Stephen Hawking

Qui sotto è riportato l’articolo pubblicato sul mensile “La Piazza” nel numero di Maggio 2018 (Anno XV – Numero 5) sullo scienziato Stephen Hawking scopritore della radiazione dei buchi neri.

Stephen Hawking ha lasciato questo mondo ma non è scomparso per sempre, infatti la sua stella ora brilla ancora più luminosa nel firmamento della scienza, ad indicarci la strada da percorrere per scoprire i misteri dell’universo.

Chi è Hawking?
Hawking nasce l’8 gennaio del 1942, esattamente 300 anni dopo la morte di Galileo Galilei, e muore il 14 marzo 2018, casualmente proprio 139 anni dall’anniversario della nascita di Albert Einstein. Egli è stato uno dei fisici teorici più importanti dei nostri tempi, noto soprattutto per i suoi studi sui buchi neri e per il suo impegno nella divulgazione scientifica. Era il direttore di ricerca del Dipartimento di matematica applicata e fisica teorica dell’università di Cambridge, e per 30 anni ha occupato la stessa cattedra che era stata di Isaac Newton.

La malattia
Nel 1963 gli fu diagnostica una malattia degenerativa dei motoneuroni, che ufficialmente gli lasciava solo due anni di vita, ma nonostante ciò egli proseguì alacremente gli studi e le sue ricerche. Dagli anni ’70 è costretto sulla sedia a rotelle, dagli ’80 ebbe bisogno dell’assistenza alla nutrizione e negli anni ’90 perse la voce, ma non si arrese mai, e con l’aiuto di un sintetizzatore vocale riusciva a comunicare con una frequenza di 15 parole al minuto. Egli stesso afferma: “Non ho paura della morte, ma non sono ansioso di morire. Ho tante cose che voglio fare prima”. Nel 1965 si sposò con Jane Wilde, con la quale avrebbe poi avuto tre figli. Malgrado la sua situazione visitò tutti i continenti, addirittura l’Antartide, dimostrando che anche le persone con disabilità possono fare praticamente di tutto, senza sentirsi limitate dalla loro condizione.

Dal Big Bang ai Buchi neri
Intelligente e creativo, si dedica alla ricerca intorno a questi misteriosi gorghi densi e massicci, che riescono a fagocitare anche la luce. Applicò a questi oggetti le teorie quantistiche, scoprendo che i buchi neri perdono radiazioni e particelle, nel loro ciclo che li porta a collassare e scomparire.
La teoria sulla radiazione di Hawking, fece cambiare il modo in cui erano visti i buchi neri: da gigantesche macchine che assorbono ciò che hanno intorno a grandi sistemi di riciclo della materia e dell’energia. I calcoli che lo portarono alla scoperta furono messi in discussione per molto tempo nella comunità scientifica. Le conclusioni erano talmente strane per le conoscenze dell’epoca da far dubitare lo stesso Hawking: l’idea che alcune particelle potessero sfuggire ai buchi neri sembrava impossibile. Egli voleva trovare la vera “teoria del tutto” della fisica, una spiegazione uniforme e omogenea di come funziona tutto ciò che esiste.

Radiazione di Hawking
Dagli anni ’60 Hawking lavora con diversi colleghi per definire meglio i buchi neri, comprenderne le caratteristiche e il loro ruolo nel formare e plasmare l’universo. Grazie a quei studi arrivò alla conclusione che qualcosa riesce a sfuggire a questi gorghi apparentemente senza fondo. Studiava cose che all’epoca non erano state ancora osservate. Oggi, grazie ai telescopi sappiamo che ci sono centinaia di buchi nell’universo. La radiazione di Hawking offre gli elementi più convincenti per capire il rapporto tra i buchi neri e ciò che hanno intorno, ed apre nuovi spiragli per la comprensione della nascita dell’universo.

I buchi neri

Qui sotto è riportato l’articolo pubblicato sul mensile “La Piazza” nel numero di Aprile 2016 (Anno XIII – Numero 4), consultabile in questa pagina web.

In natura conosciamo 4 forze: la nucleare forte, la debole, le interazioni di Coulomb e di Newton. Mentre la forza elettrostatica è contraddistinta da cariche opposte che si neutralizzano a vicenda, la gravità è l’unica energia che non si annulla mai, al contrario si somma sempre, proprio per questo è importante. Infatti esplica sempre la sua influenza, le masse non si stancano mai di attrarsi, e questo fa crescere i corpi celesti e plasma le masse stellari, insomma è il “motore dell’universo” e lo “scultore della materia”.

