Stephen Hawking: biografia e scoperte del fisico e matematico inglese

Stephen Hawking: biografia e scoperte del fisico e matematico inglese A cura di Brunella Appicciafuoco.

Biografia e scoperte del fisico, matematico e astrofisico britannico famoso per gli studi su origine dell’Universo, buchi neri e cosmologia quantistica

1Biografia di Stephen Hawking

Fisico teorico di fama mondiale scomparso recentemente - il 14 marzo 2018 -  nel 2013 si raccontò nel libro “Breve storia della mia vita” che ci dà la possibilità di scorgerne più da vicino e in modo autentico l’immagine di uomo e di grandissimo scienziato.

Nacque l’8 gennaio 1942 a Oxford, sebbene i genitori vivessero a Londra. 

Stephen Hawking nel 2012 all'iniziativa 'Breakthrough Starshot'
Stephen Hawking nel 2012 all'iniziativa 'Breakthrough Starshot' — Fonte: ansa

Entrambi i genitori, per quanto non provenissero da famiglie benestanti, studiarono a Oxford. Il padre si laureò in medicina e si dedicò alla ricerca nel settore delle malattie tropicali. L’impegno professionale del padre, e il continuo incoraggiare l’interesse del figlio per la scienza avranno un ruolo fondamentale per il futuro di Stephen

La famiglia Hawking viveva a Highgate, quartiere nella parte settentrionale di Londra abitato per lo più da esponenti del mondo scientifico e accademico. 

Diciotto mesi dopo Stephen Hawking, nacque la sorella Mary, e cinque anni dopo la sorella Philippa. A distanza di quattordici anni, i genitori adottarono Edward, diverso dagli altri tre ragazzi perché come definito dallo stesso Stephen “per nulla studioso e tanto meno intellettuale”.   

Nel 1950, in seguito al trasferimento del National Institute for Medical Research (dove lavorava il padre) a Mill Hill, la famiglia si trasferì nella più vicina a St. Albans.  

1.1La formazione e l’interesse nello studio dell’Universo

Stephen studiò alla Byron House School, un istituto molto avanzato per quei tempi che si discostava dai metodi di insegnamento più tradizionali.  

Il sistema scolastico nell’Inghilterra degli anni Cinquanta era caratterizzato da una fortissima gerarchia che si fondava su una netta distinzione tra scuole di tipo accademico e non, e inoltre (a livello delle scuole accademiche) su ulteriori suddivisioni in livelli di qualità decrescente da quello A a quello C. In base ai risultati Stephen Hawking fu posto nel gruppo di livello A della St Albans School. A tredici anni, su spinta del padre, cercò di entrare nella prestigiosa – e costosissima-  Westminster School.  

Non avendo ottenuto la borsa di studio, poiché malato al momento dell’esame, rimase alla St Albans School, frequentando un’ottima classe e ricevendo comunque una buona formazione. Per quanto, come ricorda lui stesso, i suoi elaborati non si distinguessero affatto, alcuni suoi compagni lo soprannominarono “Einstein perché “presumibilmente scorgevano segni di qualcosa di meglio”.   

Già a partire da quegli anni, iniziava ad affacciarsi in lui il forte interesse sull’origine dell’Universo ed è per questo che si avvicinò allo studio della fisica e dell’astronomia, materie che “davano la speranza di comprendere da dove veniamo e perché siamo qui”. Con la modestia che caratterizza solo i veri grandi, Stephen Hawking si esprimeva così: “Io volevo sondare le profondità dell’universo. Può darsi che ci sia riuscito in piccola misura, ma mi resta ancora moltissimo da apprendere”.   

All’ultimo biennio della scuola superiore Stephen Hawking mostrò l’interesse a specializzarsi in matematica e fisica. Questa prospettiva andava decisamente contro le aspettative del padre, a cui sarebbe piaciuto che facesse medicina. Stephen non mostrava però alcun interesse nei confronti delle discipline biologiche poiché troppo descrittive e non sufficientemente fondamentali.  

