La tesi di dottorato di forse lo scienziato vivente più famoso del mondo, Professor Stephen Hawking, è stato recentemente reso pubblicamente disponibile online. Si è dimostrato così popolare che, secondo quanto riferito, la richiesta di leggerlo ha causato l'arresto anomalo del sito Web host quando è stato inizialmente caricato.

Ma data la complessità dell'argomento - "Proprietà degli universi in espansione" - e il fatto che il libro di Hawking A Brief History of Time è anche conosciuto come il libro più non letto di tutti i tempi, potresti trarre vantaggio da un riepilogo del suo risultato principale.

La tesi tratta diversi argomenti, compresa la radiazione gravitazionale scoperta di recente, ma il capitolo finale è la parte che molti fisici considerano la più significativa. Si tratta della nascita dell'universo stesso, ed è semplicemente intitolato "Singolarità".

Teorie della creazione

Il principale risultato della tesi di Hawking è stato quello di dimostrare in modo efficace che la teoria del Big Bang di come l'universo è iniziato da un singolo punto era fisicamente possibile. Non era solo una seccatura matematica scaturita dalle equazioni che i fisici avevano sviluppato per descrivere la possibile evoluzione del cosmo.

Il concetto che l'universo sia iniziato un tempo finito fa in un Big Bang è ora un fatto scientifico accettato, eppure rimane un'idea stupefacente. Immagina:tutta la materia nel tuo corpo una volta era – in una forma o nell'altra – compressa nello stesso minuscolo volume della galassia più lontana e tutto il resto. Circa 14 miliardi di anni fa, questo punto si espanse rapidamente per creare spazio e tempo. Continua ad espandersi oggi.

Al tempo del dottorato di ricerca di Hawking negli anni '60, gli scienziati stavano ancora discutendo sull'idea. Un'alternativa popolare al Big Bang era il modello dello stato stazionario. I fautori del modello dello stato stazionario erano a disagio con un universo di età finita che iniziava in questo modo. Infatti, il moniker "Big Bang" è stato coniato come termine derisorio dal campione dello Steady State Fred Hoyle. Per capire come Hawking ha mostrato che era davvero possibile, abbiamo bisogno di un po' di fisica di base.

Spaziotempo e singolarità

All'inizio del XX secolo, Albert Einstein ha rivoluzionato la nostra comprensione della gravità attraverso la sua teoria della relatività generale. Einstein dimostrò che possiamo pensare alla gravità come alla curvatura dello spaziotempo, causati dalla presenza di massa o energia.

Lo spaziotempo è un modo di pensare alla struttura dell'universo che combina lo spazio tridimensionale e il tempo unidimensionale. Tutti gli oggetti esistono e tutti gli eventi accadono da qualche parte nello spaziotempo. Ma è difficile da immaginare per la maggior parte delle persone perché, sebbene possiamo muoverci liberamente nello spazio tridimensionale, non possiamo viaggiare dove ci piace nel tempo. È un po' come essere un insetto intrappolato sulla superficie di uno stagno. Può muoversi solo in due dimensioni, nonostante ci sia un'altra dimensione spaziale da esplorare.

La relatività generale esprime come lo spazio e il tempo sono collegati. Nella sua teoria, Einstein descrisse elegantemente come la curvatura dello spaziotempo sia correlata alla densità di massa ed energia nelle sue "equazioni di campo".

Dopo che queste equazioni sono state pubblicate, altri scienziati li hanno usati per esplorare cosa succede allo spaziotempo in diverse situazioni fisiche. Nel caso di oggetti in cui tutta la materia è concentrata in un unico punto, le equazioni di campo prevedono qualcosa di insolito:la curvatura dello spaziotempo diventa così estrema che nemmeno la luce può sfuggire. Oggi sappiamo che questi oggetti esistono effettivamente come buchi neri, e da allora abbiamo trovato prove per loro nello spazio.

Queste situazioni in cui le soluzioni delle equazioni diventano infinite sono chiamate "singolarità". Il capitolo finale della tesi di Hawking ha esplorato questa idea di singolarità, non per lo spaziotempo intorno ai buchi neri, ma per l'intero universo.

Dai buchi neri al Big Bang

In cosmologia, un principio centrale è che lo spazio deve, in media, essere omogeneo e isotropo. In altre parole, su larga scala, i contenuti dell'universo devono essere distribuiti in modo abbastanza uniforme e avere lo stesso aspetto in ogni direzione.

La soluzione più semplice delle equazioni di campo di Einstein che soddisfa queste condizioni è chiamata "metrica di Robertson-Walker", prende il nome dagli scienziati coinvolti nel suo sviluppo. La metrica è semplicemente il termine che usiamo per descrivere l'intervallo tra due eventi nello spaziotempo.

È importante sottolineare che la soluzione Robertson-Walker consente alla parte spaziale della metrica di cambiare nel tempo. Ciò significa che può descrivere un universo in cui lo spazio stesso si sta espandendo. Edwin Hubble ha trovato prove che l'universo si sta realmente espandendo negli anni '20, mostrando che altre galassie si stanno allontanando da noi.

La metrica di Robertson-Walker e le equazioni di campo ci permettono di descrivere questa espansione in termini di quello che i cosmologi chiamano il "fattore di scala", descrive quanto spazio si è espanso o contratto tra un particolare punto nel tempo e il presente.

Se l'universo si espande, avrebbe dovuto essere più piccolo e più denso in passato. Porta indietro l'orologio abbastanza lontano e il fattore di scala dovrebbe andare a zero. Tutta la materia e l'energia dell'universo devono essere state contenute in un unico punto con densità infinita:una singolarità cosmologica. Questa è la base del modello del Big Bang, un po' come un buco nero al contrario.

Rottamazione dello stato stazionario

Il modello dello stato stazionario ha cercato di eliminare la singolarità cosmologica, che molti sostenevano non fosse plausibile. Le singolarità erano viste come carenze delle previsioni della relatività generale e non in linea con le leggi fisiche conosciute.

Nel modello dello stato stazionario, l'universo è eterno e non ha affatto un inizio. La sua apparente espansione può essere spiegata aggiungendo un "campo di creazione" o C-field alle equazioni di Einstein che significherebbe che la materia viene continuamente creata nello spazio tra le galassie mentre si allontanano.

Ma nel capitolo finale della sua tesi di dottorato, Hawking ha sostenuto che l'idea di un campo C è venuta con una propria serie di problemi e che il modello giusto ha coinvolto la soluzione di Robertson-Walker che descrive una singolarità iniziale.

Quello che ha fatto dopo è stato quello che molti considerano rivoluzionario. Basandosi sul lavoro del collega fisico britannico Roger Penrose, Hawking ha dimostrato matematicamente che le singolarità non erano un difetto della teoria, ma caratteristiche attese della natura. Dimostrò efficacemente che la relatività generale consentiva un universo che iniziava in una singolarità.

Mezzo secolo dopo, le prove osservative per lo scenario della creazione del Big Bang sono schiaccianti e il modello dello stato stazionario è stato a lungo abbandonato. Hawking ha continuato a dare ulteriori contributi monumentali alla cosmologia e alla fisica teorica. La lettura della tesi di Hawking è uno spaccato di una mente eccezionalmente creativa e i primi passi della scoperta in quello che è stato un notevole viaggio scientifico.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.