Astronomia

Il tempo era diverso prima della grande inflazione?

Il tempo era diverso prima della grande inflazione?

In un tempo diverso durante il primo secondo dopo il Big Bang rispetto a adesso? L'inflazione ha avuto un effetto drammatico sullo spazio, e lo spaziotempo è una cosa. Anche le proprietà del tempo sono state influenzate? Lo spaziotempo curvo attorno ai buchi neri causa effetti divertenti per gli osservatori esterni, gli oggetti che cadono sembrano non raggiungere mai l'orizzonte degli eventi. L'universo primitivo era ancora più denso. Quando si parla del primo secondo, si tiene conto di tali effetti?


Lo spaziotempo curvo attorno ai buchi neri causa effetti divertenti per gli osservatori esterni, gli oggetti che cadono sembrano non raggiungere mai l'orizzonte degli eventi. L'universo primitivo era ancora più denso. Quando si parla del primo secondo, si tiene conto di tali effetti?

Questi effetti di dilatazione del tempo sono (sempre) contabilizzati. Un osservatore in qualsiasi "luogo" nell'universo in espansione sperimenterebbe il tempo al proprio ritmo. Tuttavia, diversi osservatori potrebbero scoprire di aver sperimentato tempi diversi se si sono riuniti in seguito e confrontato le note.


Spunti di riflessione su densità e dilatazione del tempo. La densità non è gravità. Tendiamo a pensare che lo sia, ma non lo è. La variazione di densità ci dà la gravità.

Se hai un universo infinito, molto giovane, caldo e denso, ma è uniforme, allora non hai la dilatazione del tempo. Un modo per pensare a questo è chiedersi se la luce che passa attraverso l'universo è spostata verso il rosso o spostata verso il blu. Se l'universo è uniforme e infinito, è lo stesso in tutte le direzioni attorno al fotone, quindi il fotone non è spostato né verso il rosso né verso il blu, quindi, contrariamente a quanto ci dice la nostra intuizione sulla relatività, potrebbe non esserci stato molto tempo dilatazione nell'universo molto giovane.

Ovviamente il raggio di luce che attraversa lo spazio in espansione è enormemente spostato verso il rosso, ma ciò non influisce sulla dilatazione del tempo. Lo spostamento gravitazionale verso il rosso o il blu nell'universo molto giovane potrebbe essere ancora vicino allo zero, il che significa una dilatazione temporale molto ridotta ovunque.

Man mano che l'universo primordiale diventava meno uniforme, si verificavano variazioni di dilatazione temporale nelle parti più dense dell'universo primordiale, ma con l'espansione FTL e la gravità limitate dalla velocità della luce, non è chiaro se ci sia mai stata una massiccia dilatazione del tempo nell'universo giovane (almeno, non mi è chiaro, se qualcuno qui lo sa al 100%, sentiti libero di postare e/o correggermi).

Ora, se assumiamo che l'universo sia finito e piatto e che il big bang sia avvenuto in un punto, che generalmente non è il modello che piace alla maggior parte delle persone di questi tempi, allora potresti imbatterti in un'enorme dilatazione temporale all'interno del piccolo universo giovane e denso, ma ha ancora ampliato l'FTL, quindi i calcoli diventano strani e troppo difficili per me. Se l'espansione dello spazio avviene più velocemente di quanto la gravità possa reggere, la dilatazione del tempo gravitazionale potrebbe non applicarsi, almeno non prima che la velocità di espansione sia sufficientemente rallentata da consentire alla gravità di permeare le regioni locali. Non potrei nemmeno iniziare a fare i conti su questo e avresti risposte diverse anche per modelli diversi, penso. Sono d'accordo con Andy, però, sarebbe necessario tenerne conto o i modelli non sarebbero molto buoni.


Big Bang, inflazione e dilatazione del tempo?

Probabilmente è già stato chiesto un milione di volte, ma sono curioso.

Il periodo inflazionistico è durato una frazione di secondo. Questo è per un osservatore all'interno dell'universo in espansione, giusto? Dalla nostra prospettiva attuale, nell'universo post-gonfiato, è la stessa frazione di secondo? O la dilatazione del tempo significherebbe effettivamente che è durato molto più a lungo, da una prospettiva particolare? Un universo in espansione è governato dalla GR e dalla dilatazione del tempo? O l'inflazione è ancora in qualche modo inconciliabile con le nostre attuali spiegazioni?

#2 GJJim

O l'inflazione è ancora in qualche modo inconciliabile con le nostre attuali spiegazioni?

Non ci sono basi fisiche conosciute per la teoria dell'inflazione cosmica. È posto come una spiegazione per la CMB stranamente uniforme che misuriamo oggi.

#3 llanitedave

Probabilmente è già stato chiesto un milione di volte, ma sono curioso.

Il periodo inflazionistico è durato una frazione di secondo. Questo è per un osservatore all'interno dell'universo in espansione, giusto? Dal nostro punto di vista attuale, nell'universo post-gonfiato, è la stessa frazione di secondo? O la dilatazione del tempo significherebbe effettivamente che è durato molto più a lungo, da una prospettiva particolare? Un universo in espansione è governato dalla GR e dalla dilatazione del tempo? O l'inflazione è ancora in qualche modo inconciliabile con le nostre attuali spiegazioni?

Buone domande. Spero che qualcuno con una comprensione più profonda messaggi per rispondere. Da quello che ricordo, Jim ha in parte ragione, ma c'è di più oltre alla semplice uniformità. Ci sono una serie di altri dettagli spiegati dall'inflazione, ma dovrei fare qualche ricerca approfondita per ricordare quali sono.

#4 howard929

IIRC ha qualcosa a che fare con la temperatura che è la stessa ovunque, quindi le cose devono essere state molto vicine l'una all'altra per condividere la stessa temperatura. a un certo punto e l'inflazione ha allontanato tutto da tutto il resto. Anche velocemente. Ovviamente.

Modificato da howard929, 27 aprile 2015 - 10:55.

#5 GJJim

Alcune domande sulla teoria dell'inflazione cosmica di Alan Guth:

1) qual è la causa/processo fisico?

2) una volta iniziata, perché l'inflazione dovrebbe fermarsi?

3) perché è stato un evento occasionale, piuttosto fortuito? (non che sarei felice se ricominciasse!)

4) oltre a una spiegazione conveniente per la CMB uniforme, perché è necessaria?

