scritto nel suo libro "Stephen Hawking: An Unfettered Mind" (St. Martin's Griffin, 2012), Hawking ha lottato con la depressione nei mesi successivi alla sua diagnosi di SLA del 1963 all'età di 21 anni, e ha avuto la persistente malattia mentale, potrebbe non sono mai arrivato alla sua tesi. Ma la sua depressione si attenuò quando divenne chiaro che stava sopravvivendo alle aspettative e quando gli fu concessa un'eccezione alle regole di Cambridge che disciplinano gli studenti laureati, permettendogli di sposare la sua prima moglie, Jane Wilde, secondo Ferguson.
Durante quel periodo prima di arrivare all'argomento della sua tesi di dottorato, Hawking riferì di sentirsi frustrato dal modo in cui i ricercatori si occupavano del lavoro che alla fine considerava banale.
"Le persone erano così contente di trovare una soluzione alle equazioni sul campo; non si chiedevano quale significato fisico, se del caso, avesse", ha detto in seguito nella sua conferenza del 2002.
Quella frustrazione lo ha portato al suo primo pennello con notorietà. Come raccontò Ferguson, Hawking viaggiò nel giugno del 1964 per ascoltare una conferenza di Fred Hoyle, un famoso astronomo e sostenitore della teoria dell'Universo statale statico. Durante la lezione, Hawking divenne così frustrato che si tirò in piedi, appoggiandosi al bastone, per sfidare uno dei risultati di Hoyle.
"Uno stupito Hoyle ha chiesto a Hawking come avrebbe potuto giudicare se il risultato fosse giusto o sbagliato", ha scritto Ferguson. "Hawking rispose che aveva" risolto "."
Il pubblico è stato colpito e Hoyle è stato "infuriato" da questo sconosciuto studente laureato che sembrava aver distrutto la ricerca del professore nella sua testa durante la lezione, ha scritto Ferguson. (In effetti, Hawking aveva stretto amicizia con uno degli studenti di Hoyle e aveva iniziato ad attaccare l'idea molto prima della lezione.)
Poco dopo, scrisse Ferguson, Hawking venne a conoscenza di una teoria cosmologica sviluppata dal matematico Roger Penrose: che le singolarità, i punti di densità infinita e la curvatura spazio-temporale teorizzati nella relatività generale, potrebbero effettivamente apparire quando stelle sufficientemente grandi crollano su se stesse.
"Hawking è decollato da lì", scrisse Ferguson, "invertì la direzione del tempo e considerò cosa sarebbe successo se un punto di densità inifinita e una curvatura infinita dello spazio-tempo - una singolarità - esplose verso l'esterno e si espandessero. Supponiamo che l'universo abbia iniziato come supponiamo che lo spazio-tempo, rannicchiato in un piccolo punto privo di dimensioni, sia esploso in quello che chiamiamo il Big Bang e si sia espanso fino ad apparire come oggi. Potrebbe essere successo in quel modo? dovere è successo così? "
Hawking si mise al lavoro, sostenendo il suo treno di speculazioni con solidi calcoli di supporto. La sua tesi di dottorato, basata su questi calcoli, fu approvata nel 1966. Tali calcoli, insieme alla ricerca di follow-up condotta in collaborazione con Penrose nel decennio successivo, costituirono la base per la moderna comprensione del Big Bang da parte degli scienziati.
Più o meno nello stesso periodo, alcune previsioni chiave della teoria dell'Universo statale stazionario iniziarono a fallire i test sperimentali, cementando lo status di Hawking come scopritore della vera storia dell'universo primordiale.
Esplosioni del buco nero?
Se l'unico successo di Hawking nella sua carriera fosse scoprire la forma storica dell'universo, sarebbe comunque un gigante - il tipo di persona menzionata accanto a Rosalind Franklin, che ha scoperto la forma a doppia elica del DNA, o Nicolaus Copernicus, che per primo ha proposto il modello eliocentrico del sistema solare. Ma quello era solo il primo dei due successi di Hawking.
La seconda, la radiazione di Hawking, richiede un po 'di comprensione di due cose: i buchi neri e la meccanica quantistica dello spazio vuoto.
