L’immagine di Stephen Hawking – morto all’età di 76 anni – sulla sua sedia a rotelle motorizzata, con la testa leggermente contorta da un lato e le mani incrociate per azionare i comandi, ha catturato l’immaginazione del pubblico, come un vero simbolo del trionfo della mente sulla materia. Come per l’oracolo di Delfi dell’antica Grecia, la menomazione fisica sembrava compensata da doni quasi soprannaturali, che permettevano alla sua mente di vagare liberamente nell’universo, rivelando all’occasione in modo enigmatico alcuni dei suoi segreti nascosti alla vista dei comuni mortali.
Ovviamente, un’immagine così romanzata può rappresentare solo una verità parziale. Coloro che conoscevano Hawking avrebbero chiaramente apprezzato la presenza dominante di un vero essere umano, con un’enorme gioia di vivere, un grande umorismo e un’enorme determinazione, ma con le normali debolezze umane, oltre ai suoi più ovvi punti di forza. Sembra chiaro che provava grande piacere nel suo ruolo comunemente percepito come “lo scienziato numero 1 delle celebrità”; un pubblico enorme assisteva alle sue conferenze pubbliche, forse non sempre solo per l’edificazione scientifica.
La comunità scientifica potrebbe formulare una valutazione più sobria. Era estremamente apprezzato, in considerazione dei suoi numerosi contributi di grande impatto, a volte rivoluzionari, alla comprensione della fisica e della geometria dell’universo.
Hawking era stato diagnosticato poco dopo il suo 21° compleanno come affetto da una malattia incurabile non specificata, che fu poi identificata come la fatale malattia degenerativa dei motoneuroni, la sclerosi laterale amiotrofica, o SLA. Poco dopo, invece di soccombere alla depressione, come altri avrebbero potuto fare, cominciò a concentrarsi su alcune delle domande più fondamentali riguardanti la natura fisica dell’universo. A tempo debito, avrebbe ottenuto successi straordinari contro le più gravi disabilità fisiche. Sfidando l’opinione medica consolidata, riuscì a vivere altri 55 anni.
Il suo background era accademico, anche se non direttamente in matematica o fisica. Suo padre, Frank, era un esperto di malattie tropicali e sua madre, Isobel (nata Walker), era una radicale di libero pensiero che ebbe una grande influenza su di lui. Nacque a Oxford e si trasferì a St Albans, Hertfordshire, a otto anni. Educato alla scuola di St Albans, vinse una borsa di studio per studiare fisica all’University College di Oxford. Fu riconosciuto come insolitamente capace dai suoi tutori, ma non prese il suo lavoro del tutto seriamente. Anche se ottenne una laurea di prima classe nel 1962, non fu particolarmente eccezionale.
Decise di continuare la sua carriera in fisica al Trinity Hall di Cambridge, proponendosi di studiare sotto l’illustre cosmologo Fred Hoyle. Rimase deluso nello scoprire che Hoyle non era in grado di prenderlo, la persona disponibile in quell’area era Dennis Sciama, all’epoca sconosciuto a Hawking. In realtà, questo si rivelò fortuito, perché Sciama stava diventando una figura straordinariamente stimolante nella cosmologia britannica, e avrebbe supervisionato diversi studenti che si sarebbero fatti un nome impressionante negli anni successivi (compreso il futuro astronomo reale Lord Rees di Ludlow).
Sciama sembrava sapere tutto ciò che stava succedendo nella fisica in quel momento, specialmente nella cosmologia, e trasmetteva un entusiasmo contagioso a tutti coloro che lo incontravano. Era anche molto efficace nel riunire persone che potevano avere cose importanti da comunicare tra loro.
Quando Hawking era al secondo anno di ricerca a Cambridge, io (allora al Birkbeck College di Londra) avevo stabilito un certo teorema matematico importante. Questo dimostrava, sulla base di alcune ipotesi plausibili (attraverso l’uso di tecniche globali/topologiche largamente sconosciute ai fisici dell’epoca) che una stella ipermassiccia in collasso avrebbe prodotto una singolarità nello spazio-tempo – un luogo in cui ci si aspetterebbe che le densità e le curvature dello spazio-tempo diventassero infinite – dandoci l’immagine di quello che oggi chiamiamo “buco nero”. Una tale singolarità spazio-temporale si troverebbe in profondità all’interno di un “orizzonte”, attraverso il quale nessun segnale o corpo materiale può sfuggire. (Questa immagine era stata proposta da J Robert Oppenheimer e Hartland Snyder nel 1939, ma solo nella circostanza speciale in cui si assumeva un’esatta simmetria sferica. Lo scopo di questo nuovo teorema era di ovviare a tali irrealistiche ipotesi di simmetria). A questa singolarità centrale, la teoria classica della relatività generale di Einstein avrebbe raggiunto i suoi limiti.