#6 PietroR280

non c'è una buona spiegazione del perché l'universo, all'improvviso, si sia gonfiato da qualcosa di molto piccolo. È una di quelle cose che accetti in base ai fenomeni osservati. È ancora in espansione, forse anche in accelerazione.

Ci vuole una buona teoria. Forse risponderà anche al paradosso del buco nero.


Conferenza di Roger Penrose: "Prima del Big Bang?"

Questa è la conferenza originale di Roger Penrose sul suo nuovo affascinante modello dell'universo, la sua origine e futuro, e del "Big Bang" tenuta all'Isaac Newton Institute for Mathematical Sciences (7 novembre 2005).

Ora c'è una grande quantità di prove che confermano l'esistenza di uno stadio iniziale molto caldo e denso dell'universo. Molti di questi dati provengono da uno studio dettagliato del fondo cosmico a microonde (CMB) e della radiazione solare dall'universo primordiale che è stato misurato più di recente dal satellite WMAP della NASA. Ma le informazioni presentano nuovi enigmi per gli scienziati. Uno degli esempi più eclatanti è un apparente paradosso legato alla seconda legge della termodinamica. Sebbene alcuni abbiano sostenuto che l'ipotesi della cosmologia inflazionistica risolva alcuni degli enigmi, rimangono questioni profonde. In questo discorso, il professor Penrose descriverà una proposta molto diversa, che suggerisce una successione di universi precedenti al nostro.

Sir Roger Penrose è un matematico e fisico teorico molto illustre. Attualmente è professore emerito di matematica Rouse Ball all'Università di Oxford. I suoi interessi di ricerca abbracciano molti aspetti della geometria, avendo dato contributi alla teoria delle tassellature non periodiche (Penrose tassellature), alla teoria della relatività generale e ai fondamenti quantistici. Ha avuto anche notevoli intuizioni nella scienza della coscienza. Il suo principale programma di ricerca consiste nello sviluppo della teoria dei twistor, che ha originato oltre 30 anni fa come tentativo di unire la teoria della relatività generale di Einstein con la meccanica quantistica.

Nel 1994 il professor Penrose è stato nominato cavaliere dalla regina Elisabetta II per il suo servizio alla scienza. Ha ricevuto numerosi premi e riconoscimenti, tra cui il Wolf Prize 1988, che ha condiviso con Stephen Hawking per la loro comprensione dell'universo, il Dannie Heinemann Prize, la Royal Society Royal Medal, la Dirac Medal e il premio Albert Einstein per citarne alcuni .

Penrose è un importante conferenziere e autore. Il suo libro del 1989 La nuova mente dell'imperatore è diventato un best seller e ha vinto il premio per il libro di scienze del 1990 (ora Rhone-Poulenc). I suoi ultimi libri sono Shadows of the Mind (1994), The Nature of Space and Time (1996) con Stephen Hawking, The Large, the Small and the Human Mind (1997) e Road to Reality (2004).

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Categoria : Tecnologia scientifica

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1 risposta 1

Caro Cosmonut, il fattore complessivo è solitamente espresso come un numero di e-folding. Hai bisogno di almeno 60 e-folding o giù di lì per spiegare perché l'Universo attuale è apparentemente così piatto e omogeneo. E $e^<60>circa 10^<26>$ o giù di lì. Ecco da dove viene la stima di $ 10^<30>$. Meno di 60 e-folding dell'inflazione significherebbero che l'inflazione non risolve una parte significativa dei problemi che dovrebbe risolvere.

Tuttavia, non c'è niente di sbagliato nell'inflazione che dura molto più a lungo. Potrebbero esserci stati anche 50, 100 o 10.000 piegamenti elettronici e ci sono documenti che trovano prove circostanziali del motivo per cui un'inflazione così lunga potrebbe essere preferita. Non sappiamo quanti e-folding hanno avuto luogo, ma se l'inflazione è buona per le cose che pensiamo, dovrebbe essere più di 60 e-folding.

Anche la scala temporale in cui si è verificata l'inflazione è sconosciuta, ma doveva essere una piccola frazione di secondo dopo il vero inizio del nostro Universo. La scala di energia più alta - tipica "massa di inflazione" ecc. - che usi, la cifra più breve per il tempo dopo il big bang che ottieni. La cifra tipica è che l'inflazione è iniziata $10^<-36>$ secondi dopo il big bang e si è conclusa intorno a $10^<-33>$ o $10^<-32>$ secondi dopo il big bang. Questa è l'inflazione su larga scala, su scala GUT. Nota che la scala temporale più breve è solo un po' più lunga del tempo di Planck $10^<-43>$ secondi. È improbabile che l'inflazione si sia verificata prima, più vicino alla scala di Planck, perché ciò predice non uniformità della temperatura cosmica di fondo delle microonde più grandi di quelle osservate (sono relativamente piccole perché il momento in cui si è verificata l'inflazione è maggiore del tempo di Planck) .

Tuttavia, l'inflazione potrebbe essersi verificata più tardi. Naturalmente, doveva verificarsi prima dell'epoca in cui le temperature erano vicine alla scala elettrodebole, ad es. prima di $10^<-15>$ secondi circa, perché sappiamo che il gonfiaggio non è troppo leggero (più leggero della scala elettrodebole) e per altri motivi.

Ciò che l'inflazione ottiene è principalmente di carattere qualitativo - rendendo lo spazio piatto e uniforme, diluendo oggetti esotici cattivi e così via - e questo lavoro qualitativo può essere svolto in molte scale temporali diverse e con molte diverse durate dell'inflazione cosmica. Finora non è stato possibile rilevare direttamente l'inflazione, quindi non dovresti essere sorpreso che tutti i dettagli numerici sull'inflazione rimangano in gran parte sconosciuti anche se sono vincolati dalle disuguaglianze e diventano più nitidi in particolari modelli.


Big Bang: espansione, NON esplosione

Il Big Bang è stato un'espansione dello spazio, non come un'esplosione, nonostante ciò che spesso descrivono innumerevoli libri, video, articoli e dichiarazioni (anche di scienziati). Diamo un'occhiata alle differenze tra un'esplosione di qualcosa in spazio contro un'espansione di spazio.

[Per un articolo più vecchio con una prospettiva diversa sullo stesso argomento, vedere qui.]