Innanzitutto, riguardo ai buchi neri: un buco nero è una stella che è crollata su se stessa e diventa così intensamente gravitazionalmente che nemmeno la luce può sfuggire a una regione attorno al suo centro. Oltre quel punto, chiamato orizzonte degli eventi, lo spazio-tempo è così curvo che tutto ciò che cade dietro il sudario è perso per sempre. Un buco nero, secondo questa comprensione nei primi anni '70, non emette mai luce, non si restringe mai, non perde mai massa; guadagna solo massa e attira più spazio nel suo territorio protetto.
In secondo luogo, sulla meccanica quantistica: al tempo della carriera di Hawking, gli scienziati sapevano da tempo che il principio di incertezza di Heisenberg implicava che lo spazio vuoto non fosse realmente vuoto. Al contrario, brilla con particelle "virtuali" - coppie materia-antimateria che appaiono insieme, si separano e poi si schiantano l'una contro l'altra e si annichilano in un arco di tempo troppo breve per essere misurate. (Gli scienziati sostengono fino ad oggi se quelle particelle virtuali esistono davvero o emergono solo in equazioni quantistiche a causa della loro strana natura probabilistica.)
Alla fine dell'estate del 1973, Stephen e Jane Hawking parteciparono a una serie di conferenze a Varsavia, in Polonia, per celebrare il 500 ° compleanno di Copernico, scrisse Ferguson. Lì, Hawking incontrò due fisici sovietici, Yakov Borisovich Zel'dovich e il suo studente Alexei Alexandrovich Starobinsky, che avevano dimostrato che l'energia della rotazione dei buchi neri avrebbe creato particelle appena al di fuori dei loro orizzonti degli eventi. Quelle particelle si allontanerebbero nello spazio, dissero Zel'dovich e Starobinsky nella loro lezione, facendo sobbalzare un po 'della rotazione del buco nero mentre procedevano. Alla fine, Zel'dovich e Starobinsky dissero che i buchi neri avrebbero smesso di girare.
L'idea è rimasta impressa nella testa di Hawking, scrisse Ferguson e tornò a Cambridge per ripetere e perfezionare i calcoli di Zel'dovich e Starobinksy. Ma quando ha preso le sue prime pugnalate ai loro risultati, è successo qualcosa di nuovo.
"Ho scoperto, con mia sorpresa e fastidio, che persino i buchi neri non rotanti dovrebbero apparentemente creare ed emettere particelle a un ritmo costante", ha successivamente scritto nel suo libro del 1988 "Una breve storia del tempo".
Ecco perché, come ha spiegato in quel libro:
Se nello spazio esistono buchi neri e hanno orizzonti degli eventi definiti, e se lo spazio si muove costantemente con "coppie virtuali di particelle auto-annichilanti, a volte quelle particelle devono emergere proprio ai bordi degli orizzonti degli eventi dei buchi neri. In effetti, alcuni di queste coppie di particelle deve apparire perfettamente posizionata con una particella di antimateria a massa negativa separata su un lato dell'orizzonte degli eventi e l'altra particella di materia a massa positiva separata sull'altro lato.
Quella strana circostanza avrebbe effettivamente "potenziato" le particelle dalla loro semi-esistenza virtuale alla piena realtà, realizzò Hawking, poiché si sarebbero separati abbastanza da non annientarsi. Ciò significava che particelle di energia e massa sembrano fluire dalla superficie degli orizzonti degli eventi dei buchi neri. E quel flusso di energia, che si irradiava verso l'esterno da ciò che i fisici in precedenza avevano creduto fossero corpi eternamente oscuri, prese il nome di radiazione Hawking, dopo averlo descritto in un articolo del 1974 su Nature intitolato "Black Hole Explosions?"
Le radiazioni Hawking cambiarono profondamente il modo in cui i fisici comprendevano l'universo. Prima della realizzazione di Hawking, gli scienziati credevano che qualsiasi materia o energia persa in un buco nero fosse sparita per sempre dall'universo più ampio, in modo tale che gli orizzonti degli eventi dei buchi neri agissero come muri oltre i quali alcune cose dell'universo non sarebbero mai tornate.
Ma la scoperta di Hawking mostrò che i buchi neri sarebbero decaduti sempre più velocemente nel tempo. Per ogni particella positiva che fluiva dalla superficie di un orizzonte degli eventi verso l'esterno nell'universo più ampio, una particella negativa con energia e massa negative sarebbe ricaduta nello spazio oltre l'orizzonte degli eventi, riducendo la massa totale e l'energia rinchiuse lì. Nel corso del tempo, tale processo causerebbe la riduzione dei buchi neri. E man mano che si restringevano, sarebbero diventati più attivi con le radiazioni Hawking e si sarebbero ridotti più rapidamente.