Nel marzo 1959, per quanto ancora giovanissimo, sostenne l’esame per una borsa di studio a Oxford – che vinse, entrando a fisica a soli 17 anni. Proprio per la giovane età i primi due anni soprattutto furono molto difficili per Stephen.  

Ottenne la laurea a pieni voti e dopo l’esame finale partì con il compagno John Elder per una lunga vacanza in Iran (il college offriva piccole sovvenzioni per i viaggi).  

Subito dopo la laurea, nell’ottobre del 1962 passò a Cambridge. Il settore in cui Stephen Hawking voleva fare ricerca era quello della cosmologia e fece quindi richiesta di lavorare con Fred Hoyle, il più grande astronomo britannico di quegli anni.  

1.2La malattia

Dopo il trasferimento a Cambridge, per Stephen Hawking divenne sempre più evidente la difficoltà nei movimenti che già osservava nel periodo trascorso a Oxford. Come raccontava lo stesso scienziato, nel corso dei tre anni a Oxford il suo impegno nello studio fu minimo.  

La diagnosi della malattia ai motoneuroni che arrivò qualche anno dopo, cambiò moltissimo il suo approccio in tal senso: “Quando si ha di fronte la possibilità di una morte prematura, ci si rende conto che la vita vale la pena di essere vissuta e che ci sono innumerevoli cose che si vogliono fare”.  

Poco dopo il suo ventunesimo compleanno fu sottoposto a diverse visite specialistiche e ricoverato. In seguito a tutto ciò, quello di Stephen fu definito come un caso atipico, e fu esclusa l’ipotesi di sclerosi multipla. Man mano arrivò la consapevolezza di avere una malattia incurabile e degenerativa, che gli avrebbe causato la progressiva paralisi dei muscoli anche se era imprevedibile la rapidità con cui ciò sarebbe successo. 

Paradossalmente, in seguito alla diagnosi di SLA (sclerosi laterale amiotrofica), si aprì per lo scienziato una fase molto produttiva e, se vogliamo, positiva. 

1.3Il matrimonio e i figli

In quello stesso periodo conobbe Jane Wilde, che gli resterà accanto per venticinque anni.  I due si sposarono nel 1965 ed ebbero tre figli: Robert, che nacque dopo due anni di matrimonio, Lucy, circa tre anni dopo e Tim, nel 1979. 

1.4Il trasferimento in California e la medaglia Pio XI

Nel 1974 – giovanissimo- fu eletto fellow della Royal Society. Dopo l’elezione l’amico Kip Thorne lo invitò al California Institute of Technology (Caltech), insieme ad alcuni altri colleghi che lavoravano sulla relatività generale. Si trasferì quindi in California con la famiglia e qui iniziò ad utilizzare per la prima volta una sedia a rotelle elettrica, che gli diede un considerevole livello di indipendenza.

Come racconterà lui stesso, subito dopo aver visto in televisione l’episodio di «The Ascent of Man» sul processo a Galileo da parte del Vaticano, venne a sapere che la Pontificia Accademia delle Scienze gli aveva assegnato la medaglia Pio XI: “In un primo momento ebbi l’impulso di rifiutarla con indignazione, ma poi dovetti ammettere che il Vaticano aveva sostanzialmente cambiato idea su Galileo”.  

Al termine della cerimonia di conferimento dell’onorificenza da parte di papa Paolo VI conobbe Paul Dirac, uno dei fondatori della teoria quantistica (fu proprio lui a fare all’accademia il nome Stephen per il conferimento della medaglia).  

1.5Il ritorno in Inghilterra

Stephen Hawking in un'immagine degli ultimi anni
Stephen Hawking in un'immagine degli ultimi anni — Fonte: ansa

Nel 1979, qualche tempo dopo il ritorno in Inghilterra, Stephen Hawking ottenne la cattedra lucasiana di matematica, posizione occupata in passato da Sir Isaac Newton e da Paul Dirac. Le sue condizioni di salute continuavano a peggiorare, causandogli anche prolungate crisi di soffocamento. Nel 1985, durante un viaggio al CERN (Organizzazione europea per la ricerca nucleare) in Svizzera, fu ricoverato per una polmonite e attaccato a un respiratore. La situazione era talmente grave che i dottori proposero di spegnere il respiratore. Jane si rifiutò e lo fece riportare con un’aeroambulanza all’Addenbrooke’s Hospital di Cambridge. Qui subì una tracheostomia, in seguito alla quale non riuscì più a parlare.   