In Figura 1 è mostrato a prima e dopo di un'esplosione. Inizialmente c'è dello spazio, con un seme — una bomba o una granata o una stella o qualche altra forma di energia immagazzinata — seduto al suo interno. Lo spazio è preesistente, e così anche il seme. Poi succede qualcosa e il seme esplode. Ciò che era all'interno del seme subisce una sorta di trasformazione — per esempio, una reazione chimica o una reazione nucleare — e viene rilasciata energia. Questo crea un tremendo calore e pressione all'interno del seme. Le forze associate al calore e alla pressione compressi fanno sì che l'interno del seme si espanda verso l'esterno come una palla di materiale caldo. L'energia viene fuori come l'alta velocità e la temperatura degli interni del seme, e la pressione e la temperatura diminuiscono gradualmente man mano che l'interno del seme si espande verso l'esterno nello spazio preesistente in cui si trovava originariamente.

Fig. 1: Cosa non era il Big Bang: l'esplosione di un seme in uno spazio preesistente. L'esplosione è creata da un processo che genera calore e pressione tremendi all'interno del seme, che si precipita verso l'esterno come una palla di materiale caldo che esplode nello spazio preesistente. Il Big Bang non è niente di simile.

Nota che la causa dell'esplosione è una reazione che crea un calore e una pressione tremendi all'interno di una piccola regione. È lo squilibrio tra l'enorme pressione e il calore dentro il seme rispetto alla bassa pressione e temperatura al di fuori il seme che fa esplodere il seme verso l'esterno. E le cose all'interno della velocità si muovono ad alta velocità, allontanandosi dalla loro posizione iniziale. La loro velocità relativa al punto di partenza non può essere maggiore della luce, quindi c'è un limite alla velocità con cui possono allontanarsi l'uno dall'altro.

Nella Figura 2 è raffigurato il processo (che potrebbe essere già in atto prima del momento della figura di sinistra) di un'espansione dello spazio. Tra l'immagine di sinistra e l'immagine di destra, lo spazio è raddoppiato, come puoi vedere dalla griglia di linee. Le cose all'interno dello spazio che sono tenute insieme da forze potenti, come sedie, tavoli, gatti e persone, lo fanno non espandere — solo lo spazio in cui siedono lo fa. In breve, lo spazio diventa più abbondante, quindi c'è semplicemente più spazio per gli oggetti al suo interno.

Nota che gli oggetti non si muovono intrinsecamente! Non c'è calore o pressione che li spingano ovunque non siano stati presi a calci. È semplicemente che lo spazio tra loro e intorno a loro sta crescendo, apparendo dal nulla, rendendo le distanze tra loro più grandi di prima. E l'aumento (per l'espansione uniforme) è uniforme. Nell'immagine a destra, la distanza tra il gatto e il tavolo è raddoppiata, così come la distanza tra il gatto e la sedia. Questo è ciò che accade quando l'universo raddoppia di dimensioni.

Fig. 2: L'espansione dello spazio è rappresentata dall'aumento della distanza tra le linee della griglia. Gli oggetti normali rimangono della stessa dimensione, ma la distanza tra loro cresce man mano che lo spazio si espande uniformemente. Questo tipo di espansione può avvenire sia in un universo caldo che freddo, nelle giuste condizioni, e può essere molto rapido.

Questo tipo di cambiamento nello spazio stesso è possibile nella teoria della gravità di Einstein, ma non in quella più antica di Newton. Per Einstein, lo spazio non è solo un luogo in cui accadono le cose, è una specie di cosa stessa, capace di crescere, rimpicciolirsi, deformarsi, dimenarsi e cambiare forma. (In realtà sono lo spazio e il tempo insieme che possono fare tutto questo!) Le increspature nello spazio-tempo sono chiamate "onde gravitazionali”".

Poiché è lo spazio che si espande e non sono gli oggetti che si muovono, La relatività di Einstein non pone limiti alla velocità con cui può crescere la distanza tra gli oggettiw — cioè, nessun vincolo sulla rapidità con cui può apparire lo spazio tra gli oggetti. È possibile che la distanza tra due oggetti cresca molto, molto più velocemente della velocità della luce. Questa non è in contraddizione con la relatività.

La gente spesso dice, con parole sciolte e imprecise, che “la relatività dice che niente può andare più veloce della velocità della luce”. Ma “niente” e “go” sono ambigui, e nella scienza impariamo che le parole imprecise causano problemi. Le parole di Einstein (se le leggi) sono spesso ambigue e facilmente fraintese, anche se ha cercato di essere preciso. Ma Einstein’s equazioni non sono ambigui. L'affermazione precisa della relatività è che se due oggetti si incrociano allo stesso punto, allora un osservatore che si muove con uno degli oggetti misurerà la velocità dell'altro oggetto come minore o uguale alla velocità della luce e viceversa. Ma questo non è in contraddizione con l'affermazione che sto facendo qui: che la distanza tra due oggetti in punti diversi può crescere più velocemente di così. E questo accadrà sempre, in un universo in espansione uniforme, per due oggetti abbastanza distanti.

Nota anche, cosa molto importante, che la causa dell'espansione dello spazio non deve avere nulla a che fare con il calore o la pressione… a differenza di un'esplosione. Ho deliberatamente disegnato oggetti normali come sedie e tavoli in modo che tu possa vedere che, in contrasto con un'esplosione che danneggerà o distruggerà oggetti normali, un'espansione può lasciarli intatti, solo sempre più separati. L'espansione può verificarsi in un universo molto caldo — e all'inizio della storia dell'universo’, che è accaduto durante l'Hot Big Bang. Ma l'espansione può avvenire anche in un universo molto freddo. Attualmente si sospetta che anche questo possa essere accaduto all'inizio dell'universo, durante il periodo inflazionistico. E ovviamente il nostro universo oggi è piuttosto freddo, ma non solo si sta espandendo, il tasso di espansione sta aumentando.

L'Hot Big Bang, di cui stiamo vivendo le fasi finali, è un'era che in qualche modo è iniziata, in un determinato momento, come una vasta regione di spazio riempita da una densa zuppa calda di particelle, che si espande e si raffredda molto rapidamente all'inizio, poi sempre più lentamente fino a pochi miliardi di anni fa.Non è iniziato come un oggetto puntiforme che è esploso nello spazio vuoto. Come potrebbe essere iniziato l'Hot Big Bang dopo l'inflazione è spiegato alla fine di questo articolo sull'era dell'inflazione.


29.6 L'universo inflazionistico

Il modello hot del Big Bang che abbiamo descritto ha un notevole successo. Rappresenta l'espansione dell'universo, spiega le osservazioni del CMB e predice correttamente le abbondanze degli elementi leggeri. A quanto pare, questo modello prevede anche che dovrebbero esserci esattamente tre tipi di neutrini in natura, e questa previsione è stata confermata da esperimenti con acceleratori ad alta energia. Tuttavia, non possiamo ancora rilassarci. Questo modello standard dell'universo non spiega tutti le osservazioni che abbiamo fatto sull'universo nel suo insieme.