Hawking ha predetto che l'universo deve contenere "buchi neri primordiali" che sono emersi non dalle stelle in collasso ma dalle pressioni estreme dell'universo primordiale. Questi buchi neri, pensò, si sarebbero ridotti considerevolmente negli ultimi miliardi di anni e i loro piccoli orizzonti di eventi avrebbero prodotto potenti raggi di radiazione Hawking.
"Tali buchi quasi non meritavano nero: lo sono davvero bianco caldo, "ha scritto in" Una breve storia del tempo ".
Alla fine, decise Hawking, sarebbero esplosi.
Quando Hawking iniziò a condividere questa idea, Ferguson scrisse in "An Unfettered Mind", i suoi colleghi l'hanno ricevuta come brillante o eretica. Quando Penrose lo sentì sussurrare, chiamò Hawking proprio mentre il fisico era seduto alla sua cena di compleanno del 1974 e si congratulò con lui per così tanto tempo che la sua cena divenne fredda. Ma mesi dopo, il moderatore al simposio in cui Hawking presentò la sua proposta si alzò per dichiararla "immondizia totale".
Oggi è considerato un fatto scientifico di base.
Oltre i buchi neri
Nei quattro decenni e mezzo da "Black Hole Explosions?" Hawking ha continuato a pubblicare ricerche che raccolgono le basi dell'universo, comprese le idee che attaccano i suoi precedenti contributi. (Vedi, ad esempio, il sorprendente titolo del 2014 in Nature, "Stephen Hawking: Non ci sono buchi neri").
Hawking è diventato famoso nella sua carriera successiva come comunicatore scientifico. Ha seguito il suo classico "A Brief History of Time" del 1988 con altre 10 opere di scienza popolare e un libro di memorie, intitolato "My Brief History" (Random House, 2013).
È impossibile parlare degli enormi contributi di Hawking alla comprensione umana dell'universo senza riconoscere il contesto della sua salute in declino. I due contributi fondamentali di Hawking alla fisica arrivarono durante lo stesso periodo in cui si trasformò da un giovane che era in grado di camminare da solo in un uomo che era confinato su una sedia a rotelle, confuse il suo discorso e si affidava alla moglie per trascrivere i suoi pensieri .
La SLA paralizza il corpo, ma - almeno nel caso di Hawking - non danneggia la mente. E per questo, scrisse Ferguson, Hawking si è da tempo considerato "estremamente fortunato".
"Era vero nel 1964, ed è oggi", scrisse Ferguson, "che per quanto riguarda Hawking, meno sono i suoi problemi fisici, meglio è. Ho riconosciuto nel 1989, durante le interviste per il mio primo libro su di lui, che se avessi scritto del suo lavoro scientifico e non avessi menzionato del tutto il fatto che tale lavoro rappresentava forse più un risultato per lui di quanto non lo sarebbe per la maggior parte delle persone, sarebbe stato perfetto per lui. "
Hawking è apparso più a suo agio nel discutere della disabilità nel contesto del suo attivismo, che è stato significativo. Nel 1999, si è unito a un gruppo di 12 personalità di spicco, tra cui l'attivista sudafricano Desmond Tutu, firmando una carta che invita i governi del mondo a trasformare le loro relazioni con le loro popolazioni disabili e ad espandere i servizi che migliorano la vita delle persone con disabilità.
Hawking è stato anche un importante difensore dell'assistenza sanitaria universale e del Servizio sanitario nazionale del Regno Unito (NHS), arrivando al punto di attaccare il segretario alla salute del partito conservatore Jeremy Hunt in un discorso dell'agosto 2017 per finanziamenti e supporto insufficienti al programma.
"Non sarei qui senza il servizio sanitario nazionale", ha detto Hawking.
Hawking tende a ottenere la massima attenzione per le sue idee sul futuro dell'umanità quando commenta l'intelligenza artificiale o gli alieni. Ma la maggior parte delle sue dichiarazioni sull'argomento è stata più concreta: guerre contrapposte, preoccupanti che il licenziamento del cambiamento climatico da parte del presidente degli Stati Uniti Donald Trump potesse danneggiare il pianeta e unirsi al boicottaggio accademico globale di Israele.
Live Science augura a Hawking un felice compleanno e molti altri.