Nel frattempo, Hawking aveva anche pensato a questo tipo di problema con George Ellis, che stava lavorando a un dottorato al St John’s College di Cambridge. I due uomini avevano lavorato su un tipo più limitato di “teorema della singolarità” che richiedeva un presupposto irragionevolmente restrittivo. Sciama fece in modo di far incontrare Hawking e me, e Hawking non ci mise molto a trovare un modo per usare il mio teorema in un modo inaspettato, in modo che potesse essere applicato (in una forma invertita nel tempo) in un contesto cosmologico, per dimostrare che la singolarità spazio-temporale a cui si fa riferimento come “big bang” era anche una caratteristica non solo dei modelli cosmologici standard altamente simmetrici, ma anche di qualsiasi modello qualitativamente simile ma asimmetrico.
Alcuni dei presupposti del mio teorema originale sembrano meno naturali nel contesto cosmologico di quanto non lo siano per il collasso in un buco nero. Per generalizzare il risultato matematico in modo da eliminare tali presupposti, Hawking si è imbarcato in uno studio di nuove tecniche matematiche che sembravano rilevanti per il problema.
Un potente corpo di lavoro matematico noto come teoria di Morse era stato parte del macchinario dei matematici attivi nello studio globale (topologico) degli spazi Riemanniani. Tuttavia, gli spazi utilizzati nella teoria di Einstein sono in realtà pseudo-riemanniani e la relativa teoria di Morse differisce in modi sottili ma importanti. Hawking ha sviluppato da solo la teoria necessaria (aiutato, per certi aspetti, da Charles Misner, Robert Geroch e Brandon Carter) ed è stato in grado di usarla per produrre nuovi teoremi di natura più potente, in cui i presupposti del mio teorema potevano essere notevolmente indeboliti, dimostrando che una singolarità di tipo big-bang era un’implicazione necessaria della relatività generale di Einstein in ampie circostanze.
Alcuni anni dopo (in un articolo pubblicato dalla Royal Society nel 1970, quando Hawking era diventato fellow “for distinction in science” del Gonville and Caius College di Cambridge), lui ed io unimmo le forze per pubblicare un teorema ancora più potente che sussumeva quasi tutto il lavoro precedente in questo campo.
Nel 1967, Werner Israel pubblicò un documento notevole che aveva l’implicazione che i buchi neri non rotanti, quando si fossero finalmente assestati per diventare stazionari, sarebbero necessariamente diventati completamente sferici e simmetrici. I risultati successivi di Carter, David Robinson e altri hanno generalizzato questo per includere i buchi neri rotanti, con l’implicazione che la geometria finale dello spazio-tempo deve necessariamente accordarsi con una famiglia esplicita di soluzioni delle equazioni di Einstein trovate da Roy Kerr nel 1963. Un ingrediente chiave per l’argomento completo era che se c’è una qualsiasi rotazione presente, allora ci deve essere una completa simmetria assiale. Questo ingrediente è stato sostanzialmente fornito da Hawking nel 1972.
La conclusione davvero notevole di tutto questo è che i buchi neri che ci aspettiamo di trovare in natura devono essere conformi a questa geometria di Kerr. Come il grande astrofisico teorico Subrahmanyan Chandrasekhar ha successivamente commentato, i buchi neri sono gli oggetti macroscopici più perfetti dell’universo, essendo costruiti proprio dallo spazio e dal tempo; inoltre, sono anche i più semplici, poiché possono essere descritti esattamente da una geometria esplicitamente nota (quella di Kerr).
A seguito del suo lavoro in questo campo, Hawking ha stabilito una serie di importanti risultati sui buchi neri, come l’argomento che l’orizzonte degli eventi (la sua superficie di delimitazione) deve avere la topologia di una sfera. In collaborazione con Carter e James Bardeen, in un lavoro pubblicato nel 1973, stabilì alcune notevoli analogie tra il comportamento dei buchi neri e le leggi fondamentali della termodinamica, dove l’area della superficie dell’orizzonte e la sua gravità superficiale furono dimostrate essere analoghe, rispettivamente, alle quantità termodinamiche di entropia e temperatura. Sarebbe giusto dire che nel suo periodo molto attivo che ha portato a questo lavoro, la ricerca di Hawking nella relatività generale classica era la migliore al mondo in quel momento.