Problemi con il modello standard del Big Bang

Ci sono una serie di caratteristiche dell'universo che possono essere spiegate solo considerando ulteriormente cosa potrebbe essere successo prima dell'emissione della CMB. Un problema con il modello standard del Big Bang è che non spiega perché la densità dell'universo è uguale alla densità critica. La densità di massa avrebbe potuto essere, dopotutto, così bassa e gli effetti dell'energia oscura così alti che l'espansione sarebbe stata troppo rapida per formare una qualsiasi galassia. In alternativa, potrebbe esserci stata così tanta materia che l'universo avrebbe già iniziato a contrarsi molto prima d'ora. Perché l'universo è bilanciato così precisamente sul filo del rasoio della densità critica?

Un altro enigma è il notevole uniformità dell'universo. La temperatura del CMB è la stessa di circa 1 parte su 100.000 ovunque si guardi. Ci si potrebbe aspettare questa uguaglianza se tutte le parti dell'universo visibile fossero in contatto ad un certo punto nel tempo e avessero il tempo di raggiungere la stessa temperatura. Allo stesso modo, se mettiamo del ghiaccio in un bicchiere di acqua tiepida e aspettiamo un po', il ghiaccio si scioglierà e l'acqua si raffredderà fino a raggiungere la stessa temperatura.

Tuttavia, se accettiamo il modello standard del Big Bang, tutte le parti dell'universo visibile erano non in contatto in qualsiasi momento. Il più veloce che l'informazione può andare da un punto all'altro è la velocità della luce. C'è una distanza massima che la luce può aver percorso da qualsiasi punto dall'inizio dell'universo, questa è la distanza che la luce avrebbe potuto coprire da allora. Questa distanza è chiamata quel punto distanza dell'orizzonte perché qualcosa di più lontano è "al di sotto del suo orizzonte", incapace di entrare in contatto con esso. Una regione dello spazio separata da un'altra più della distanza dell'orizzonte è stata completamente isolata da essa attraverso l'intera storia dell'universo.

Se misuriamo il CMB in due direzioni opposte nel cielo, stiamo osservando regioni che erano significativamente oltre la distanza dell'orizzonte l'uno dall'altro nel momento in cui il CMB è stato emesso. Possiamo vedere entrambe le regioni, ma essi non possono mai essersi visti. Perché, allora, le loro temperature sono così esattamente le stesse? Secondo il modello standard del Big Bang, non sono mai stati in grado di scambiare informazioni e non c'è motivo per cui dovrebbero avere temperature identiche. (È un po' come vedere gli abiti che indossano tutti gli studenti di due scuole in diverse parti del mondo diventare identici, senza che gli studenti siano mai stati in contatto.) L'unica spiegazione che potevamo suggerire era semplicemente che l'universo in qualche modo iniziato essere assolutamente uniforme (che è come dire che a tutti gli studenti piacciono gli stessi vestiti). Gli scienziati sono sempre a disagio quando devono fare appello a una serie speciale di condizioni iniziali per spiegare ciò che vedono.

L'ipotesi inflazionistica

Alcuni fisici hanno suggerito che queste caratteristiche fondamentali del cosmo - la sua piattezza e uniformità - possono essere spiegate se poco dopo il Big Bang (e prima dell'emissione del CMB), l'universo ha sperimentato un improvviso aumento di dimensioni. Un universo modello in cui si verifica questa rapida e precoce espansione è chiamato universo inflazionario. L'universo inflazionario è identico all'universo del Big Bang per sempre dopo i primi 10-30 secondi. Prima di ciò, il modello suggerisce che ci sia stato un breve periodo di espansione o inflazione straordinariamente rapida, durante il quale la scala dell'universo è aumentata di un fattore di circa 10 50 volte più di quanto previsto dai modelli standard del Big Bang (Figura 29.25).

Prima (e durante) l'inflazione, tutte le parti dell'universo che ora possiamo vedere erano così piccole e vicine l'una all'altra da poteva scambiare informazioni, cioè la distanza dell'orizzonte comprendeva tutto l'universo che ora possiamo osservare. Prima (e durante) l'inflazione, c'era un tempo sufficiente perché l'universo osservabile si omogeneizzasse e raggiungesse la stessa temperatura. Quindi, l'inflazione ha ampliato enormemente quelle regioni, così che molte parti dell'universo sono ora al di là dell'orizzonte dell'altro.

Un altro fascino del modello inflazionistico è la sua previsione che la densità dell'universo dovrebbe essere esattamente uguale alla densità critica. Per capire perché è così, ricorda che la curvatura dello spaziotempo è intimamente legata alla densità della materia. Se l'universo iniziasse con una curvatura del suo spaziotempo, un'analogia potrebbe essere la pelle di un pallone. Il periodo di inflazione era equivalente a far esplodere il pallone a una dimensione tremenda. L'universo è diventato così grande che dal nostro punto di vista non dovrebbe essere visibile alcuna curvatura (Figura 29.26). Allo stesso modo, la superficie terrestre è così grande che ci sembra piatta, non importa dove siamo. I calcoli mostrano che un universo senza curvatura è un universo a densità critica. Gli universi con densità superiori o inferiori alla densità critica mostrerebbero una curvatura marcata. Ma abbiamo visto che le osservazioni del CMB nella Figura 29.18, che mostrano che l'universo ha densità critica, escludono la possibilità che lo spazio sia significativamente curvo.

Teorie della Grande Unificazione

Sebbene l'inflazione sia un'idea intrigante e ampiamente accettata dai ricercatori, non possiamo osservare direttamente gli eventi così presto nell'universo. Le condizioni al momento dell'inflazione erano così estreme che non possiamo riprodurle nei nostri laboratori o acceleratori ad alta energia, ma gli scienziati hanno alcune idee su come avrebbe potuto essere l'universo. Queste idee sono chiamate grandi teorie unificate o GUT.

Nei modelli GUT, le forze con cui abbiamo familiarità qui sulla Terra, inclusi gravità ed elettromagnetismo, si sono comportate in modo molto diverso nelle condizioni estreme dell'universo primordiale rispetto a oggi. Nella scienza fisica, il termine vigore è usato per descrivere tutto ciò che può cambiare il movimento di una particella o di un corpo. Una delle scoperte notevoli della scienza moderna è che tutti i processi fisici conosciuti possono essere descritti attraverso l'azione di appena quattro forze: gravità, elettromagnetismo, forza nucleare forte e forza nucleare debole (Tabella 29.3).

