La Teoria del Tutto - Riassunto - Stephen Hawking

L'origine e il destino dell'universo

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La teoria del tutto di Stephen Hawking offre un'esplorazione concisa ma profonda dei misteri dell'universo, dal Big Bang ai buchi neri: le risposte contenute in queste pagine potrebbero ridefinire la nostra stessa esistenza?

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La prospettiva di Stephen Hawking

Stephen Hawking è stato considerato uno dei più brillanti fisici teorici della storia. Dal Big Bang ai buchi neri, il suo lavoro sulle origini e sulla struttura dell'universo ha rivoluzionato il campo. Hawking è nato a Oxford da una famiglia di medici. Ha iniziato la sua formazione universitaria all'University College di Oxford nel 1959. Ha conseguito una laurea di primo livello in fisica. Hawking ha iniziato la sua formazione universitaria alla Trinity Hall di Cambridge nel 1962. Ha conseguito il dottorato di ricerca in matematica applicata e fisica teorica, specializzandosi in relatività generale e cosmologia, nel marzo 1966. Come Isaac Newton, è stato professore lucasiano di matematica all'Università di Cambridge tra il 1979 e il 2009. All'età di 21 anni, mentre studiava cosmologia all'Università di Cambridge, gli fu diagnosticata la sclerosi laterale amiotrofica (SLA). Parte della sua vita è stata raccontata nel film del 2014 La teoria del tutto.

Introduzione

La teoria del tutto è una serie di conferenze tenute da Stephen Hawking. L'obiettivo di queste conferenze è quello di delineare ciò che gli scienziati credono sia la storia dell'universo. Di conseguenza, egli offre una storia della comprensione dell'universo da parte della scienza. Inoltre, spiega chiaramente gli eventi che si sono svolti immediatamente dopo il Big Bang. Hawking copre anche il campo cosmologico per il quale è più famoso: lo studio dei buchi neri.

StoryShot #1: Le quattro idee originali sull'universo

Aristotele

Aristotele considerò l'idea di una Terra rotonda già nel 340 a.C. Nel suo libro Sui cieli, scrisse di due teorie che suggerivano che la Terra fosse sferica. In primo luogo, aveva osservato che la Terra, trovandosi tra il Sole e la Luna, causava le eclissi di luna. Poiché l'ombra della Terra sulla Luna era sempre rotonda, questo suggeriva che la Terra fosse rotonda. Aristotele imparò dai suoi viaggi che la stella polare è più bassa nel cielo quando la si guarda a sud. Di nuovo, questo suggerirebbe che la Terra è sferica piuttosto che a forma di disco. Anche se le conclusioni di Aristotele erano corrette, le sue teorie erano ancora imperfette. Per esempio, credeva che la Terra fosse ferma e che il Sole, la Luna, i pianeti e le stelle avessero orbite circolari intorno alla Terra. 

Tolomeo

Tolomeo costruì su queste idee nel primo secolo dopo Cristo. Creò un modello cosmologico completo con la Terra al centro. Otto sfere che portavano la Luna, il Sole, le stelle e cinque pianeti circondavano la Terra. I cinque pianeti conosciuti erano Mercurio, Venere, Marte, Giove e Saturno. Anche in questo caso, Tolomeo commise evidenti errori nella sua teoria. Tuttavia, sviluppò le idee di Aristotele e fornì un sistema ragionevolmente accurato per prevedere le posizioni delle strutture visibili di notte. La Chiesa cristiana accettò generalmente questa teoria, in parte perché poneva la Terra al centro dell'universo. 

Copernico

Nel 1514, Nicola Copernico propose un modello molto più semplice dell'universo. Copernico era un prete polacco. Pubblicò il suo modello in forma anonima per paura di essere accusato di eresia. Copernico sosteneva che il Sole era fermo al centro dell'universo. La Terra e i pianeti si muovevano in orbite circolari intorno al Sole. Nessuno prese seriamente questa idea fino a circa 100 anni dopo. A questo punto, Johannes Kepler e Galileo Galilei iniziarono a sostenere pubblicamente questa teoria. Il telescopio recentemente inventato supportò la visione di Copernico che la Terra non era il centro dell'universo. Galileo osservò che diverse lune orbitano intorno a Giove. Questo implicava che non era necessario che tutti i corpi celesti orbitassero intorno alla Terra. Alcuni però negavano ancora che la Terra non fosse il centro dell'universo. Essi affermavano che le lune di Giove si muovevano su percorsi estremamente complicati intorno alla Terra, suggerendo che orbitassero intorno a Giove. 