Hawking, Bardeen e Carter presero il loro comportamento “termodinamico” dei buchi neri come poco più di una semplice analogia, senza alcun contenuto fisico letterale. Circa un anno prima, Jacob Bekenstein aveva dimostrato che le esigenze di coerenza fisica implicano – nel contesto della meccanica quantistica – che un buco nero deve effettivamente avere un’entropia fisica reale (“entropia” è la misura fisica del “disordine”) che è proporzionale alla superficie del suo orizzonte, ma non era in grado di stabilire con precisione il fattore di proporzionalità. Eppure era sembrato, d’altra parte, che la temperatura fisica di un buco nero dovesse essere esattamente zero, in contrasto con questa analogia, poiché nessuna forma di energia poteva sfuggire da esso, motivo per cui Hawking e i suoi colleghi non erano disposti a prendere completamente sul serio la loro analogia.
Hawking aveva poi rivolto la sua attenzione agli effetti quantistici in relazione ai buchi neri, e si era imbarcato in un calcolo per determinare se i piccoli buchi neri rotanti che forse potevano essere creati nel big bang avrebbero irradiato la loro energia di rotazione. Rimase sorpreso nello scoprire che, indipendentemente da qualsiasi rotazione, avrebbero irradiato la loro energia – che, per E=mc2 di Einstein, significa la loro massa. Di conseguenza, qualsiasi buco nero ha effettivamente una temperatura non zero, concordando esattamente con l’analogia Bardeen-Carter-Hawking. Inoltre, Hawking è stato in grado di fornire il valore preciso “un quarto” per la costante di proporzionalità dell’entropia che Bekenstein non era stato in grado di determinare.
Questa radiazione proveniente dai buchi neri che Hawking ha previsto è ora, molto appropriatamente, indicata come radiazione di Hawking. Per qualsiasi buco nero che ci si aspetta sorga nei normali processi astrofisici, tuttavia, la radiazione di Hawking sarebbe estremamente piccola, e certamente non osservabile direttamente da nessuna tecnica oggi conosciuta. Ma ha sostenuto che buchi neri molto piccoli potrebbero essere stati prodotti nel big bang stesso, e la radiazione di Hawking da tali buchi si accumulerebbe in un’esplosione finale che potrebbe essere osservata. Sembra che non ci siano prove di tali esplosioni, dimostrando che il big bang non era così accomodante come Hawking desiderava, e questo fu per lui una grande delusione.
Questi risultati furono certamente importanti dal punto di vista teorico. Hanno stabilito la teoria della termodinamica dei buchi neri: combinando le procedure della teoria quantistica (dei campi) con quelle della relatività generale, Hawking ha stabilito che è necessario portare anche una terza materia, la termodinamica. Sono generalmente considerati i più grandi contributi di Hawking. Che abbiano profonde implicazioni per le future teorie della fisica fondamentale è innegabile, ma la natura dettagliata di queste implicazioni è ancora oggetto di un dibattito molto acceso.
Lo stesso Hawking fu in grado di concludere da tutto questo (anche se non con l’accettazione universale da parte dei fisici delle particelle) che quei costituenti fondamentali della materia ordinaria – i protoni – devono alla fine disintegrarsi, anche se con un tasso di decadimento che è al di là delle tecniche attuali per osservarlo. Ha anche fornito ragioni per sospettare che le regole stesse della meccanica quantistica potrebbero aver bisogno di una modifica, un punto di vista che inizialmente sembrava favorire. Ma più tardi (sfortunatamente, secondo me) è giunto a una visione diversa, e alla conferenza internazionale di Dublino sulla gravità del luglio 2004, ha annunciato pubblicamente un cambio di idea (concedendo così una scommessa con il fisico del Caltech John Preskill) riguardo alla sua originaria previsione di “perdita di informazione” all’interno dei buchi neri.
Dopo il suo lavoro sui buchi neri, Hawking ha rivolto la sua attenzione al problema della gravità quantistica, sviluppando idee ingegnose per risolvere alcune delle questioni fondamentali. La gravità quantistica, che consiste nell’imporre correttamente le procedure quantistiche della fisica delle particelle alla struttura stessa dello spazio-tempo, è generalmente considerata come il problema fondamentale irrisolto della fisica. Uno dei suoi obiettivi dichiarati è quello di trovare una teoria fisica che sia abbastanza potente da affrontare le singolarità spazio-temporali della relatività generale classica nei buchi neri e nel big bang.