Vigore Forza relativa oggi Gamma di azione Applicazioni importanti
Gravità 1 Universo intero Moti di pianeti, stelle, galassie
Elettromagnetismo 10 36 Universo intero Atomi, molecole, elettricità, campi magnetici
Forza nucleare debole 10 33 10 –17 metri Decadimento radioattivo
Forza nucleare forte 10 38 10 –15 metri L'esistenza dei nuclei atomici

La gravità è forse la forza più familiare e sicuramente appare forte se salti da un edificio alto. Tuttavia, la forza di gravità tra due particelle elementari, diciamo due protoni, è di gran lunga la più debole delle quattro forze. L'elettromagnetismo, che include sia le forze magnetiche che quelle elettriche, tiene insieme gli atomi e produce la radiazione elettromagnetica che usiamo per studiare l'universo, è molto più forte, come puoi vedere nella Tabella 29.3. La forza nucleare debole è debole solo rispetto al suo "cugino" forte, ma in realtà è molto più forte della gravità.

Sia la forza nucleare debole che quella forte differiscono dalle prime due forze in quanto agiscono solo su distanze molto piccole, quelle paragonabili alle dimensioni di un nucleo atomico o meno. La forza debole è coinvolta nel decadimento radioattivo e nelle reazioni che portano alla produzione di neutrini. La forza forte tiene insieme protoni e neutroni in un nucleo atomico.

I fisici si sono chiesti perché ci sono quattro forze nell'universo: perché non 300 o, preferibilmente, solo una? Un indizio importante viene dal nome forza elettromagnetica. Per molto tempo, gli scienziati hanno pensato che le forze dell'elettricità e del magnetismo fossero separate, ma James Clerk Maxwell (vedi il capitolo su Radiazioni e spettri) è stato in grado di unificare queste forze, per mostrare che sono aspetti dello stesso fenomeno. Allo stesso modo, molti scienziati (incluso Einstein) si sono chiesti se le quattro forze che ora conosciamo potrebbero anche essere unificate. I fisici hanno effettivamente sviluppato GUT che unificano tre delle quattro forze (ma non la gravità).

In queste teorie, le forze forte, debole ed elettromagnetica non sono tre forze indipendenti, ma sono invece manifestazioni o aspetti diversi di ciò che è, di fatto, una singola forza. Le teorie prevedono che a temperature sufficientemente elevate ci sarebbe solo una forza. A temperature più basse (come quelle dell'universo odierno), tuttavia, questa singola forza si è trasformata in tre diverse forze (Figura 29.27). Proprio come gas o liquidi diversi si congelano a temperature diverse, possiamo dire che le diverse forze "si sono congelate" dalla forza unificata a temperature diverse. Sfortunatamente, le temperature alle quali le tre forze hanno agito come una forza sono così alte che non possono essere raggiunte in nessun laboratorio sulla Terra. Solo l'universo primordiale, a volte prima dei 10 –35 secondi, era abbastanza caldo da unificare queste forze.

Molti fisici pensano che la gravità sia stata unificata anche con le altre tre forze a temperature ancora più elevate, e gli scienziati hanno cercato di sviluppare una teoria che combini tutte e quattro le forze. Ad esempio, nella teoria delle stringhe, le particelle di materia puntiformi di cui abbiamo discusso in questo libro sono sostituite da oggetti unidimensionali chiamati stringhe. In questa teoria, le stringhe infinitesimali, che hanno lunghezza ma non altezza o larghezza, sono gli elementi costitutivi utilizzati per costruire tutte le forme di materia ed energia nell'universo. Queste stringhe esistono nello spazio a 11 dimensioni (non nello spaziotempo a 4 dimensioni con cui abbiamo familiarità). Le corde vibrano nelle varie dimensioni e, a seconda di come vibrano, sono viste nel nostro mondo come materia, gravità o luce. Come puoi immaginare, la matematica della teoria delle stringhe è molto complessa e la teoria rimane non testata dagli esperimenti. Anche i più grandi acceleratori di particelle sulla Terra non raggiungono un'energia sufficientemente elevata per dimostrare se la teoria delle stringhe si applica al mondo reale.

La teoria delle stringhe è interessante per gli scienziati perché è attualmente l'unico approccio che sembra avere il potenziale di combinare tutte e quattro le forze per produrre quella che i fisici hanno chiamato la Teoria del Tutto. 3 Le teorie delle prime fasi dell'universo devono tenere conto sia della meccanica quantistica che della gravità, ma al livello più semplice la gravità e la meccanica quantistica sono incompatibili. La relatività generale, la nostra migliore teoria della gravità, dice che i moti degli oggetti possono essere previsti esattamente. La meccanica quantistica dice che puoi calcolare solo la probabilità (possibilità) che un oggetto faccia qualcosa. La teoria delle stringhe è un tentativo di risolvere questo paradosso. La matematica che sta alla base della teoria delle stringhe è elegante e bella, ma resta da vedere se farà previsioni che possono essere testate da osservazioni in acceleratori ad alta energia ancora da sviluppare sulla Terra o da osservazioni dell'universo primordiale .

Il primo periodo nella storia dell'universo dal tempo zero a 10 –43 secondi è chiamato il tempo di Planck. L'universo era inimmaginabilmente caldo e denso, e i teorici credono che in quel momento gli effetti quantistici della gravità dominassero le interazioni fisiche e, come abbiamo appena discusso, non abbiamo una teoria testata della gravità quantistica. Si ipotizza che l'inflazione sia avvenuta un po' più tardi, quando l'universo aveva forse un'età compresa tra 10 –35 e 10 –33 secondi e la temperatura era compresa tra 10 27 e 10 28 K. Questa rapida espansione ha avuto luogo quando tre forze (elettromagnetica, forte e debole ) si pensa che siano stati unificati, e questo è il momento in cui i GUT sono applicabili.

Dopo l'inflazione, l'universo ha continuato ad espandersi (ma più lentamente) ea raffreddarsi. Un importante traguardo è stato raggiunto quando la temperatura è scesa a 10 15 K e l'universo aveva 10-10 secondi di età. In queste condizioni, tutte e quattro le forze erano separate e distinte. Gli acceleratori di particelle ad alta energia possono raggiungere condizioni simili, e quindi le teorie sulla storia dell'universo da questo punto in poi hanno una solida base negli esperimenti.