In quegli anni, la moglie Jane iniziò ad avvicinarsi sempre di più a Jonathan Jones, un musicista e organista della chiesa locale. Per questo motivo, nel 1990 Stephen si trasferì in un altro appartamento con una delle sue infermiere, Elaine Mason, che sposò nel 1995 ma da cui divorziò nel 2007.  

Le condizioni di salute di Stephen Hawking si sono aggravate sempre di più, fino a rendere necessario l’utilizzo di un respiratore per ventiquattro ore al giorno. Tutto ciò non gli ha mai comunque impedito di continuare a lavorare brillantemente su quanto più nella vita avesse amato: “È stato bellissimo essere vivo e fare ricerca in fisica teorica. Sono felice se ho contribuito ad accrescere un poco la nostra comprensione dell’universo”.  

2I testi divulgativi di Stephen Hawking

Nonostante la complessità delle ricerche svolte, Stephen Hawking è stato uno degli scienziati più noti, che è stato in grado di arrivare anche al grande pubblico, non specializzato nel settore. I suoi libri divulgativi sono nati infatti dall’intento dello scienziato di spiegare, a quante più persone possibile, i notevoli progressi fatti dalla fisica nella comprensione dell’universo e “quanto, forse, eravamo vicini a trovare una teoria completa che descrivesse l’universo e tutto ciò che ne fa parte”.  

3Stephen Hawking e l’origine dell’Universo

Stephen e Lucy Hawking alla EE British Academy Film Awards 2015, Royal Opera House di Londra
Stephen e Lucy Hawking alla EE British Academy Film Awards 2015, Royal Opera House di Londra — Fonte: ansa

L’ipotesi fondamentale di tutte le teorie cosmologiche è rappresentata dall’espansione dell’universo: ogni galassia si sta progressivamente allontanando da ogni altra galassia.  

La teoria del Big Bang identifica la nascita dell’universo da una grande esplosione iniziale e Hawking ipotizzò che tale fenomeno derivasse da una singolarità iniziale dello spazio-tempo e che tale singolarità rappresenti una caratteristica di qualsiasi modello dell’universo in espansione.  

La cosmologia nei primi anni Sessanta cercava di capire se l’universo avesse avuto un inizio: molti scienziati non accettavano tale ipotesi (e quindi la teoria del big bang), perché un punto di creazione avrebbe comportato ammettere “un luogo in cui la scienza veniva meno”. Come alternativa veniva proposta la teoria dello stato stazionario, secondo cui “via via che l’universo si espandeva, nuova materia veniva creata di continuo per mantenere la densità costante in media”. Tale teoria fu confutata definitivamente nel 1965 con la scoperta di un debole fondo di radiazione a microonde che non poteva essere spiegata nell’ambito della teoria dello stato stazionario.

Penrose aveva dimostrato che una singolarità, ovvero un punto in cui spazio e tempo cessavano di esistere, si sarebbe creata dalla contrazione, fino a un certo valore del raggio, di una stella morente e aveva dimostrato la validità di tale teoria anche in presenza di piccole deviazioni dalla “sfericità”. 

“Di certo, pensai, sapevamo già che nulla poteva impedire a una stella massiccia fredda di collassare per effetto della propria gravità fino a raggiungere una singolarità di densità infinita”.   

Stephen Hawking applicò argomentazioni analoghe all’espansione dell’universo, dimostrando l’esistenza di singolarità in cui lo spazio-tempo aveva avuto inizio.  