Newton

Nel 1687, Newton pubblicò il suo Principi matematici di filosofia naturaley. Hawking lo descrive come probabilmente il lavoro più cruciale mai pubblicato nelle scienze fisiche. In questo libro, Newton propose una teoria su come i corpi si muovono nello spazio e nel tempo. Questa teoria spiegava anche una nuova idea di gravitazione universale. Newton suggerì che ogni corpo celeste nell'universo era attratto da ogni altro corpo. Più grande è il corpo, più forte è l'attrazione gravitazionale. Newton continuò a mostrare che la gravità fa muovere la Luna in un'orbita ellittica intorno alla Terra. Allo stesso modo, la gravità fa sì che la Terra e i pianeti seguano percorsi ellittici intorno al Sole.

Nonostante questi progressi, prima del ventesimo secolo non c'era ancora alcun accenno ad un universo in espansione o in contrazione. Era generalmente accettato che l'universo esistesse per sempre in uno stato stabile o che fosse stato creato in un tempo finito nel passato. Tuttavia, diversi accademici misero in dubbio la possibilità di un universo infinito e statico. Per esempio, Heinrich Olbers sostenne che quasi ogni linea o lato finirebbe sulla superficie di una stella in un universo infinito e statico. Di conseguenza, ci si aspetterebbe che l'intero cielo sia luminoso come il Sole, anche di notte. L'unico modo per evitare questa conclusione sarebbe se le stelle non brillassero per sempre. Per esempio, potrebbero essersi accese in qualche momento finito del passato.

StoryShot #2: L'universo in espansione

Galassie multiple

Il nostro Sole e le stelle vicine fanno tutte parte della Via Lattea. Per molto tempo, c'è stato un consenso sul fatto che la Via Lattea fosse l'intero universo. Tuttavia, nel 1925, Edwin Hubble dimostrò che la Via Lattea non era l'unica galassia. Trovò molte altre galassie con grandi quantità di spazio tra di loro. Per dimostrare la legittimità della sua teoria, doveva identificare quanto fossero estesi questi spazi vuoti. 

Un modo per identificare direttamente la distanza di una stella dalla Terra è basato sulla luminosità. La luminosità di una stella si basa sulla luminosità della stella e sulla sua distanza. Quindi, se possiamo identificare la luminosità di una stella, possiamo usare la luminosità apparente per calcolare le distanze. Hubble sosteneva che certe stelle avevano sempre la stessa luminosità quando erano abbastanza vicine da poter essere misurate. Se trovassimo queste stelle in un'altra galassia, potremmo supporre che abbiano la stessa luminosità. Così, potremmo calcolare la distanza di quella galassia. Potremmo essere ragionevolmente sicuri che la nostra stima sia accurata se molte stelle nella stessa galassia dessero la stessa distanza. Hubble ha calcolato le distanze di nove galassie in questo modo. Ora sappiamo che la nostra galassia è solo una delle centomila milioni che i moderni telescopi possono osservare. Ci sono circa centomila milioni di stelle all'interno di ogni galassia. 

Universo in espansione

Hubble identificò che le galassie che osservava apparivano tutte spostate verso il rosso. Il redshift è un concetto chiave per gli astronomi. Possiamo capirlo letteralmente: La lunghezza d'onda della luce viene allungata, quindi la luce viene vista come spostata verso la parte rossa dello spettro. Questo significa che ognuna di queste galassie si sta allontanando da noi. Inoltre, la velocità con cui ogni galassia si allontana da noi dipende dalla sua distanza. Più una galassia era lontana, più velocemente si allontanava da noi. Hawking descrive questa scoperta come una delle tremende rivelazioni intellettuali del ventesimo secolo. 

Costruire sulla relatività generale e le equazioni di Friedmann

Alexander Friedmann, un fisico e matematico sovietico, ha sviluppato modelli di relatività generale per rendere conto dell'ipotesi dell'universo in espansione.

Friedmann ha dimostrato che l'universo si sta espandendo così lentamente che l'attrazione gravitazionale tra le diverse galassie sta rallentando l'espansione dell'universo. Di conseguenza, l'espansione potrebbe fermarsi. Quindi, le galassie cominceranno a muoversi l'una verso l'altra mentre l'universo si contrae. 