Finora, non abbiamo prove dirette di quali fossero le condizioni durante l'epoca inflazionistica e le idee qui presentate sono speculative. I ricercatori stanno cercando di ideare alcuni test sperimentali. Ad esempio, le fluttuazioni quantistiche nell'universo primordiale avrebbero causato variazioni di densità e prodotto onde gravitazionali che potrebbero aver lasciato un'impronta rilevabile sulla CMB. Il rilevamento di tale impronta richiederà osservazioni con apparecchiature la cui sensibilità è migliorata rispetto a quella che abbiamo oggi. In definitiva, tuttavia, potrebbe fornire la conferma che viviamo in un universo che un tempo ha vissuto un'epoca di rapida inflazione.

Se sei tipico degli studenti che leggono questo libro, potresti aver trovato un po' frustrante questa breve discussione sulla materia oscura, l'inflazione e la cosmologia. Abbiamo offerto scorci di teorie e osservazioni, ma abbiamo sollevato più domande di quante ne abbiamo risposto. Cos'è la materia oscura? Cos'è l'energia oscura? L'inflazione spiega le osservazioni di piattezza e uniformità dell'università, ma è realmente accaduto? Queste idee sono in prima linea nella scienza moderna, in cui il progresso porta quasi sempre a nuovi enigmi, ed è necessario molto più lavoro prima di poter vedere chiaramente. Tieni presente che è passato meno di un secolo da quando Hubble ha dimostrato l'esistenza di altre galassie. La ricerca per capire come è nato l'universo delle galassie terrà occupati gli astronomi per molto tempo a venire.


Elezioni vincenti

Tuttavia, la principale preoccupazione del presidente Nixon non erano i detentori di dollari, il deficit o l'inflazione. Temeva un'altra recessione. Lui e altri candidati alla rielezione volevano che l'economia esplodesse. Il modo per farlo, ragionò Nixon, era fare pressione sulla Fed per tassi di interesse bassi.

Nixon licenziò il presidente della Fed William McChesney Martin e nominò il consigliere presidenziale Arthur Burns come successore di Martin all'inizio del 1970. Sebbene si supponga che la Fed si dedichi esclusivamente a politiche di creazione di denaro che promuovono la crescita senza inflazione eccessiva, a Burns furono presto insegnati i fatti politici della vita. Nixon voleva denaro a buon mercato: tassi di interesse bassi che avrebbero promosso la crescita a breve termine e avrebbero fatto sembrare l'economia forte mentre gli elettori votavano.


Contenuti

Famiglia

Hawking è nato l'8 gennaio 1942 [24] [25] [26] a Oxford da Frank (1905–1986) [27] [28] e Isobel Eileen Hawking ( nata Walker 1915-2013). [29] [30] [31] [32] La madre di Hawking è nata in una famiglia di medici a Glasgow, in Scozia. [33] [34] Il suo ricco bisnonno paterno, originario dello Yorkshire, si prodigò troppo nell'acquisto di terreni agricoli e poi andò in bancarotta durante la grande depressione agricola all'inizio del XX secolo. [34] La sua bisnonna paterna salvò la famiglia dalla rovina finanziaria aprendo una scuola nella loro casa. [34] Nonostante i vincoli finanziari delle loro famiglie, entrambi i genitori frequentarono l'Università di Oxford, dove Frank leggeva medicina e Isobel leggeva Filosofia, Politica ed Economia. [30] Isobel lavorava come segretaria per un istituto di ricerca medica e Frank era un ricercatore medico. [30] [35] Hawking aveva due sorelle più giovani, Philippa e Mary, e un fratello adottivo, Edward Frank David (1955-2003). [36] [37]

Nel 1950, quando il padre di Hawking divenne capo della divisione di parassitologia presso il National Institute for Medical Research, la famiglia si trasferì a St Albans, nell'Hertfordshire. [38] [39] A St Albans, la famiglia era considerata molto intelligente e alquanto eccentrica [38] [40] i pasti venivano spesso spesi con ogni persona che leggeva in silenzio un libro. [38] Vivevano un'esistenza frugale in una casa grande, disordinata e mal tenuta e viaggiavano in un taxi londinese convertito. [41] [42] Durante una delle frequenti assenze del padre di Hawking per lavoro in Africa, [43] il resto della famiglia trascorse quattro mesi a Maiorca facendo visita all'amica di sua madre Beryl ea suo marito, il poeta Robert Graves. [44]

Anni di scuola primaria e secondaria

Hawking ha iniziato i suoi studi alla Byron House School di Highgate, Londra. In seguito ha accusato i suoi "metodi progressivi" per il suo fallimento nell'imparare a leggere mentre era a scuola. [45] [38] A St Albans, la bambina di otto anni Hawking ha frequentato la St Albans High School for Girls per alcuni mesi. A quel tempo, i ragazzi più giovani potevano frequentare una delle case. [44] [46]

Hawking ha frequentato due scuole indipendenti (cioè a pagamento), la prima Radlett School [46] e dal settembre 1952, la St Albans School, [26] [47] dopo aver superato gli undici anni in anticipo. [48] ​​La famiglia attribuiva un alto valore all'istruzione. [38] Il padre di Hawking voleva che suo figlio frequentasse la rinomata Westminster School, ma il tredicenne Hawking era malato il giorno dell'esame della borsa di studio. La sua famiglia non poteva permettersi le tasse scolastiche senza l'aiuto finanziario di una borsa di studio, quindi Hawking rimase a St Albans. [49] [50] Una conseguenza positiva fu che Hawking rimase vicino a un gruppo di amici con cui si divertiva con i giochi da tavolo, la fabbricazione di fuochi d'artificio, modellini di aeroplani e barche, [51] e lunghe discussioni sul cristianesimo e sulla percezione extrasensoriale. [52] Dal 1958 in poi, con l'aiuto dell'insegnante di matematica Dikran Tahta, costruirono un computer con parti di un orologio, un vecchio centralino telefonico e altri componenti riciclati. [53] [54]

