Stephen Hawking e la chiave segreta per l’universo

Ci sono paper che hanno cambiato il modo di pensare e hanno aperto la strada a nuove scoperte. In “Pagine di scienza” vi racconteremo alcune ricerche che come mattoni hanno contribuito alla costruzione della casa della conoscenza. Il protagonista di questo primo appuntamento è il genio britannico Stephen Hawking e la sua tesi di dottorato.
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Illustrazioni di Francesco Montesanti
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Biologia e Comunicazione della Scienza
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Illustratore freelance

La scienza è fatta di esperimenti, errori, intuizioni. L’obiettivo di ogni scienziato è quello di pubblicare, perché un articolo scientifico ha innanzitutto l’obiettivo di portare a conoscenza della comunità scientifica il risultato di una ricerca, che potrà essere usato come base per ulteriori studi o sfruttato per applicazioni pratiche. Cercare di descrivere dettagliatamente non solo il risultato stesso, ma anche tutte le procedure e le informazioni che sono state necessarie per ottenerlo. In questo modo si mette la comunità scientifica nelle condizioni di poter verificare l’operato degli autori e cercare di riprodurlo; come abbiamo osservato più volte, questo è un passo fondamentale per la “validazione” del risultato. Infine, la pubblicazione permette di certificare l’importanza del contributo dato dagli autori ai risultati pubblicati.
Ci sono paper che hanno cambiato il modo di pensare e hanno aperto la strada a nuove scoperte. In “Pagine di scienza” vi racconteremo alcune ricerche che come mattoni hanno contribuito alla costruzione della casa della conoscenza. Racconteremo queste pagine, grazie e soprattutto, alle illustrazioni di Francesco Montesanti.

STEPHEN HAWKING E LA CHIAVE SEGRETA PER L’UNIVERSO
“Sono nato l’8 gennaio 1942, a esattamente 300 anni dalla morte di Galileo. Immagino, comunque, che almeno altri 200mila bambini siano nati lo stesso giorno. Non so se qualcuno di loro abbia poi sviluppato un interesse per l’astronomia”, una coincidenza che a Stephen Hawking piace ricordare, esprimendo così la propria ammirazione per lo scienziato che da sempre ha rappresentato il suo modello.
Agli inizi del secolo scorso, Albert Einstein formula la teoria della gravitazione, che va a sostituire (ad affiancare, in effetti) quella di Isaac Newton. Per Newton la gravità crea un campo simile a quello prodotto da un magnete: per lo scienziato inglese vissuto a cavallo tra il XVII e il XVIII Secolo, questo campo fa sì che la Terra (per esempio) eserciti su una mela o sulla Luna una “forza” che le attira. È un fatto normale: tutti i corpi che possiedono una massa esercitano tale forza.
Einstein la pensa diversamente: la gravità non è un campo ma una proprietà, ossia una caratteristica dello spazio stesso. Afferma che tutti i corpi massicci – tutti, dal Sole fino a uno spillo – curvano lo spazio attorno a se stessi. Per avere un’idea di ciò che significa basta pensare a una palla appoggiata su un materasso: deforma la superficie su cui poggia e scorre. In questo esempio la deformazione avviene in due dimensioni: nella realtà immaginata per la prima volta dallo scienziato tedesco la deformazione dello spazio si realizza in tre dimensioni. Un effetto un poco più difficile da visualizzare.
La Relatività generale ipotizza anche che un oggetto sufficientemente grande, come può essere una stella massiccia, può collassare su se stesso fino a concentrarsi in un punto a densità infinita. Quel punto è chiamato singolarità.
La singolarità deforma così pesantemente lo spazio attorno a sé che neppure la luce – se vi passa sufficientemente vicino – può uscirne. E così siamo in pratica arrivati a immaginare un buco nero. Robert Oppenheimer, già nel 1939, lo aveva capito molto bene e lo aveva descritto in un lavoro molto importante.