Friedmann ha anche suggerito che l'universo potrebbe espandersi così rapidamente che l'attrazione gravitazionale non fermerà questa espansione. Potrebbe rallentare un po', ma le galassie alla fine raggiungeranno uno stato in cui si allontanano a una velocità costante. 

Infine, Friedmann ha offerto una soluzione per cui l'universo si sta espandendo abbastanza velocemente da evitare la contrazione. Con questa soluzione, la velocità con cui le galassie si allontanano diventerà più piccola. Non raggiungerà mai lo zero, ma raggiungerà uno stadio in cui il movimento è praticamente nullo.

Attualmente conosciamo l'espansione delle galassie perché l'universo si espande tra il cinque e il dieci per cento ogni mille milioni di anni. Tuttavia, non siamo sicuri di quale delle soluzioni di Friedmann sia corretta, poiché non siamo sicuri della massa delle galassie. È difficile identificare la massa delle galassie, poiché la materia oscura è presente in tutte le galassie. La materia oscura è composta da particelle che non assorbono, riflettono o emettono luce, quindi non possono essere rilevate osservando la radiazione elettromagnetica. Non possiamo vedere la materia oscura direttamente. Sappiamo che la materia oscura esiste a causa del suo effetto sugli oggetti che possiamo osservare direttamente. Allo stesso modo, non possiamo identificare facilmente la massa della materia oscura.

Il Big Bang 

Le soluzioni di Friedmann affermano che la distanza tra galassie vicine deve essere stata zero tra dieci e ventimila milioni di anni fa. In quel momento, che chiamiamo big bang, la densità dell'universo e la curvatura dello spazio-tempo sarebbero state infinite. Ciò significa che la teoria generale della relatività prevede un punto singolare nell'universo.

Il problema con un punto singolare nell'universo è che questo sostiene una prospettiva biblica. Pertanto, la Chiesa ha adottato il Big Bang come un intervento divino. Così, ci sono stati diversi tentativi di evitare la conclusione del Big Bang. L'alternativa era una teoria dello stato stazionario. La teoria dello stato stazionario fu suggerita nel 1948 e sosteneva che le galassie si allontanano le une dalle altre. Tuttavia, nuove galassie si stavano continuamente formando negli interstizi. Queste nuove galassie sono formate da nuova materia che viene costantemente creata. Quindi, l'universo sembra più o meno lo stesso in ogni momento e in ogni punto dello spazio.

StoryShot #3: Il concetto di buchi neri

Il termine "buco nero" è relativamente recente. È stato coniato nel 1969 da John Wheeler, ma ha almeno duecento anni come concetto. Due secoli fa, c'erano due teorie della luce. Una sosteneva che la luce è composta da particelle. L'altra teoria sosteneva che la luce è composta da onde. In realtà, entrambe queste teorie sono corrette. Coloro che credevano nella teoria delle particelle sostenevano che questo potesse avere un impatto sulla nostra comprensione delle stelle. Pensavano che le stelle fossero abbastanza massicce e compatte perché la loro gravità trascinasse indietro qualsiasi luce emessa dalla superficie della stella. La stella potrebbe non emettere luce abbastanza lontano da permetterci di osservarla, ma avremmo comunque sentito la sua attrazione gravitazionale. Oggi conosciamo queste stelle come buchi neri. 

Il ciclo di vita di una stella

Per capire la formazione dei buchi neri, dobbiamo capire il ciclo di vita di una stella. Le stelle si formano quando grandi quantità di idrogeno collassano su se stesse a causa della gravità. La contrazione porta il gas a scontrarsi più frequentemente. Man mano che il gas si muove a velocità più elevate, si riscalda. Quando le stelle raggiungono una temperatura critica, gli atomi di idrogeno smettono di rimbalzare l'uno contro l'altro. Invece, si fondono, formando atomi di elio. Il calore di una stella è ciò che la fa brillare, e continuerà a bruciare finché non esaurisce il combustibile (cioè l'idrogeno). 

Più combustibile inizia una stella, prima si esaurisce. Questo è dovuto alla dimensione della stella, che richiede più calore per bilanciare la sua attrazione gravitazionale. Calori più elevati richiedono più idrogeno. Il nostro Sole ha probabilmente abbastanza energia per altri cinquemila milioni di anni circa.

Il limite di Chandrasekhar

Subrahmanyan Chandrasekhar, un astrofisico indiano-americano, ha usato la teoria della relatività per mostrare come le differenze di velocità delle particelle stellari sono limitate. Le particelle non possono muoversi più velocemente della velocità della luce.

