La Stampa TuttoScienze 21.3.18
Le teorie di Stephen e gli esperimenti di Kip a caccia del Tutto
Il futuro di una sfida iniziata nel 1970 a Cambridge
di Attilio Ferrari

L’Institute of Astronomy, una tranquilla, accogliente costruzione nella campagna a pochi chilometri dal centro di Cambridge, un edificio su un solo piano, di facile accesso. Spesso negli anni 1970 vi giungeva una macchinetta a tre ruote. Accorrevano professori e ricercatori che aiutavano Stephen Hawking a scendere e a sistemarsi sulla sedia a rotelle, che poi guidava nel suo studio. Era appena stato pubblicato il suo libro «The Large Scale Structure of Spacetime», scritto con George Ellis. In quegli anni Hawking, nonostante le difficili condizioni di salute, era l’anima della ricerca internazionale che stava affrontando in modo originale lo studio della Relatività generale, formulata da Einstein 50 anni prima, ma rimasta dormiente in attesa di fenomeni su cui sperimentarla.
Nel 1960 l’astrofisica aveva mostrato che l’evoluzione finale delle stelle doveva portare alla formazione di oggetti densi ad opera della forza gravitazionale che, non più controbilanciata da reazioni termonucleari, ne doveva produrre il collasso: stelle di massa vicina a quella del Sole avrebbero dato origine a stelle di neutroni, una sorta di nucleo atomico di dimensioni di alcuni chilometri con dentro tutta quella massa. E nel 1968 al Cavendish Laboratory, a pochi passi dall’Institute of Astronomy, Jocelyn Bell e Antony Hewish avevano scoperto le pulsar, stelle di neutroni magnetizzate e rotanti. Era quindi concepibile che stelle con masse molte volte quella del Sole generassero campi gravitazionali così intensi da non permettere di arrestare il collasso: dovevano invece portare alla formazione di buchi neri, abissi senza fine, in cui tutto viene inghiottito e nulla può più uscirne. L’astrofisico John Wheeler dell’Università di Princeton li aveva battezzati con quel nome per indicare che non potevano emettere alcuna informazione. Uno degli studenti di Wheeler era Kip Thorne, a cui fu affidata una tesi sul collasso di stelle verso la configurazione di buco nero. Kip visitò Stephen a Cambridge e tra loro iniziò un lungo dibattito e una profonda amicizia, con incontri a Cambridge e al Caltech di Pasadena. Insieme iniziarono a cercare di comprendere come «vedere i segni» dei buchi neri.
Stephen era essenzialmente un fisico matematico che cercava nelle equazioni di Einstein fenomeni nuovi, forse irraggiungibili: i buchi neri, i tunnel gravitazionali e la cosmologia del Big Bang. Uno dei più interessanti risultati che ottenne negli anni 1970 fu che i buchi neri non sono in realtà così neri, hanno una temperatura e quindi possono «evaporare», ritrasmettendo energia all’esterno, diminuendo la propria massa fino a scomparire in un lampo finale.
Kip era un astrofisico interessato a cercare i segni di fenomeni esotici che suggeriscono la presenza di buchi neri. Giunse a proporre che, sebbene la materia nel buco nero sia invisibile all’osservazione, tuttavia prima di essere inghiottita verrà compressa e riscaldata. Nel 1970 Riccardo Giacconi con l’osservatorio «Uhuru» aveva scoperto una sorgente di raggi X nella costellazione del Cigno, le cui caratteristiche indicavano una massa superiore a quella compatibile con una stella di neutroni: forse proprio un buco nero. Stephen e Kip fecero quindi una scommessa. Pur convinto all’80% dell’esistenza dei buchi neri che così accanitamente aveva studiato, Stephen volle scommettere (per scaramanzia?) che la sorgente non fosse un buco nero, mentre Kip era convinto al 100% che si trattasse di un buco nero. Solo nel 1990 nuovi dati convinsero Stephen: pagò a Kip un abbonamento a «Penthouse». «Ho perso - disse - ma ho la prova che il mio lavoro non è stato sprecato».
Uno degli obiettivi di Stephen era l’unificazione della teoria quantistica e della Relatività. All’interno di un buco nero, in fondo all’abisso, la gravità diventa infinita, si incontra una singolarità, dove la Relatività è inadeguata e deve essere riscritta, tenendo conto della meccanica quantistica. Ma non possiamo sperimentare laggiù le regole della gravità quantistica, perché non possiamo avere segnali dall’interno del buco nero.
Tuttavia, secondo Hawking, già avvicinandosi all’orizzonte degli eventi possono avvenire fenomeni interessanti: fluttuazioni quantistiche del «vuoto», che non è mai veramente vuoto. Si realizzano in coppie di materia e antimateria, particella-antiparticella. Una cade nel buco nero, l’altra sfugge portando via energia: è l’origine dell’evaporazione dei buchi neri da lui proposta nel 1974. La produzione e annichilazione di materia-antimateria è caotica e trasforma l’orizzonte in una sfera di fuoco, un «fireball», con una struttura a due pareti, una interna che corrisponde all’orizzonte della Relatività e una esterna di scala determinata dalla teoria quantistica.
Ed ecco che torna in gioco l’amico Kip che nel 2015 ha guidato l’esperimento «Ligo» di rivelazione delle onde gravitazionali emesse dalla fusione di due buchi neri. Le teorie di Stephen saranno infine messe alla prova sperimentale e, forse, si giungerà all’unificazione Relatività-quantistica, quella su cui i due sognavano nei prati dell’Institute of Astronomy.