Come è possibile che la gravità si propaghi nel vuoto? Qui si inserisce il concetto di campo gravitazionale: una massa, così come una carica elettrica, crea intorno a se un campo di influenza. Da qui derivano le leggi della meccanica newtoniana, ma allora perché c’è bisogno di Einstein? Le leggi di Newton interpretano perfettamente gli eventi a bassa velocità, ma vicino la velocità della luce serve la relatività generale, secondo cui la gravità è una manifestazione della curvatura dello spazio-tempo. Einstein dice che l’enorme massa del sole curva lo spazio intorno a se, così come farebbe una biglia di piombo adagiata su un cuscino, questa deformazione dello spazio-tempo forza gli altri corpi a muoversi intorno al sole come fossero in un imbuto. Quindi i corpi nello spazio non si muovono su linee rette, ma su orbite geodetiche (curve).

La presenza di una massa curva lo spazio, ma la luce viaggia nello spazio, e quindi anche questa segue linee curve. Durante un eclissi solare, Eddington dimostra che la posizione delle stelle nel cielo è diversa: le stelle risultano più lontane proprio perché la loro luce passando vicino al sole ha deviato leggermente. Anche il tempo varia, non scorre allo stesso modo in punti diversi del campo gravitazionale, più ci si allontana dal campo più il tempo scorre veloce, infatti la materia crea una deformazione di tutta la trama spazio-tempo. Ad esempio, per fornirci le giuste coordinate gps i satelliti considerano già questo fattore, infatti per loro il tempo non scorre come fossero posizionati sulla terra, e servono le correzioni previste dalla teoria della relatività generale di Einstein.
Se si lancia un oggetto nel cielo ad una velocità maggiore della velocità di fuga (11 km/s per la terra), questo vince la forza di gravità e si allontana dal pianeta. Ora si immagini un luogo nel quale la velocità di fuga è superiore alla velocità della luce, da quella zona nulla può più sfuggire: si tratta di un buco nero! Esiste davvero? Dopo la recente rilevazione delle onde gravitazionali abbiamo la prova che è reale. Si pensi che per diventare un buco nero la massa della terra dovrebbe essere concentrata in una biglia di un centimetro (raggio di Schwarzschild).

Il big bang ha prodotto solo delle particelle elementari, come idrogeno ed elio, tutti gli altri elementi sono stati costruiti dal lavoro instancabile delle stelle, che sono delle proprie e vere fucine, infatti l’elevata pressione dell’attrazione gravitazionale avvia fusioni termonucleari, le quali irradiano enormi quantità d’energia che equilibra la forza di gravità. Quando però il combustibile finisce, la radiazione termica non riesce più a bilanciare la forza di gravità, la massa stellare collassa all’interno, rimbalza sul pesante nucleo ferroso e disperde tutti i composti prodotti nell’universo attorno, compreso il carbonio dal quale è nata la vita sulla terra. Allora possiamo dire di essere polvere di stelle e figli delle stelle. Durante il collasso del corpo celeste, se la massa entra nel raggio di Schwarzschild, la natura può riuscire a formare un buco nero, dal quale nulla può più uscire. In questi casi il raggio di curvatura dello spazio-tempo di Einstein produce un pozzo senza fondo, un imbuto infinito, ossia una singolarità, una zona di cui non abbiamo ancora compreso le leggi fisiche. Se un astronave gira intorno ad un buco nero, mentre sulla terra possono essere trascorsi pochi mesi, per gli astronauti potrebbero essere passati centinaia di anni, poiché vicino ad un forte campo gravitazionale il tempo rallenta enormemente. Lo spazio-tempo è assimilabile ad un mezzo in cui si trasmettono le onde, e le increspature di uno specchio d’acqua sono assimilabili alle perturbazioni dello spazio-tempo create dal movimento della materia.

Ogni volta che è stata aperta una nuova finestra abbiamo trovato grandi sorprese, come Galileo con il telescopio ha scoperto le lune di Giove, con i raggi cosmici si sono scovati i muoni, con le onde radio le pulsar, con i raggi X le stelle binarie, con i raggi gamma le esplosioni GRB, ed ora con l’interferometro laser abbiamo rilevato le onde gravitazionali: il bello è appena iniziato!