Uno stabile nana bianca La stella ha una massa massima. Quando raggiunge questa massa, l'attrazione della gravità è così forte che la fa collassare su se stessa. Il limite di Chandrasekhar è circa 1,4 volte la massa del nostro Sole. 

Un altro potenziale stato di stelle è il neutrone stato di stella. Queste stelle sono molto più piccole di una nana bianca. Sono sostenute dalla repulsione di esclusione tra neutroni e protoni, in contrasto con la solita relazione tra elettroni. Queste stelle di neutroni hanno solo un raggio di circa dieci miglia. 

Infine, le stelle che superano il limite possono esplodere quando il loro carburante si esaurisce. Molti scienziati, incluso Einstein, scrissero articoli che spiegavano come questo fosse impossibile. Nonostante queste obiezioni, Chandrasekhar ricevette il premio Nobel nel 1983 per i suoi primi lavori sulla massa limite delle stelle fredde. 

Schema della formazione dei buchi neri

1. Il campo gravitazionale della stella cambia i percorsi dei raggi di luce nello spazio-tempo.
2. I coni di luce mostrano i percorsi seguiti nello spazio e nel tempo dai lampi di luce. Si piegano verso l'interno vicino alla superficie della stella.
3. Man mano che la stella si contrae, il campo gravitazionale diventa più forte sulla sua superficie. I coni di luce si piegano di più.
4. Questa piegatura rende più difficile alla luce della stella di sfuggire. Come risultato, la luce appare più fioca e più rossa agli osservatori. 
5. Quando si è verificato un restringimento sufficiente, il campo gravitazionale in superficie è così forte che la luce non può più sfuggire. 
6. Niente può viaggiare più veloce della luce, quindi niente può sfuggire a questo campo gravitazionale.

Questo confine dei buchi neri forma l'orizzonte degli eventi. Coincide con i percorsi dei raggi di luce che non riescono a sfuggire al buco nero.

Le scoperte di Hawking

"Il lavoro che io e Roger Penrose abbiamo fatto tra il 1965 e il 1970 ha dimostrato che, secondo la relatività generale, ci deve essere una singolarità di densità infinita all'interno del buco nero. Questo è un po' come il big bang all'inizio del tempo, solo che sarebbe la fine del tempo per il corpo che collassa e per l'astronauta. Alla singolarità, le leggi della scienza e la nostra capacità di prevedere il futuro verrebbero meno. Tuttavia, qualsiasi osservatore rimasto fuori dal buco nero non sarebbe influenzato da questo fallimento della prevedibilità, perché né la luce né qualsiasi altro segnale può raggiungerli dalla singolarità".

- Stephen Hawking, La teoria del tutto

Questa citazione suggerisce che ci sono soluzioni alla relatività generale. Un astronauta potrebbe vedere una singolarità, permettendo loro di evitare di colpirla. Potrebbero cadere attraverso il wormhole, trasportandoli in un'altra regione dell'universo sotto forma di viaggio nello spazio e nel tempo. Tuttavia, Hawking ammette che queste soluzioni all'equazione della relatività generale sono instabili. La presenza di un astronauta potrebbe causare un disturbo che cambierebbe il risultato. Inoltre, potrebbero non vedere la singolarità finché non la colpiscono, e allora morirebbero. La singolarità si trova sempre nel loro futuro e mai nel loro passato.

I buchi neri sono esempi di teorie scientifiche sviluppate come modelli matematici prima di qualsiasi prova osservativa. 

Altri termini notevoli

Quasar: Un quasar è un nucleo galattico attivo (AGN) estremamente luminoso. Un buco nero supermassiccio con una massa che va da milioni a miliardi di volte la massa del Sole. Un disco di accrescimento gassoso lo circonda.

Pulsar: Una pulsar è una stella di neutroni in rotazione. Emette impulsi di onde radio a causa dell'indirezione tra i suoi campi magnetici e la materia circostante. 

StoryShot #4: L'origine e il destino dell'universo

Negli anni '80, il Vaticano invitò Hawking a una conferenza sulla cosmologia. La Chiesa cattolica aveva imparato dalla sua messa a tacere di Galileo che non doveva impedire le scoperte scientifiche. Quindi, decisero che un approccio migliore sarebbe stato quello di invitare molti esperti per consigliarli sulla cosmologia. Il Papa disse a Stephen Hawking che non doveva studiare il big bang nonostante questo. Il Papa vedeva il big bang come il momento della creazione. Hawking non volle ascoltare questa richiesta. 