Il lavoro di Hawking, fino a questo punto, sebbene abbia coinvolto le procedure della meccanica quantistica nello spazio-tempo curvo della teoria della relatività generale di Einstein, non ha fornito una teoria della gravità quantistica. Ciò richiederebbe l’applicazione delle procedure di “quantizzazione” allo stesso spazio-tempo curvo di Einstein, non solo ai campi fisici all’interno dello spazio-tempo curvo.
Con James Hartle, Hawking ha sviluppato una procedura quantistica per gestire la singolarità del big-bang. Questa è chiamata l’idea del “no-boundary”, per cui la singolarità è sostituita da un “tappo” liscio, paragonato a ciò che accade al polo nord della Terra, dove il concetto di longitudine perde significato (diventa singolare) mentre il polo nord stesso ha una geometria perfettamente buona.
Per dare un senso a questa idea, Hawking ha dovuto invocare la sua nozione di “tempo immaginario” (o “euclideanizzazione”), che ha l’effetto di convertire la geometria “pseudo-Riemanniana” dello spazio-tempo di Einstein in una più standard Riemanniana. Nonostante l’ingegnosità di molte di queste idee, rimangono gravi difficoltà (una di queste è come procedure simili potrebbero essere applicate alle singolarità all’interno dei buchi neri, il che è fondamentalmente problematico).
Ci sono molti altri approcci alla gravità quantistica perseguiti in tutto il mondo, e le procedure di Hawking, sebbene molto rispettate e ancora studiate, non sono le più seguite, sebbene anche tutte le altre abbiano la loro parte di difficoltà fondamentali.
Fino alla fine della sua vita, Hawking ha continuato le sue ricerche sul problema della gravità quantistica, e le relative questioni di cosmologia. Ma in concomitanza con i suoi interessi strettamente di ricerca, divenne sempre più coinvolto nella divulgazione della scienza, e delle sue idee in particolare. Questo iniziò con la scrittura del suo libro di incredibile successo A Brief History of Time (1988), che fu tradotto in circa 40 lingue e vendette più di 25 milioni di copie in tutto il mondo.
Indubbiamente, il titolo brillante fu un fattore che contribuì al successo fenomenale del libro. Inoltre, l’argomento è qualcosa che afferra l’immaginazione del pubblico. E c’è uno stile diretto e chiaro, che Hawking deve aver sviluppato per necessità quando cercava di far fronte alle limitazioni imposte dalle sue disabilità fisiche. Prima di dover fare affidamento sul suo discorso computerizzato, poteva parlare solo con grande difficoltà e dispendio di energie, quindi doveva fare quello che poteva con frasi brevi e dirette al punto. Inoltre, è difficile negare che la sua condizione fisica deve aver catturato di per sé l’immaginazione del pubblico.
Anche se la diffusione della scienza tra un pubblico più vasto era certamente uno degli scopi di Hawking nello scrivere il suo libro, egli aveva anche il serio scopo di fare soldi. Le sue esigenze finanziarie erano notevoli, come richiedeva il suo entourage di famiglia, infermiere, assistenti sanitari e attrezzature sempre più costose. Alcuni, ma non tutti, erano coperti da sovvenzioni.
Invitare Hawking a una conferenza ha sempre coinvolto gli organizzatori in seri calcoli. Le spese di viaggio e di alloggio sarebbero state enormi, anche a causa del numero di persone che avrebbero dovuto accompagnarlo. Ma una sua conferenza popolare farebbe sempre il tutto esaurito, e occorrerebbe un’organizzazione speciale per trovare un’aula abbastanza grande. Un ulteriore fattore sarebbe stato l’assicurarsi che tutte le entrate, le scale, gli ascensori e così via fossero adeguati per le persone disabili in generale, e per la sua sedia a rotelle in particolare.
Ha chiaramente goduto della sua fama, cogliendo molte opportunità per viaggiare e per fare esperienze insolite (come scendere in un pozzo di miniera, visitare il polo sud e subire la gravità zero della caduta libera), e per incontrare altre persone illustri.
Lo stile di presentazione delle sue conferenze pubbliche è aumentato negli anni. In origine, il materiale visivo era costituito da disegni a linee su lucidi, presentati da uno studente. Ma negli anni successivi vennero usate immagini impressionanti generate dal computer. Egli controllava il materiale verbale, frase per frase, come sarebbe stato consegnato dalla sua voce con accento americano generata dal computer. Immagini di alta qualità e grafica generata dal computer erano presenti anche nei suoi successivi libri popolari The Illustrated Brief History of Time (1996) e The Universe in a Nutshell (2001). Con sua figlia Lucy ha scritto il libro scientifico espositivo per bambini George’s Secret Key to the Universe (2007), ed è stato editore, coautore e commentatore per molte altre opere di scienza popolare.