Sebbene conosciuto a scuola come "Einstein", Hawking non ebbe inizialmente successo accademico. [55] Col tempo iniziò a mostrare una notevole attitudine per le materie scientifiche e, ispirato da Tahta, decise di studiare matematica all'università. [56] [57] [58] Il padre di Hawking gli consigliò di studiare medicina, preoccupato che ci fossero pochi posti di lavoro per i laureati in matematica. [59] Voleva anche che suo figlio frequentasse l'University College di Oxford, il suo stesso alma mater. Poiché all'epoca non era possibile leggere la matematica lì, Hawking decise di studiare fisica e chimica. Nonostante il consiglio del suo preside di aspettare fino all'anno successivo, Hawking ottenne una borsa di studio dopo aver sostenuto gli esami nel marzo 1959. [60] [61]

Anni universitari

Hawking ha iniziato la sua formazione universitaria presso l'University College di Oxford, [26] nell'ottobre 1959 all'età di 17 anni. [62] Per i primi diciotto mesi era annoiato e solo - ha trovato il lavoro accademico "ridicolamente facile". [63] [64] Il suo tutor di fisica, Robert Berman, in seguito disse: "Era solo necessario per lui sapere che qualcosa poteva essere fatto, e poteva farlo senza guardare come gli altri lo facevano". [4] Un cambiamento avvenne durante il suo secondo e terzo anno quando, secondo Berman, Hawking fece più di uno sforzo "per essere uno dei ragazzi". Si è sviluppato in un membro del college popolare, vivace e spiritoso, interessato alla musica classica e alla fantascienza. [62] Parte della trasformazione derivò dalla sua decisione di unirsi al club nautico del college, l'University College Boat Club, dove guidava un equipaggio di canottaggio. [65] [66] L'allenatore di canottaggio all'epoca notò che Hawking coltivava un'immagine temeraria, guidando il suo equipaggio su rotte rischiose che portavano a barche danneggiate. [65] [67] Hawking stimò di aver studiato circa 1.000 ore durante i suoi tre anni a Oxford. Queste abitudini di studio poco impressionanti hanno reso una sfida per gli esami finali e ha deciso di rispondere solo a domande di fisica teorica piuttosto che a quelle che richiedono una conoscenza fattuale. Una laurea con lode di prima classe era una condizione per l'accettazione del suo programma di studi universitari in cosmologia all'Università di Cambridge. [68] [69] Ansioso, dormì male la notte prima degli esami, e il risultato finale fu al confine tra lode di prima e seconda classe, facendo un Viva (esame orale) con gli esaminatori di Oxford necessari. [69] [70]

Hawking era preoccupato di essere visto come uno studente pigro e difficile. Quindi, quando gli è stato chiesto al vivaio di descrivere i suoi piani, ha detto: "Se mi concedi un Primo, andrò a Cambridge. Se ricevo un Secondo, rimarrò a Oxford, quindi mi aspetto che mi darai un Primo ." [69] [71] Era tenuto in maggiore considerazione di quanto credesse come commentò Berman, gli esaminatori "erano abbastanza intelligenti da rendersi conto che stavano parlando con qualcuno molto più intelligente della maggior parte di loro". [69] Dopo aver conseguito una laurea di primo livello in fisica e aver completato un viaggio in Iran con un amico, iniziò il suo lavoro di laurea presso la Trinity Hall, Cambridge, nell'ottobre 1962. [26] [72] [73 ]

Anni di laurea

Il primo anno di Hawking come studente di dottorato è stato difficile. Inizialmente fu deluso nello scoprire che gli era stato assegnato Dennis William Sciama, uno dei fondatori della cosmologia moderna, come supervisore piuttosto che il noto astronomo Fred Hoyle, [74] [75] e trovò la sua formazione in matematica inadeguata per il lavoro in relatività generale e cosmologia. [76] Dopo la diagnosi di malattia del motoneurone, Hawking cadde in depressione – sebbene i suoi medici gli consigliassero di continuare con i suoi studi, sentiva che non aveva senso. [77] La ​​sua malattia è progredita più lentamente di quanto i medici avessero previsto. Sebbene Hawking avesse difficoltà a camminare senza supporto e il suo discorso fosse quasi incomprensibile, una diagnosi iniziale secondo cui aveva solo due anni di vita si è rivelata infondata. Con l'incoraggiamento di Sciama, tornò al suo lavoro. [78] [79] Hawking iniziò a sviluppare una reputazione di brillantezza e sfacciataggine quando sfidò pubblicamente il lavoro di Fred Hoyle e del suo studente Jayant Narlikar in una conferenza nel giugno 1964. [80] [81]

Quando Hawking iniziò i suoi studi universitari, c'era molto dibattito nella comunità dei fisici sulle teorie prevalenti sulla creazione dell'universo: le teorie del Big Bang e dello stato stazionario. [82] Ispirato dal teorema di Roger Penrose di una singolarità spaziotemporale al centro dei buchi neri, Hawking applicò lo stesso pensiero all'intero universo e, nel 1965, scrisse la sua tesi su questo argomento. [83] [84] La tesi di Hawking [85] fu approvata nel 1966. [85] Ci furono altri sviluppi positivi: Hawking ricevette una borsa di studio al Gonville and Caius College di Cambridge [86] ottenne il dottorato in matematica applicata e teoria fisica, specializzato in relatività generale e cosmologia, nel marzo 1966 [87] e il suo saggio "Singularities and the Geometry of Space-Time" hanno condiviso il massimo dei voti con uno di Penrose per vincere il prestigioso Adams Prize di quell'anno. [88] [87]

1966–1975

Nel suo lavoro, e in collaborazione con Penrose, Hawking ha esteso i concetti del teorema di singolarità esplorati per la prima volta nella sua tesi di dottorato. Ciò includeva non solo l'esistenza di singolarità, ma anche la teoria che l'universo potesse essere iniziato come una singolarità. Il loro saggio congiunto è stato il secondo classificato al concorso Gravity Research Foundation del 1968. [89] [90] Nel 1970 pubblicarono una prova che se l'universo obbedisce alla teoria della relatività generale e si adatta a uno qualsiasi dei modelli di cosmologia fisica sviluppati da Alexander Friedmann, allora deve essere iniziato come una singolarità. [91] [92] [93] Nel 1969, Hawking accettò una Fellowship for Distinction in Science appositamente creata per rimanere a Caius. [94]

Nel 1970, Hawking postulò quella che divenne nota come la seconda legge della dinamica dei buchi neri, secondo cui l'orizzonte degli eventi di un buco nero non può mai ridursi. [95] Con James M. Bardeen e Brandon Carter, propose le quattro leggi della meccanica dei buchi neri, tracciando un'analogia con la termodinamica. [96] Con irritazione di Hawking, Jacob Bekenstein, uno studente laureato di John Wheeler, andò oltre, e alla fine correttamente, per applicare letteralmente i concetti termodinamici. [97] [98]