4Stephen Hawking e lo studio dei buchi neri

Stephen Hawking durante il volo a gravità zero
Stephen Hawking durante il volo a gravità zero — Fonte: ansa

Il concetto di singolarità è importante anche nello studio dei buchi neri, la cui esistenza è stata dedotta dalla teoria della Relatività Generale e rappresenta uno dei concetti più affascinanti. Si tratta infatti di elementi materia-energia la cui massa, ottenuta per collasso gravitazionale della materia stellare, presenta una densità tanto elevata da attrarre ogni cosa, compresa la luce, entro una buia cavità dello spazio. Già nel 1783 un professore di Cambridge, John Michell, pubblicò un articolo relativo a quelle che chiamò «stelle oscure»

Nel 1939 Oppenheimer teorizzò ufficialmente l’esistenza dei buchi neri. Insieme ai suoi collaboratori dimostrò infatti che “una stella che avesse esaurito il proprio combustibile nucleare non potrebbe resistere alla gravità se la sua massa fosse maggiore di un certo limite, più o meno dell’ordine della massa del Sole. Stelle esaurite di massa superiore a tale limite collasserebbero su se stesse e formerebbero buchi neri contenenti singolarità di densità infinita”.  

In pratica, una stella di massa approssimabile a quella del Sole, in particolari condizioni collassa fino a diventare un corpo non più osservabile dalla Terra. La fase di collasso, una volta iniziata, continua ininterrottamente fino a coinvolgere ogni elemento di materia. Tutta la massa della stella si riduce e “scompare” in una specie di buco nello spazio in grado di inghiottire ogni cosa con la quale interagisce, persino la luce.  

Se teoricamente l’esistenza dei buchi neri è pienamente accettabile, non è semplice comprendere cosa accada concretamente alla materia che “scompare inghiottita all’interno di un buco nello spazio”. Lo studio sperimentale tali oggetti è difficile, come “cercare di scoprire un gatto nero che si sposta in uno sfondo altrettanto nero in cui non si vede nulla perché perfettamente scuro”.  

Stephen Hawking e altri hanno tentato di studiarli dal punto di vista teorico, cercando di determinarne il comportamento coerentemente con le previsioni della meccanica quantistica e della termodinamica. 

Durante la guerra gli studi di fisica erano prettamente focalizzati sul settore atomico e nucleare. Gli argomenti relativi al collasso gravitazionale e ai buchi neri tornarono in auge all’inizio degli anni Sessanta con la scoperta dei quasar. Il lavoro sui buchi neri condotto da Hawking e collaboratori quali Jim Bardeen e Brandon Carter iniziò nel 1970 e culminò con la dimostrazione del teorema “secondo il quale un buco nero si assesterebbe in uno stato caratterizzato da due soli numeri, la massa e la rotazione”.  

Forse il risultato più straordinario dei lavori di Hawking sui buchi neri è la previsione che un buco nero evapori.  

“Qualunque oggetto materiale cadesse in un buco nero sarebbe distrutto nella singolarità, e solo l'effetto gravitazionale della sua massa continuerebbe a essere avvertibile all'esterno. D'altra parte, qualora si tenesse conto di effetti quantistici, sembrerebbe che la massa o energia dell'oggetto materiale dovrebbero essere infine restituite al resto dell'universo, e che il buco nero, assieme a ogni singolarità eventualmente contenuta in esso, dovrebbe evaporare e infine sparire completamente”. 

Dai suoi calcoli Hawking dedusse che fosse possibile avere un’emissione da parte del buco nero. La così detta radiazione di Hawking comporta dunque un trasferimento di energia e la perdita di massa e contrazione del buco nero che, alla fine, “evaporerà completamente e scomparirà”. 

“[…] che l’informazione vada perduta è incompatibile con la meccanica quantistica. 

Questo paradosso era stato discusso per trent’anni, senza che si facessero grandi progressi, finché scoprii quella che credo ne sia la soluzione. L’informazione non va perduta, ma non viene restituita in modo utile. È come bruciare un’enciclopedia: l’informazione in essa contenuta, in senso tecnico, non va perduta, se si raccolgono tutto il fumo e tutta la cenere, ma è molto difficile da leggere”.  

