Cosmology (Italiano)

The time: spring 1984. Il luogo: una sala conferenze presso l’Università di Cambridge.

Gli studenti affollano i posti. Di fronte alla lavagna un palco si alza un piede sopra il pavimento della sala. Sul palco un uomo su una sedia a rotelle parla in un mormorio a uno studente laureato. Lo studente ha occhiali colorati di rosso e indossa una giacca morbida color crema., L’uomo: mormorare, mormorare, mormorare. Lo studente: “Il professor Hawking dice,’ Questa conferenza è circa il bordo dell’universo.”Mormora, mormora, mormora. “Il bordo dell’universo è molto lontano.”Mormora, mormora. “Tuttavia, possiamo ancora immaginarlo come segue…” Lo studente disegna un diagramma sulla lavagna. La lezione continua, Hawking mormorando, e lo studente tradurre. L’argomento è complesso, ma il flusso è chiaro. Hawking è un docente eccezionale, e poiché tutto viene detto due volte, una volta in un mormorio e una volta in traduzione, c’è più tempo per pensare.,

L’occasione è il seminario di Stephen Hawking sulla gravità quantistica, e sta parlando del suo ultimo lavoro. Il pubblico è rapito e Hawking è eccitato. È impaziente che lo studente finisca ogni traduzione, e mentre lo studente parla e scrive sulla lavagna, Hawking si agita. Confinato da una malattia degenerativa del motoneurone, può solo muovere le dita, che sta usando per spostare la sua sedia a rotelle da un lato all’altro-dzzt, dzzt – mentre parla lo studente – dzzt, dzzt. Ogni volta che si muove da un lato all’altro, tuttavia, si muove anche impercettibilmente all’indietro., Mezz’ora dopo la lezione un enorme incidente rompe l’incantesimo. La sedia a rotelle di Hawking si stacca dal bordo del palco ed è sdraiata sulla schiena a terra. I piedi di Hawking penzolano in aria e gli studenti saltano fino a destra la sedia. È accartocciato ad un angolo strano, tremando violentemente. Sta morendo? No, sta ridendo. Mormora, mormora, mormora. “Il professor Hawking dice,’ Caduto dal bordo dell’universo.'”

Hawking condusse una vita piena e completa, nonostante la sua malattia, e il suo lavoro scientifico ispirò generazioni di studenti a studiare problemi di gravità e meccanica quantistica., Nelle settimane successive alla sua morte, il 14 marzo, molti dei suoi colleghi hanno scritto della sua straordinaria vita e del suo lavoro. Questo articolo toccherà alcuni dei suoi risultati scientifici primari – in particolare, il suo lavoro sulla gravità classica e singolarità, i suoi famosi risultati sulla termodinamica dei buchi neri e la radiazione di Hawking, e i suoi sforzi per quantizzare la gravità.

Fuori dalla singolarità

Da giovane, Hawking ha lavorato sulla relatività generale, studiando il problema di come si formano i buchi neri., La sua padronanza dei metodi geometrici gli ha permesso di dimostrare una serie di notevoli teoremi sulle circostanze in cui le nuvole vorticose di materia subiscono il collasso gravitazionale, dando origine a singolarità gravitazionali. Lavorando insieme a Roger Penrose, che aveva studiato problemi simili, Hawking ha prodotto un notevole documento nel 1970 intitolato “The singularities of gravitational collapse and cosmology” (Proc. Roy. Soc. Lond. A 314 529).

In questo lavoro, lui e Penrose dimostrarono che lo spazio–tempo “ragionevole” avrebbe esibito sia singolarità nel futuro (o la singolarità finale in un universo chiuso, o singolarità presenti nei buchi neri) che singolarità nel passato (il Big Bang)., Qui, “ragionevole” significa che lo spazio–tempo non possiede irregolarità causali – come curve chiuse simili al tempo-e la materia obbedisce a una forte condizione energetica, in modo che la presenza di materia focalizzi le geodetiche vicine (le linee più corte tra i punti su una superficie curva) l’una verso l’altra.

Presi insieme, i teoremi di singolarità di Penrose–Hawking forniscono una forte evidenza per la necessaria formazione di buchi neri nel nostro universo., Si tratta di una previsione che è stata confermata sia da prove osservazionali di sorgenti di raggi X galattici come Cygnus X-1, sia dai recenti e spettacolari risultati del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), che ha rilevato le onde gravitazionali emesse dalla collisione di buchi neri.