Ma come si poteva immaginare, allora, un fenomeno del genere? Sembrava oltre ogni possibilità dell’Universo stesso. Sì, la teoria c’era, ma la realtà dovevaessere diversa.
Così la teoria languiva. Ma 20 anni dopo, proprio mentre Hawking sta svolgendo i suoi studi all’Università di Oxford, vari fisici portano alla ribalta i buchi neri. I lavori più importanti sono di John Wheeler, negli Stati Uniti (sarà colui che darà il nome ai buchi neri), Roger Penrosenel Regno Unito e Yakov Zel’dovičin Unione Sovietica. Hawking, che dopo la laurea in fisica sta compiendo un dottorato a Cambridge sotto la supervisione del cosmologo Dennis Sciama, è letteralmente stregato dal fermento scientifico attorno a Relatività generale e buchi neri.
Nonostante le prime manifestazioni di sclerosi laterale amiotrofica, comincia ad approfondire la teoria del Big Bang, oggi quasi comunemente accettata ma a quel tempo difficile da digerire. Hawking paragona il Big Bang a un buco nero al contrario: anziché finire tutto in una singolarità, tutto ha inizio da una singolarità. E insieme a Penrose, nel 1970, pubblica un lavoro che dimostra come l’Universo sia nato da una singolarità. Ma i n questo primo appuntamento di “Pagine di scienza” non vogliamo focalizzarci sugli studi relativi alla teoria del Big Bang che hanno reso Hawking un’icona pop ma bensì di un’altra pubblicazione di qualche anno precedente.
Era il 1966 quando il 24enne Stephen Hawking presentò la sua tesi di dottorato. Era arrivato a Cambridge quattro anni prima dopo aver conseguito a Oxford una laurea con lode, di prima classe (condizione necessaria per essere accettati al corso di laurea in cosmologia, presso l’Università di Cambridge). Il documento, che si intitola Properties of expanding universes (Proprietà degli universi in espansione), prende in considerazione le implicazioni e le conseguenze dell’espansione dell’universo e le sue conclusioni includono che le galassie non possono essere formate attraverso la crescita di perturbazioni inizialmente piccole. La pubblicazione della tesi, di 134 pagine e scritta a macchina nelle parti discorsive e a mano per riportare le formule matematiche è un passaggio chiave per far entrare Hawking nel gotha degli astrofisici. Un risultato  impensabile per molti dato i primi segni della terribile malattia che lo stava trasformando, un risultato ottenuto grazie all’amore, quello non solo verso la ricerca ma quello ricevuto da Jane Wilde.Il matrimonio con Jane (1965) gli ha dato, ha ricordato, la determinazione a vivere e fare progressi professionali nel mondo della scienza.Hawking ha conseguito il dottorato nel 1966.

Come tutte le tesi di dottorato, il lavoro di Hawking è stato tecnicamente disponibile sin da quando è stato accettato da Cambridge, in modo che altri studiosi potessero leggere e citare il suo lavoro. Si pensi che in un solo anno (dal 2016 ad oggi) il testo è stato richiesto presso la biblioteca dell’università inglese circa 200 volte (la seconda tesi più richiesta è stata consultata appena 13 volte). Fino ad oggi era necessario rivolgersi direttamente alla biblioteca per poter leggere il lavoro o, in alternativa, veniva chiesto il pagamento di 65 sterline per ottenerne una copia digitale.
Ma da alcune settimana Hawking ha dato il permesso di pubblicare la propria tesi nell’archivio a libero accesso dell’Università di Cambridge. Nelle prime 24 ore di download libero il lavoro dello scienziato britannico è stata scaricata quasi 60mila volte, tanto da far andare fuori uso il sito dell’università.
“Chiunque, ovunque nel mondo, dovrebbe avere accesso libero e senza impedimenti non solo alla mia ricerca, ma anche alle ricerche di qualunque grande mente che si interroga sullo spettro dell’umana comprensione”, ha affermato Hawking .“Ogni generazione si erge sulle spalle di quelle che l’hanno preceduta, esattamente come ho fatto io quando ero un giovane dottorando di Cambridge, ispirato dal lavoro di Isaac Newton, James Clerk Maxwell e Albert Einstein. È bellissimo sentire di quante persone abbiano già scaricato il mio lavoro. Speriamo che non rimangano delusi ora che possono accedervi”.

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