L’universo ci parla

Qui sotto è riportato l’articolo pubblicato sul mensile “La Piazza” nel numero di Marzo 2016 (Anno XIII – Numero 3), consultabile in questa pagina web.
Non si tratta di una nuova filosofia newage, ma della rivoluzione scientifica che stiamo vivendo in questo momento grazie alle rilevazioni delle onde gravitazionali effettuate da LIGO il 14/09/2015.

Cosa sono le onde gravitazionali?
Proprio 100 anni fa il genio di Einstein stravolse le leggi newtoniane con la teoria della relatività, che incorporando la forza di gravità ci spiega come la materia riesce a curvare lo spazio-tempo intorno a lei. Le onde gravitazionali sono deformazioni della trama dello spazio-tempo. Al passaggio di queste onde le distanze spaziali si contraggono ed espandono aritmicamente. Tali onde possono essere generate da fenomeni cosmici in cui una enorme massa asimmetrica si muove velocemente, oppure dall’esplosione di supernove o dalla collisione di oggetti massivi come i buchi neri. Una volta create queste viaggiano alla velocità della luce percorrendo distanze incredibili, poiché non sono rallentate dalla materia che incontrano.

Cosa è LIGO?
LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) è un osservatorio ideato per il rilevamento delle onde gravitazionali. Il progetto è stato fondato con l’apporto congiunto tra scienziati del California Institute of Technology (Caltech) e del Massachusetts Institute of Technology (MIT), e sponsorizzato dalla National Science Foundation (NSF). Un sogno ambizioso, uno sforzo epico, un costo elevatissimo (365 milioni di dollari), che però dopo 25 anni di duro lavoro, l’impegno di migliaia di studiosi, la collaborazione di 16 nazioni, contro ogni previsione (Einstein stesso disse che non era possibile) è stato raggiunto questo monumentale traguardo, paragonabile al momento in cui Galileo puntò il telescopio verso il cielo e studiò le stelle 400 anni fa.

Cosa è successo?
Il 14/09/2015 i due interferometri di LIGO (Livingston ed Hanford) hanno misurato le distorsioni nella trama dello spazio-tempo, cioè le onde gravitazionali arrivate sulla terra e prodotte da un incredibile evento, denominato GW150914, accaduto in un punto dell’universo distante 1,3 miliardi di anni luce dalla terra. Le onde sono state generate dalla fusione di due piccoli buchi neri, ognuno 30 volte più grande del sole, che hanno piroettato tra loro a metà della velocità della luce, fondendosi infine in un buco nero più grande (solo 150 km di diametro), mentre 3 intere masse solari di materia si sono trasformate in energia creando l’onda gravitazionale. Questa ha viaggiato per 1.300 milioni di anni (quando sulla terra la vita cellulare era appena agli albori) lungo tutto l’universo, giungendo fino a noi che siamo riusciti a misurare questa impercettibile variazione dello spazio-tempo, durata appena 0,45 secondi, deformando lo spazio di appena 10-21 metri (come accorgersi quando la stella più vicina a noi si sposti di un millimetro!).

Come funziona l’interferometro?
L’interferometro consiste in 2 bracci perpendicolari lunghi 4 km, mantenuti sottovuoto, un generatore laser, un vetro che spezza il raggio inviandolo ai due bracci, e gli specchi che lo riflettono indietro verso un rilevatore. Nelle normali condizioni i fasci luminosi si annullano, ma quando un onda gravitazionale attraversa la terra, questa allunga ed accorcia alternativamente i due bracci, ed i raggi laser percorrendo distanze differenti producono uno sfasamento luminoso che raggiunge il rilevatore.

Conclusioni
Le rilevazioni confermano l’esistenza delle onde gravitazionali, quella dei buchi neri e la possibilità che questi possano scontrarsi. Questo stravolge le nostre conoscenze ed apre scenari completamente nuovi. Dobbiamo essere ancora più orgogliosi perché un ruolo di primo piano è stato svolto dai nostri scienziati di Virgo, un identico osservatorio situtato a Cascina (PI) che diventerà operativo a fine 2016. Quello che scopriremo in futuro è inimmaginabile. L’universo ci parla, ed ora possiamo ascoltarlo in un modo che prima era impensabile!
da Federico Fratini