Il prossimo grande lavoro di Hawking fu il suo più famoso. I suoi teoremi di singolarità implicavano che l’area dell’orizzonte degli eventi di un buco nero aumenta quando più materia ed energia viene aggiunta al buco, e non dovrebbe mai diminuire., Di conseguenza, Hawking e colleghi hanno notato che l’area dell’orizzonte era analoga all’entropia nella seconda legge della termodinamica: secondo la quale l’entropia non diminuisce e tende ad aumentare. Basandosi sulle idee di Hawking, Jacob Bekenstein ipotizzò che l’area dell’orizzonte degli eventi fosse in realtà uguale all’entropia del buco nero, fino a una costante moltiplicativa.

Ma ora c’è un problema. I sistemi termodinamici con entropia S (E) in funzione dell’energia E devono anche possedere una temperatura, definita da 1/kBT = S S/∂E. Ma qual è la temperatura di un buco nero?, Dopo tutto, è nero e, almeno classicamente, nessuna radiazione può sfuggire da esso.

Fuori dal buco nero

Nel 1974 Hawking risolse il problema della temperatura del buco nero in modo spettacolare., Applicando i metodi della teoria quantistica dei campi su spazio–tempo curvo nero-geometria del foro, Hawking è stato in grado di dimostrare che i buchi neri si comportano come corpi neri, con l’emissione di radiazione termica con una temperatura ħk/2nkB (dove m è la costante di Planck divisa per 2π e κ è la gravità alla superficie del foro), corrispondente ad un buco nero di entropia pari a un quarto dell’area dell’orizzonte, misurata in unità di Planck. La concezione di base di Hawking del problema era semplice e brillante.

La relatività generale riguarda la riconciliazione delle diverse percezioni dell’universo., La relatività speciale riconcilia le percezioni degli osservatori che si muovono a velocità diverse, ma tutti percepiscono la velocità della luce come la stessa. La relatività generale riconcilia le percezioni di diversi osservatori che scelgono di assegnare diversi sistemi di coordinate agli eventi in uno spazio–tempo curvo. Una volta che la meccanica quantistica viene gettata nel mix, sorge una caratteristica notevole: gli osservatori inerziali e gli osservatori accelerati hanno una percezione completamente diversa dello stato del vuoto – lo stato senza particelle., Lo stato vuoto, senza particelle per un osservatore inerziale è percepito da un osservatore accelerato come contenente una miscela termica di particelle.

Nella teoria dei campi quantistici, il vuoto non è vuoto – bolle con coppie di particelle–antiparticelle virtuali. Un osservatore inerziale vede quelle coppie virtuali venire in esistenza e poi andare via di nuovo prima che possano essere rilevati., Al contrario, il rivelatore di particelle di un osservatore accelerato rileverà una miscela termica di particelle-il rivelatore accelerato fornisce efficacemente l’energia e la quantità di moto necessarie per creare particelle reali da particelle virtuali.

Il principio di equivalenza di Einstein afferma che l’accelerazione fornita, ad esempio, da un razzo, non può essere distinta dall’accelerazione fornita da un campo gravitazionale. Di conseguenza, i campi gravitazionali possono creare particelle., In un elegante argomento basato sulla teoria dei campi quantistici in un buco nero spazio-tempo, Hawking è stato in grado di dimostrare che il campo gravitazionale del buco nero crea una miscela termica di particelle che emana dall’orizzonte del buco nero. In prossimità dell’orizzonte, le coppie particelle–antiparticelle virtuali con energie entangled ±E sono “promosse” in coppie particelle–antiparticelle reali di particelle in uscita con energia E accoppiate con antiparticelle in caduta con energia –E. Poiché l’energia della materia che cade nel buco nero è negativa, la massa del buco nero diminuisce. Il buco nero si irradia.,

La scoperta di Hawking che i buchi neri non erano in realtà neri sbalordì la comunità dei fisici. I suoi calcoli sono stati confermati da una varietà di approcci alternativi, che hanno dimostrato che la radiazione di Hawking era una caratteristica onnipresente dello spazio–tempo con orizzonti, incluso lo spazio de Sitter e lo spazio–tempo visto da un osservatore accelerato.

Il risultato ha anche stimolato l’interesse per la teoria dell’entanglement quantistico. La radiazione di Hawking consiste in uno stato impigliato della materia, in cui le particelle in uscita con energia +E sono impigliate con particelle in caduta con energia –E., L’entropia della radiazione di Hawking può quindi essere identificata con l’entropia di entanglement del buco nero, dove il numero di bit di entanglement è proporzionale all’area dell’orizzonte degli eventi.