Ha ricevuto molti alti riconoscimenti e onori. In particolare, è stato eletto fellow della Royal Society all’età incredibilmente precoce di 32 anni e ha ricevuto il suo più alto onore, la medaglia Copley, nel 2006. Nel 1979, è diventato il 17° titolare della cattedra lucasiana di filosofia naturale a Cambridge, circa 310 anni dopo che Sir Isaac Newton ne era diventato il secondo titolare. È diventato un Compagno d’Onore nel 1989. Ha fatto un’apparizione nel programma televisivo Star Trek: The Next Generation, è apparso in forma di cartone animato nei Simpson ed è stato ritratto nel film La teoria del tutto (2014).
È chiaro che doveva molto alla sua prima moglie, Jane Wilde, che ha sposato nel 1965, e con la quale ha avuto tre figli, Robert, Lucy e Timothy. Jane fu eccezionalmente solidale con lui in molti modi. Uno dei più importanti potrebbe essere stato quello di permettergli di fare le cose da solo in misura inusuale.
Era una persona straordinariamente determinata. Insisteva che doveva fare le cose da solo. Questo, a sua volta, forse manteneva i suoi muscoli attivi in un modo che ritardava la loro atrofia, rallentando così il progresso della malattia. Ciononostante, le sue condizioni continuarono a peggiorare, fino a quando non aveva quasi più alcun movimento, e il suo discorso poteva a malapena essere percepito se non da pochi che lo conoscevano bene.
Ha contratto una polmonite mentre era in Svizzera nel 1985, ed è stata necessaria una tracheotomia per salvargli la vita. Stranamente, dopo questo incontro con la morte, il progresso della sua malattia degenerativa sembrò rallentare fino a fermarsi virtualmente. La tracheotomia gli impediva però qualsiasi forma di parola, così che l’acquisto di un sintetizzatore vocale computerizzato si rese necessario in quel periodo.
In seguito all’incontro con la polmonite, la casa degli Hawkings fu quasi occupata da infermiere e assistenti medici, e lui e Jane si allontanarono. Hanno divorziato nel 1995. Nello stesso anno, Hawking sposò Elaine Mason, che era stata una delle sue infermiere. Il suo sostegno prese una forma diversa da quello di Jane. Nel suo stato fisico molto più debole, l’amore, la cura e l’attenzione che lei gli forniva lo sostenevano in tutte le sue attività. Ma anche questa relazione finì, e lui ed Elaine divorziarono nel 2007.
Nonostante la sua terribile condizione fisica, rimase quasi sempre positivo riguardo alla vita. Amava il suo lavoro, la compagnia di altri scienziati, le arti, i frutti della sua fama, i suoi viaggi. Provava grande piacere per i bambini, a volte li intratteneva girando sulla sua sedia a rotelle motorizzata. Le questioni sociali lo preoccupavano. Promuoveva la comprensione scientifica. Sapeva essere generoso e molto spesso era spiritoso. A volte poteva mostrare qualcosa dell’arroganza che non è rara tra i fisici che lavorano all’avanguardia, e aveva una vena autocratica. Eppure poteva anche mostrare una vera umiltà che è il marchio della grandezza.
Hawking ebbe molti studenti, alcuni dei quali in seguito si fecero un nome significativo. Eppure essere un suo studente non era facile. Era noto per far passare la sua sedia a rotelle sul piede di uno studente che gli causava irritazione. I suoi pronunciamenti avevano una grande autorità, ma le sue difficoltà fisiche spesso li rendevano enigmatici nella loro brevità. Un collega capace potrebbe essere in grado di distinguere l’intento dietro di esse, ma sarebbe una questione diversa per uno studente inesperto.
Per uno studente del genere, un incontro con Hawking potrebbe essere un’esperienza scoraggiante. Hawking potrebbe chiedere allo studente di seguire qualche strada oscura, la cui ragione potrebbe sembrare profondamente misteriosa. Il chiarimento non era disponibile, e lo studente si trovava di fronte a ciò che sembrava davvero la rivelazione di un oracolo – qualcosa la cui verità non doveva essere messa in discussione, ma che se correttamente interpretata e sviluppata avrebbe sicuramente portato a una profonda verità. Forse ora tutti noi siamo rimasti con questa impressione.
Hawking è sopravvissuto ai suoi figli.
– Stephen William Hawking, fisico, nato l’8 gennaio 1942; morto il 14 marzo 2018
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