5La teoria del tutto

Stephen Hawking con Eddie Redmayne, che ha interpretato lo scienziato nel film La teoria del tutto
Stephen Hawking con Eddie Redmayne, che ha interpretato lo scienziato nel film La teoria del tutto — Fonte: ansa

Citazioni tratte da: “Dal Big Bang ai buchi neri”  

L’espressione La teoria del tutto nasce dal lavoro di scienziati, tra cui appunto Stephen Hawking, fondato sull’ipotesi di poter formulare una teoria fisica generale e unificata, in grado di comprendere cioè tutto quanto presente nell’Universo.  

“Oggi noi desideriamo ancora sapere perché siamo qui e da dove veniamo. Il profondissimo desiderio di conoscenza dell'uomo è una giustificazione sufficiente per il persistere della nostra ricerca. E il nostro obiettivo non è niente di meno di una descrizione completa dell’universo in cui viviamo”.
 

Lo scopo di Stephen Hawking era quello di pervenire ad una teoria che includesse coerentemente tutte le altre, formulate nel tempo e in grado di descrivere determinati fenomeni in modo parziale (ad esempio la gravità). 

Questo settore, inteso in qualche modo all’ “unificazione della fisica”, rientra pienamente nell’ambito della fisica contemporanea e permetterebbe di calcolare qualsiasi processo naturale e di prevedere dettagliatamente l’evoluzione dell’Universo. 

Lo sforzo di Hawking era teso, in particolare, ad unificare le due teorie fondamentali parziali attraverso cui viene descritto l’Universo: la teoria generale della relatività e la meccanica quantistica. La prima descrive la forza di gravità e la struttura dell’universo su scale molto grandi, mentre la seconda si occupa di fenomeni su scale estremamente piccole. Il principio di indeterminazione, su cui si fonda la meccanica quantistica, è attualmente considerato un ingrediente fondamentale dell’universo in cui viviamo: è pertanto necessario che sia incorporato nella teoria unificata.  

Lo scienziato delineava poi il paradosso fondamentale che era alla base della ricerca di una teoria unificata: “[..] noi potremmo progredire sino ad approssimarci sempre più alle leggi che governano il nostro universo. Ma, se esistesse in realtà una teoria unificata completa, essa dovrebbe presumibilmente determinare anche le nostre azioni. In tal modo sarebbe la teoria stessa a determinare l’esito della nostra ricerca di una tale teoria!”.

Le leggi della scienza, quali le conosciamo oggi, contengono molti numeri fondamentali, come la grandezza della carica elettrica dell’elettrone e il rapporto della massa del protone a quella dell’elettrone. Noi non possiamo, almeno per il momento, predire il valore di questi numeri dalla teoria, ma dobbiamo trovarlo attraverso l’osservazione. Forse un giorno scopriremo una teoria unificata completa in grado di predirli tutti, ma può anche darsi che alcuni o tutti varino da un universo all’altro o all’interno di un singolo universo.

Il fatto degno di nota è che i valori di questi numeri sembrano essere stati esattamente coordinati per rendere possibile lo sviluppo della vita. Per esempio, se la carica elettrica dell’elettrone fosse stata solo lievemente diversa, le stelle o sarebbero incapaci di bruciare idrogeno ed elio o non potrebbero esplodere. Ovviamente potrebbero esserci forme diverse di vita intelligente, non sognate neppure dagli scrittori di fantascienza, che non richiedano la luce di una stella come il Sole o gli elementi chimici più pesanti dell'idrogeno e dell'elio che si formano all’interno delle stelle e che vengono disseminati nello spazio interstellare dalle esplosioni di supernove”. 