La radiazione di Hawking è considerata dai fisici come l’unico risultato veramente affidabile che possediamo sulla meccanica quantistica e sulla gravità., Molti altri risultati hanno seguito, in particolare lavorare su supersimmetrica campi di gravità quantistica, e l’anti-de Sitter spazio/teorie conformi corrispondenza AdS/CFT) – una notevole connessione tra il comportamento dei campi gravitazionali in uno spazio–tempo e i campi quantistici dello spazio–tempo limite – oltre che di lavoro, per ricavare la relatività generale dall’area di leggi. Tuttavia, sembra sicuro dire che la radiazione di Hawking è l’unico risultato sulla meccanica quantistica e sulla gravità che è accettato dall’intera comunità di fisici che lavorano sull’argomento.,

Rimangono molte domande aperte sulle radiazioni di Hawking. La radiazione contiene le informazioni che sono entrate nel buco nero mentre si formava, ma in qualche forma criptata? Per decenni, Hawking ha detto di no-non c’è apparentemente alcun modo per le informazioni all’interno del buco di uscire, almeno secondo le leggi ordinarie della meccanica quantistica sullo spazio–tempo curvo. Se le leggi sottostanti della meccanica quantistica sono la conservazione delle informazioni, come suggerito, ad esempio, dalla corrispondenza ADS/CFT, allora l’evaporazione del buco nero è essa stessa un processo di conservazione delle informazioni.,

Quasi certa fuga da un buco nero

Più recentemente, tuttavia, Hawking ha dichiarato di credere che le informazioni sarebbero effettivamente sfuggite da un buco nero evaporante, concedendo così una scommessa fatta con John Preskill sull’argomento. Ha continuato a dichiarare che la sua affermazione che le informazioni non sono sfuggite da un buco nero è stato il suo “più grande errore”., In assenza di una teoria quantistica della gravità universalmente accettata e auto-coerente, o di prove empiriche per la natura di conservazione delle informazioni dell’evaporazione del buco nero, tuttavia, la questione di come o se le informazioni sfuggono dai buchi neri deve rimanere aperta.,

Cosmologia quantistica

Nel 1980 Hawking ha continuato a fare un lavoro seminale sulla cosmologia quantistica: il suo lavoro con Jim Hartle e con altri sulla teoria quantistica degli universi senza confini rappresenta un metodo concettualmente convincente per affrontare i problemi perennemente difficili della meccanica quantistica e la storia dell’universo nel suo complesso. Da questo approccio Hawking e collaboratori sono stati in grado di ottenere risultati utili e suggestivi sulla cosmologia quantistica, e l’inflazione cosmologica.,

L’approccio no-boundary ha portato a quello che Hawking aveva precedentemente definito il suo “più grande errore”, fino a quando ha deciso che dichiarare che le informazioni non sfuggivano da un buco nero era peggio. Usando la tecnica per ricavare una funzione d’onda per l’universo che era simmetrica nel tempo, Hawking dichiarò che un universo che si espandeva e poi si contrasse avrebbe subito un’inversione temporale esatta durante la fase di contrazione. Raymond LaFlamme e Don Page furono rapidamente in grado di mostrare a Hawking che non si verificava nulla del genere., La funzione d’onda ottenuta da Hawking era una sovrapposizione quantistica di due cosmologie, una a partire da uno stato di entropia bassa o zero e in espansione mentre l’entropia aumentava, e la seconda era la stessa cosmologia della prima ma con il tempo t sostituito da –t., Se la freccia del tempo all’interno di un universo deve essere assegnata dagli abitanti, tuttavia, allora gli abitanti di entrambi gli universi probabilmente voterebbero per assegnare la direzione di aumentare il tempo nella direzione di aumentare l’entropia, in modo che la seconda cosmologia sia vissuta dai suoi abitanti come uguale alla prima, piuttosto che come andare indietro nel tempo.

Ballare la musica del tempo

Dopo la pubblicazione del suo libro A Brief History of Time nel 1988, e la meritata fama che ne conseguiva, Hawking ebbe meno tempo da dedicare esclusivamente alla fisica, ma continuò a proporre idee nuove e provocatorie per tutta la sua carriera. La sua malattia lo costrinse a prendere le cose lentamente, a pensare le cose con grande accuratezza prima di metterle avanti. Ma quell’approccio lento gli è servito bene.,

La scena: una cena a Mazagon, in Spagna, in un workshop sulla fisica dell’asimmetria temporale, organizzato da Jonathan Halliwell, Juan Perez-Mercader e Wojciech Zurek. Hawking è seduto con un gruppo di studenti e postdoc, molto lentamente mangiando una bistecca molto grande che è stata tagliata in pezzi molto piccoli. Tutti stanno discutendo l’escursione conferenza appena conclusa, che era in un club di flamenco a Siviglia. La gente chiedeva a Stephen come avesse finito per ballare con il ballerino di flamenco più esperto lì. Poi la conversazione è passata alla fisica, alla gravità quantistica e così via., Hawking stava lavorando via i tasti sul suo sintetizzatore vocale, e, cinque minuti dopo, con un luccichio negli occhi, ci ha informato, “Ho scelto le mie sedie a rotelle per la loro danc ballabilità.”

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