Fisica: Stephen Hawking verso il Nobel, dimostrata la teoria dei buchi neri

Sarebbe teoricamente possibile cadere in un buco nero e riemergere in un Universo parallelo. Ma dovrebbe trattarsi di un buco nero rotante e molto grosso, e il viaggio al contrario non sarebbe un’opzione praticabile. [Stephen Hawking]

Stephen William Hawking, nato a Oxford l’8 gennaio 1942 è un fisico, matematico, cosmologo e astrofisico britannico, fra i più importanti e conosciuti fisici teorici del mondo, noto soprattutto per i suoi studi sui buchi neri e l’origine dell’universo. Tra le sue idee più importanti vi sono la radiazione di Hawking, la teoria cosmologica sull’inizio senza confini dell’universo (denominata stato di Hartle-Hawking), la termodinamica dei buchi neri e la partecipazione all’elaborazione di numerose teorie fisiche e astronomiche con altri scienziati, come il multiverso, la formazione ed evoluzione galattica e l’inflazione cosmica, tutte teorie da lui spiegate con chiarezza e semplicità anche in numerosi testi di divulgazione scientifica per il grande pubblico.

Ha occupato la cattedra lucasiana di matematica all’Università di Cambridge (la stessa che fu di Isaac Newton) per circa trent’anni, dal 1979 al 30 settembre 2009 e tuttora è direttore del Dipartimento di Matematica Applicata e Fisica Teorica di Cambridge. È membro della Royal Society, della Royal Society of Arts, della Pontificia Accademia delle Scienze. Nel 2009 ha ricevuto la Medaglia presidenziale della libertà, la più alta onorificenza degli Stati Uniti d’America, conferita dal presidente Obama.

Secondo il quotidiano britannico The Times, Stephen Hawking sarebbe vicino al prestigioso premio grazie anche a Jeff Steinhauer, scienziato del Technion di Haifa, in Israele. Steinhauer afferma infatti di aver creato un buco nero in vitro, una sorta di piccolo modello da laboratorio attraverso il quale assicura di poter provare ciò che Hawking aveva calcolato in teoria: la sottrazione di energia e materia ad opera di particelle mordi-e-fuggi.

Al momento l’annuncio è stato fatto su un sito scientifico e si attende la pubblicazione dei dati completi dell’esperimento su una rivista accreditata. Se non salteranno fuori intoppi, questa volta il Nobel a Stephen Hawking – sentenzia il Times – non potrà toglierglielo nessuno.

LO STUDIO – Insieme a Brandon Carter, W. Israel e D. Robinson, ha fornito la prova matematica del teorema dell’essenzialità (No-Hair Theorem) di John Archibald Wheeler, cioè che i buchi neri sono caratterizzati solamente da tre proprietà: la massa, il momento angolare e la carica elettrica. Riguardo a questo, si ricorda la contesa che lo oppose a Jacob Bekenstein, ma alla fine concordarono per una descrizione simile dell’entropia del buco nero. Con Bardeen e Carter, 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 dimostrato che essa non è una singolarità nuda, in quanto non è visibile dall’esterno a causa di un meccanismo che hanno definito “censura cosmica”, anche se tale tipologia di singolarità potrebbe anche sussistere.

Nel 1974 ha dimostrato 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 dovrebbero irradiare, grazie ad un fenomeno quantistico, particelle subatomiche (oltre che produrre lampi di raggi gamma, raggi x e dando origine alla luminosità dei quasar).

Questa irradiazione, nota come radiazione di Hawking, ha caratteristiche termiche e dovrebbe portare alla progressiva diminuzione di massa del buco nero (in quanto il buco nero assorbirebbe un’antiparticella) prima che questa si annichilisca con la relativa particella (queste particelle e antiparticelle compaiono continuamente per fluttuazione quantistica e seguendo il principio di indeterminazione di Heisenberg) producendo un fotone, che viene invece lasciata sfuggire brevemente, prima di scontrarsi con un’altra particella e liberare energia come radiazione; l’antiparticella corrispondente invece si annichilirà con una particella della materia del buco nero, fino alla sua cosiddetta “evaporazione” completa dopo circa 1066 anni (10100 o più per i buchi neri di grande massa), anche se ancora non è chiaro il possibile risultato finale di tale processo (secondo Hawking potrebbe portare all’esplosione del buco nero che dovrebbe rilasciare l’energia superiore a quella di una supernova, come milioni di bombe H, specie se è entrato in collisione con altri buchi neri stellari formandone uno supermassiccio).Hawking scommise nel 1975 col collega Kip Thorne che Cygnus X-1 (un probabile buco nero stellare) non era un buco nero, con la motivazione che ha 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.

In fisica la radiazione di Hawking, detta anche di Bekenstein-Hawking, è una radiazione termica che si ritiene sia emessa dai buchi neri a causa degli effetti quantistici.

I buchi neri sono oggetti la cui attrazione gravitazionale è immensa. Secondo la concezione classica l’attrazione gravitazionale è tanto potente che niente, neanche la radiazione elettromagnetica o la luce, può allontanarsi dal buco nero. Al momento non è ancora chiaro come si possa incorporare la gravità nella meccanica quantistica; tuttavia lontano dai buchi neri gli effetti gravitazionali possono essere tanto deboli che i calcoli possono essere effettuati in modo corretto, ricorrendo alla teoria quantistica dei campi nello spazio-tempo curvo. Hawking ha dimostrato come gli effetti quantistici consentano ai buchi neri di emettere una radiazione di corpo nero, con soluzione esatta che corrisponde alla media della radiazione termica emessa da una sorgente termica idealizzata. È come se la radiazione fosse emessa da un corpo nero la cui temperatura è inversamente proporzionale alla massa del buco nero. 

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