Il modello del Big Bang caldo

• Questo modello presuppone che il modello di Friedmann descriva l'universo.
• L'universo si sta espandendo, riducendo la temperatura della materia e della radiazione. La temperatura è una misura dell'energia media delle particelle. Quindi, ad alte temperature, le particelle si muovono così velocemente che non sono attratte l'una dall'altra. Tuttavia, quando si raffreddano, le particelle iniziano a raggrupparsi.
• Il big bang è avvenuto quando l'universo non aveva dimensioni, il che significa che doveva essere infinitamente caldo. Man mano che l'universo si espandeva, la temperatura della radiazione sarebbe diminuita.
• Nonostante questo, il big bang sarebbe avvenuto a circa diecimila milioni di gradi. Questa è la temperatura delle esplosioni delle bombe H.
• Il mondo era composto da fotoni, elettroni, neutrini e alcuni protoni e neutroni.
• L'universo ha continuato ad espandersi e la temperatura è scesa. Il tasso di produzione di coppie di elettroni sarebbe sceso al di sotto del tasso al quale l'annichilazione li distruggeva.
• Dopo cento secondi, la temperatura sarebbe scesa a mille milioni di gradi. Questa è la temperatura delle stelle più calde. A questa temperatura, protoni e neutroni non avrebbero l'energia per sfuggire alla forte attrazione delle forze nucleari.
• Questi protoni e neutroni si combinarono. Hanno prodotto i nuclei di atomi di idrogeno ed elio pesanti e piccole quantità di elementi come il litio e il berillio. 
• Entro poche ore dal big bang, la produzione di elio e di altri elementi si sarebbe fermata. Per il successivo milione di anni circa, l'universo ha continuato ad espandersi.
• Alla fine, la temperatura scese a poche migliaia di gradi. Gli elettroni e i nuclei non erano più in grado di superare la loro attrazione elettromagnetica. Avrebbero iniziato a combinarsi per formare atomi.
• L'universo continuò ad espandersi e a raffreddarsi. Le aree leggermente più dense furono rallentate da un'attrazione gravitazionale extra. Questa attrazione fermò l'espansione e portò ad una ricaduta. L'attrazione gravitazionale della materia al di fuori di queste regioni fece ruotare gli atomi mentre collassavano.
• Man mano che le aree che collassano diventano ancora più piccole, iniziano a girare più velocemente. Alla fine, girano abbastanza velocemente da bilanciare l'attrazione della gravità. Questa è una possibile spiegazione dell'inizio delle galassie rotanti simili a dischi che vediamo oggi.

StoryShot #5: Cos'è la teoria del tutto?

"Se scopriamo una teoria completa, col tempo dovrebbe essere comprensibile in linea di massima da tutti, non solo da pochi scienziati. Allora saremo tutti in grado di partecipare alla discussione sul perché l'universo esiste. Se trovassimo la risposta a questo, sarebbe il trionfo finale della ragione umana. Perché allora conosceremmo la mente di Dio".

- Stephen Hawking, La teoria del tutto

La fisica è stata in grado di descrivere gli inizi del nostro universo con alcune teorie parziali. Queste teorie descrivono una gamma limitata di osservazioni. Trascurano altri effetti che non sono ancora compresi. L'obiettivo della cosmologia e della fisica è quello di trovare una teoria completa, coerente e unificata del mondo. Stephen Hawking la descrive come l'unificazione della fisica.

Einstein ha passato la maggior parte dei suoi ultimi anni a cercare questa teoria unificata. Ora siamo in una posizione molto più forte di Einstein per sviluppare una visione unificata. 

Stephen Hawking è cautamente ottimista sul fatto che scopriremo le ultime leggi della natura. È fiducioso che un giorno troveremo una teoria unificata completa, se saremo abbastanza intelligenti. Questa teoria unificata non è una teoria definitiva. Invece, abbiamo una sequenza infinita di teorie che descrivono l'universo con maggiore accuratezza.

Le nostre attuali opinioni sulla fisica quantistica ci hanno permesso di scoprire tutti i segreti dell'universo. Il libro di Steven Hawking è un ottimo punto di partenza per capire come funziona l'universo e l'importanza delle stelle al suo interno.

Valutazione

Valutiamo La teoria del tutto 4/5.

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Nota dell'editore: pubblicato per la prima volta il 24/1/2022. Aggiornato il 26/2/2022

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