Il grande astrofisico inglese è stato forse più famoso al grande pubblico per il suo essere un brillante narratore e un grande scrittore divulgativo, aspetto che, legato al modo con cui ha affrontato la sua grave disabilità, ne hanno fatto una vera e propria icona pop. La sua ironia, il suo pensiero sempre aperto e curioso verso tutto e tutti, l’hanno portato a essere una specie di oracolo da consultare su ogni argomento, più o meno attinente alla ricerca, di rilevanza per l’umanità: dal riscaldamento globale alla vita nello spazio, dalla guerra fredda alla fame nel Mondo. Come apice di questo suo percorso troviamo senza dubbio la sua “Dal Big Bang ai Buchi Neri. Breve storia del tempo”¹, opera di trent’anni fa che ha venduto più di dieci milioni di copie ed è stata tradotta in più di trenta lingue. Un best seller senza precedenti per essere un libro scientifico!

Ma, oltre questo Hawking versione rockstar, oltre alle comparsate nelle sitcom, nei cartoni animati e oltre al film che ha valso l’oscar a Eddie Redmayne, qual è il testamento scientifico che ci lascia Stephen Hawking? Per quali altissimi meriti si è guadagnato il diritto di essere sepolto a Westminster Abbey² accanto a giganti della scienza come Newton e Darwin? La risposta sta proprio in quel “la teoria del tutto” che riassume perfettamente la sua vita, la sua ricerca e le sue scoperte. Vediamo un po’ di cosa si tratta!

La fisica del XX secolo ha coinvolto sia le particelle subatomiche, sia lo studio dell’Universo, spingendosi nella ricerca di leggi e teorie che unissero l’estremamente piccolo con l’estremamente grande. Questo perché uno dei principali assiomi non scritti della fisica prevede che non possano esistere leggi diverse per uno stesso sistema; di conseguenza essendo l’Universo un sistema unico (come in effetti è), devono esserci leggi univoche che valgano per gli atomi e le particelle subatomiche così come per i pianeti, le stelle e le galassie. Hawking, sin da giovane, per il suo dottorato di ricerca si getta proprio in questo grande calderone!

Gli anni della sua formazione coincidono con quelli del grande dibattito sul Big Bang. Il tutor con cui desidera svolgere il dottorato, Hoyle, è il più illustre astrofisico del tempo e un fermo oppositore di questa teoria (è lui a coniare il termine in forma dispregiativa) ma, dato che egli non ha più posto per altri dottorandi, Stephen finisce a lavorare con Sciama, un professore meno famoso, ma più disponibile e soprattutto più incline a sostenere le indagini di Hawking sull’origine del tempo. Già. Il tempo. Perché qui si arriva allo snodo fondamentale!

Hawking pensava e lavorava sull’ipotesi che (brutalizzo per semplificare) all’inizio dell’Universo lo spazio e il tempo fossero uniti in quella che viene chiamata singolarità³. Solo con il Big Bang⁴ e l’espansione dell’Universo lo spazio-tempo, legati come dimostrato dalla relatività di Einstein, avrebbero iniziato a esistere. Eccoci dunque l’inizio del tempo. Per figurarci di cosa stiamo parlando pensiamo ad una scatola a molla piena di oggetti, questa è la singolarità prima del Big Bang. Quando la molla scatta, la scatola fa schizzare tutti gli oggetti fuori “espandendosi”.

In realtà lo studio partiva dallo studio dei buchi neri; questi “oggetti misteriosi” che non sono altro che stelle talmente dense (supermassiccie) da possedere una forza di gravità così grande da non far uscire niente, neanche la luce, dal loro campo gravitazionale. Tutto ciò che inizia a gravitare intorno a un buco nero è destinato a cadervi dentro e perdersi per sempre. L’intuizione di Hawking fu quella di pensare ai buchi neri come singolarità e quindi pensarli come modelli da studiare per comprendere l’origine dell’Universo. Ecco perché “Dal Big Bang ai buchi neri”.

Chiaramente arrivarono molti problemi legati alle differenze, non da poco, che ci sono tra la singolarità presente prima del Big Bang e qualsiasi buco nero. La principale è legata all’entropia, la grande forza trainante di tutto l’Universo⁵. L’entropia è la misura del disordine di un sistema e, senza immissione di energia esterna, tende spontaneamente ad aumentare. Ripensiamo alla scatola a molla che abbiamo fatto scattare prima: l’esplosione avviene grazie all’energia già presente nel sistema, ma gli oggetti usciti non torneranno mai spontaneamente dentro la scatola se non ce li rimettiamo (immettendo energia esterna!). Così come un cubetto di ghiaccio si scioglie spontaneamente in acqua grazie all’energia presente, ma non avviene mai il contrario a meno di non togliere energia termina al sistema.

La domanda che ci si poneva era quindi: se un buco nero attira tutto a sé, luce compresa, e arriva a far collassare tutto in una singolarità, allora in quel punto l’entropia tenderà a zero e verrà sottratta a quella complessiva del sistema Universo? Se così fosse avremmo una trasformazione termodinamica che contraddice il terzo principio e quindi saremo di fronte ad un’evidente contraddizione. Secondo Hawking ci doveva essere il modo per spiegare questo, le similitudini tra buchi neri e universo ante-Big Bang erano troppe! Così iniziò a lavorare ad un’equazione che formalizzasse la misura dell’entropia di un buco nero introducendo il concetto di orizzonte degli eventi⁶.

Praticamente, ipotizzò, esiste un limite energetico oltre al quale c’è la possibilità che qualche particella o radiazione riesca a sfuggire al campo gravitazione del buco nero, tornando a vagare nello spazio. Questo limite è appunto l’orizzonte degli eventi, al suo interno l’entropia va considerata unitamente e va a sommarsi a quella dell’Universo, che a questo punto torna a crescere costantemente, come previsto appunto dalle classiche leggi della termodinamica. La bellezza della risoluzione matematica di Hawking fu di scrivere, per descrivere questi concetti, un’equazione che conteneva tutte le principali costanti fisiche delle teorie passate, provando in questo modo a dare vita alla vera e propria teoria del tutto. 

S_BH = k_bc³A / 4Għ

Equazione dell’entropia di Bekenstein-Hawking⁷

Simboli strani, matematica, equazioni. Dov’è la bellezza? Ve lo spiego: la S_BH è l’entropia dei buchi neri e viene data dalla combinazioni di costanti fondamentali per la fisica di ogni tempo, c’è la costante termodinamica di Boltzmann (k_b), la velocità della luce (c) legata alla relatività di Einstein, la costante di gravitazione universale di Newton (G) e quella di Planck (ħ) relativa alla fisica quantistica. Insomma, una sola equazione per unire quattro grandi filoni della fisica alla ricerca dell’origine del tempo e, di conseguenza, di tutto quanto. Purtroppo per Hawking però la sua brillante intuizione è stata quasi impossibile da dimostrare dato che la radiazione che riesce a sfuggire ai buchi neri è veramente molto debole. Resta il fatto di aver squarciato un Mondo e aver spinto la ricerca nella direzione di una teoria unificante che provasse a rispondere a domande complicatissime attraverso l’osservazione del reale.

Adesso che Stephen Hawking è morto, quel Nobel che sarebbe potuto arrivare, non arriverà mai, anche se tutti speriamo che la teoria del tutto, uno giorno o l’altro, verrà scritta, dimostrata e divulgata a tutti. Addio Prof. Hawking, continueremo sicuramente a guardare in alto verso le stelle e non verso i nostri piedi, proprio come lei ci ha insegnato.