Relativamente alla possibilità di arrivare ad una teoria unificata lo scienziato prospettava tre possibilità: 

  • L’esistenza di una teoria unificata completa
  • L’esistenza di una sequenza infinita di teorie che descrivono l’universo ma non di una teoria definitiva dell’universo
  • La casualità e l’arbitrarietà nel verificarsi degli eventi, che non possono essere predetti al di là di una certa misura

“Ma quand’anche ci fosse una sola teoria unificata possibile, essa sarebbe solo un insieme di regole e di equazioni. Che cos’è che infonde vita nelle equazioni e che costruisce un universo che possa essere descritto da esse? L’approccio consueto della scienza, consistente nel costruire un modello matematico, non può rispondere alle domande del perché dovrebbe esserci un universo reale descrivibile da quel modello. Perché l’universo si dà la pena di esistere?  

La teoria unificata è così cogente da determinare la sua propria esistenza? Oppure ha bisogno di un creatore e, in tal caso, questi ha un qualche altro effetto sull'universo? E chi ha creato il creatore? Fino a oggi la maggior parte degli scienziati sono stati troppo occupati nello sviluppo di nuove teorie che descrivono che cosa sia l'universo per porsi la domanda perché? D’altra parte, gli individui professionalmente qualificati a chiedersi sempre perché, essendo filosofi, non sono riusciti a tenere il passo col progresso delle teorie scientifiche”.  

6I riconoscimenti a Stephen Hawking

Per i suoi contributi nel campo dell'astrofisica ha ottenuto diversi riconoscimenti, come il Premio Adams (1966), la Medaglia Eddington della Royal Society e la Medaglia Pio XI dell'Accademia Pontificia delle Scienze (1975), la Medaglia Paul Dirac (1987).  

Stephen Hawking allo Starmus Festival di Arona, Tenerife, nel 2016
Stephen Hawking allo Starmus Festival di Arona, Tenerife, nel 2016 — Fonte: ansa

“Quando avevo ventun anni e contrassi la SLA (sclerosi laterale amiotrofica) mi sembrava che fosse una grande ingiustizia. Perché questo doveva toccare a me? All’epoca pensavo che la mia vita fosse finita e che non avrei mai realizzato il potenziale che sentivo di avere. Ma adesso, a distanza di cinquant’anni, posso essere tranquillamente soddisfatto della mia vita. Sono stato sposato due volte e ho tre figli meravigliosi e affermati. Ho avuto successo nella mia carriera scientifica: credo che la maggior parte dei fisici teorici converrebbe che la mia predizione dell’emissione quantistica da parte dei buchi neri sia corretta, sebbene non mi abbia finora procurato un premio Nobel perché è molto difficile da verificare sperimentalmente. D’altra parte, ho vinto l’ancor più apprezzato premio per la Fisica fondamentale, assegnato per il significato teorico della scoperta, nonostante non sia stata confermata dall’esperimento”.  

La disabilità non ha costituito un grave handicap nel mio lavoro scientifico. Anzi, per certi aspetti suppongo sia stata un vantaggio: non ho dovuto fare lezione e occuparmi degli studenti, e non ho dovuto perdere tempo in tediose commissioni. Così ho potuto dedicarmi completamente alla ricerca. Per i miei colleghi sono semplicemente un fisico come un altro, ma per il pubblico più vasto sono forse diventato lo scienziato più famoso del mondo. […] Ho avuto una vita piena e soddisfacente. […]

Ho viaggiato molto. Ho visitato l’Unione Sovietica sette volte. […]. Sono stato anche sei volte in Giappone, tre volte in Cina, e in ogni continente, Antartide compresa, eccetto l’Australia. Ho conosciuto i presidenti della Corea del Sud, della Cina, dell’India, dell’Irlanda, del Cile e degli Stati Uniti. Ho tenuto conferenze nella Grande Sala del Popolo a Pechino e alla Casa Bianca. Sono stato sotto la superficie del mare a bordo di un sottomarino, in mongolfiera e su un volo a gravità zero, e ho una prenotazione per andare nello spazio con la Virgin Galactic”.  

Per quanto difficile possa essere la vita, c'è sempre qualcosa che è possibile fare. Guardate le stelle invece dei vostri piedi.

Stephen Hawking