La teoria del tutto, come Hawking ci ha aiutato a comprendere meglio l’universo
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Stephen Hawking, oltre ad essere esempio di determinazione assoluta, è uno degli scienziati che più hanno rivoluzionato la nostra concezione dell’universo.

Stephen Hawking e il paradosso dei buchi neri – Scienze Naturali

Il famoso film “La Teoria del Tutto” mostra l’immensa dedizione di Hawking alla scienza: egli fino alla fine non si arrende alla ricerca nonostante la sua gravissima malattia muscolare. Nel suo libro divulgativo da cui prende titolo il film, Hawking illustra i risultati delle sue ricerche e riassume in modo semplice tutti i progressi che sono stati fatti per conoscere meglio l’origine dell’universo.

Come Hawking contribuisce alla formazione della teoria del Big Bang

La teoria del Big Bang nasce grazie alla scoperta di Hubble del 1929, che osserva il fenomeno dello spostamento verso il rosso, detto anche ‘redshift’. Hubble verifica che le stelle si allontanano le une dalle altre e ciò dimostra che l’universo si sta espandendo. Se l’universo è in espansione, allora si presume che una volta tutto ciò che compone l’universo doveva essere racchiuso in uno spazio piccolissimo infinitamente denso: da qui il Big Bang. L’eco del Big Bang si può ‘sentire’ nella radiazione di microonde di fondo dell’universo.

Nel 1970 Hawking insieme a Penrose verifica teoricamente che se la teoria della relatività è corretta e se l’universo contiene tanta massa quanta ne osserviamo, allora all’origine dell’universo doveva essersi verificata la singolarità del Big Bang.

Tuttavia Hawking non è pienamente soddisfatto dalla sua dimostrazione perchè nell’evento della singolarità, la densità infinita non permette di applicare le leggi della fisica. Il problema sta nel fatto che la relatività è una teoria classica, che non tiene conto della meccanica quantistica. Hawking quindi cerca risposte nello studio dei buchi neri, che potrebbero permetterci di trovare una “teoria del tutto” che unisca la relatività alla meccanica quantistica.

https://www.livescience.com/65700-big-bang-theory.html

Come i buchi neri potrebbero aiutarci a comprendere meglio gli stadi iniziali della formazione dell’universo

I buchi neri sono dei piccoli concentrati di massa, e lo studio di essi può aiutarci a comprendere l’inizio dell’universo. Infatti potrebbero farci scoprire se l’universo primordiale del Big Bang era omogeneo e uniforme oppure se questo presentava delle irregolarità fin da subito.  I buchi neri sono inoltre uno dei pochi casi in cui gli effetti relativistici e quelli della meccanica quantistica sono intrinsecamente legati. Pertanto, osservando questi corpi, li possiamo studiare insieme.

Un buco nero si chiama così perché l’oggetto ha talmente tanta massa che neanche la luce riesce a sfuggire alla sua gravità. All’interno di un buco nero il tempo si ferma perchè la relatività implica che maggiore è la massa di un oggetto, maggiore è la forza gravitazionale e più lento passa il tempo rispetto a osservatori esterni.

Hawking dimostra che se un buco nero ruota su se stesso allora deve essere simmetrico e che dopo il collasso di una massa nel buco nero, l’area del buco nero è maggiore della somma delle due aree, in modo simile all’aumento di entropia della seconda legge della termodinamica.

Come Hawking spiega nel libro, inizialmente si pensava che i buchi neri si scontrassero con la seconda legge della termodinamica dell’aumento dell’entropia (il disordine dell’universo tende sempre ad aumentare). Tuttavia Berkenstein dimostra che l’area del buco nero corrisponde all’aumento di entropia. Se un buco nero ha entropia significa che deve avere una temperatura, ma si potrebbe pensare che le radiazioni non potrebbero essere espulse, dato che nemmeno la luce riesce a scappare dal buco nero. Infatti sembrava impossibile che i buchi neri potessero emanare radiazioni, ma per il principio di indeterminazione è necessario che i buchi neri emettano particelle.

Hawking spiega che la questione si risolve così. Esistono particelle virtuali con energia negativa, contrapposte a quelle reali che hanno un’energia positiva. Solitamente quando particelle reali e virtuali si scontrano esse si annichiliscono. Ma in un buco nero la gravità è così forte che anche una particella virtuale con energia negativa che cade all’interno può diventare reale. E quindi l’entrata di particelle di energia negativa nel buco nero verrebbe contrapposta all’energia positiva della radiazione in uscita. Se dell’energia negativa entra nel buco nero, la sua massa si riduce (E=mc^2). Quindi la sua area diminuisce e nel tempo (in un tempo molto maggiore rispetto all’esistenza dell’universo) il buco nero evapora. La seconda legge della termodinamica quindi non è violata.

Più piccolo e meno massoso è il buco nero, più la sua temperatura e le emissioni di radiazioni aumentano. Si ipotizza che la temperatura aumenti e il buco nero diventi sempre più piccolo fino a quando questo non esploda o sparisca. Hawking ipotizza che se si scoprisse un buco nero poco massoso (che quindi non avrebbe avuto il tempo di derivare dalla morte di una stella), significherebbe che il buco nero ha origini primordiali, e che quindi si è generato ai tempi del Big Bang a causa delle irregolarità degli stadi iniziali dell’universo. Tuttavia per il momento non abbiamo gli apparecchi necessari abbastanza forti da rilevare le radiazioni che provengono da essi.  Ma se riuscissimo a scoprire dei buchi neri primordiali, questo ci fornirebbe delle informazioni molto utili alla comprensione dell’universo primordiale.

La necessità di una teoria del tutto unificata

Il problema dell’ipotesi della singolarità del Big Bang, sta nel fatto che la singolarità implicherebbe un campo gravitazionale talmente grande che gli effetti della meccanica quantistica (e del principio di indeterminazione) sarebbero rilevanti. Quindi, per comprendere meglio l’universo primordiale, è necessario scoprire una teoria che unifica la relatività alla meccanica quantistica. Se verranno unificate, dato che la meccanica quantistica vale in qualsiasi situazione, non sarebbe necessario che l’universo sia nato da una singolarità che non possiamo comprendere.

Se si scoprisse una teoria unificante, ci sarebbe la possibilità che l’universo non sia mai stato creato e mai si distruggerebbe: esisterebbe e basta. Questo perchè le leggi della scienza senza una singolarità sarebbero sempre valide se riuscissimo a descrivere il ‘Big Bang’ senza una singolarità. Tra le possibilità, Hawking spiega che il nostro universo, in quel caso, potrebbe oscillare tra cicli di espansione a contrazione continue.

Oggi non abbiamo una teoria del tutto che unifica le due teorie, ma ci sono molte proposte in cui si sta svolgendo ricerca, tra cui la teoria delle stringhe studiata da Feynman e Hawking o la teoria dei loop di Rovelli.

Si deve molto a Hawking per i suoi studi sull’origine dell’universo, sui buchi neri e infine sulla gravità quantistica. Ed è anche grazie a lui e alle sue opere di divulgazione scientifica se in molti si sono appassionati alla scienza e se ora le complesse teorie fisiche su come funziona l’universo sono a grandi linee comprese da molti.

 

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