All'inizio degli anni '70, il lavoro di Hawking con Carter, Werner Israel e David C. Robinson sostenne fortemente il teorema senza capelli di Wheeler, uno che afferma che non importa quale sia il materiale originale da cui viene creato un buco nero, può essere completamente descritto da le proprietà di massa, carica elettrica e rotazione. [99] [100] Il suo saggio intitolato "Black Holes" ha vinto il Gravity Research Foundation Award nel gennaio 1971. [101] Il primo libro di Hawking, La struttura su larga scala dello spazio-tempo, scritto con George Ellis, è stato pubblicato nel 1973. [102]

A partire dal 1973, Hawking si è dedicato allo studio della gravità quantistica e della meccanica quantistica. [103] [102] Il suo lavoro in quest'area è stato stimolato da una visita a Mosca e dalle discussioni con Yakov Borisovich Zel'dovich e Alexei Starobinsky, il cui lavoro ha mostrato che secondo il principio di indeterminazione, i buchi neri rotanti emettono particelle. [104] Per il fastidio di Hawking, i suoi calcoli molto controllati hanno prodotto risultati che contraddicevano la sua seconda legge, che sosteneva che i buchi neri non avrebbero mai potuto ridursi, [105] e supportavano il ragionamento di Bekenstein sulla loro entropia. [104] [106]

I suoi risultati, presentati da Hawking dal 1974, hanno mostrato che i buchi neri emettono radiazioni, note oggi come radiazioni di Hawking, che possono continuare fino a quando non esauriscono la loro energia ed evaporano. [107] [108] [109] Inizialmente, la radiazione di Hawking era controversa. Alla fine degli anni '70 e in seguito alla pubblicazione di ulteriori ricerche, la scoperta fu ampiamente accettata come una svolta significativa nella fisica teorica. [110] [111] [112] Hawking fu eletto Fellow della Royal Society (FRS) nel 1974, poche settimane dopo l'annuncio della radiazione di Hawking. A quel tempo, era uno dei più giovani scienziati a diventare Fellow. [113] [114]

Hawking è stato nominato alla Sherman Fairchild Distinguished Visiting Professorship presso il California Institute of Technology (Caltech) nel 1974. Ha lavorato con un amico della facoltà, Kip Thorne, [115] [8] e lo ha coinvolto in una scommessa scientifica sul fatto che il La sorgente di raggi X Cygnus X-1 era un buco nero. La scommessa era una "polizza assicurativa" contro la proposizione che i buchi neri non esistessero. [116] Hawking riconobbe di aver perso la scommessa nel 1990, una scommessa che fu la prima di molte che avrebbe fatto con Thorne e altri. [117] Hawking aveva mantenuto legami con il Caltech, trascorrendovi un mese quasi ogni anno da questa prima visita. [118]

1975–1990

Hawking tornò a Cambridge nel 1975 per un posto accademico più anziano, come lettore di fisica gravitazionale. La metà e la fine degli anni '70 furono un periodo di crescente interesse pubblico per i buchi neri e per i fisici che li studiavano. Hawking è stato regolarmente intervistato per la stampa e la televisione. [119] [120] Ha anche ricevuto un crescente riconoscimento accademico del suo lavoro. [121] Nel 1975 ricevette sia la Medaglia Eddington che la Medaglia d'Oro Pio XI, e nel 1976 il Premio Dannie Heineman, la Medaglia e Premio Maxwell e la Medaglia Hughes. [122] [123] Fu nominato professore con una cattedra in fisica gravitazionale nel 1977. [124] L'anno successivo ricevette la medaglia Albert Einstein e un dottorato onorario dall'Università di Oxford. [125] [121]

Nel 1979, Hawking fu eletto Professore Lucasiano di Matematica all'Università di Cambridge. [121] [126] La sua conferenza inaugurale in questo ruolo era intitolata: "La fine è in vista per la fisica teorica?" e propose la supergravità N=8 come la teoria principale per risolvere molti dei problemi in sospeso che i fisici stavano studiando. [127] La ​​sua promozione coincise con una crisi sanitaria che lo portò ad accettare, seppur a malincuore, alcuni servizi infermieristici a domicilio. [128] Allo stesso tempo, stava anche facendo una transizione nel suo approccio alla fisica, diventando più intuitivo e speculativo piuttosto che insistendo su dimostrazioni matematiche. "Preferirei avere ragione che rigore", ha detto a Kip Thorne. [129] Nel 1981, ha proposto che l'informazione in un buco nero sia irrimediabilmente persa quando un buco nero evapora. Questo paradosso dell'informazione viola il principio fondamentale della meccanica quantistica e ha portato ad anni di dibattito, tra cui "la guerra dei buchi neri" con Leonard Susskind e Gerard 't Hooft. [130] [131]

L'inflazione cosmologica - una teoria che propone che dopo il Big Bang, l'universo inizialmente si sia espanso in modo incredibilmente rapido prima di stabilizzarsi su un'espansione più lenta - è stata proposta da Alan Guth e sviluppata anche da Andrei Linde. [132] A seguito di una conferenza a Mosca nell'ottobre 1981, Hawking e Gary Gibbons [8] organizzarono un Nuffield Workshop di tre settimane nell'estate del 1982 su "The Very Early Universe" presso l'Università di Cambridge, un workshop incentrato principalmente sulla teoria dell'inflazione . [133] [134] [135] Hawking iniziò anche una nuova linea di ricerca sulla teoria quantistica sull'origine dell'universo. Nel 1981 a una conferenza vaticana, ha presentato un lavoro che suggerisce che potrebbe non esserci alcun confine - o inizio o fine - per l'universo. [136] [137]

Hawking sviluppò successivamente la ricerca in collaborazione con Jim Hartle, [8] e nel 1983 pubblicò un modello, noto come stato di Hartle-Hawking. Ha proposto che prima dell'epoca di Planck, l'universo non avesse confini nello spazio-tempo prima del Big Bang, il tempo non esisteva e il concetto dell'inizio dell'universo è privo di significato. [138] La singolarità iniziale dei modelli classici del Big Bang è stata sostituita con una regione simile al Polo Nord. Non si può viaggiare a nord del Polo Nord, ma lì non c'è confine: è semplicemente il punto in cui tutte le linee che corrono verso nord si incontrano e finiscono. [139] [140] Inizialmente, la proposta senza confini prevedeva un universo chiuso, che aveva implicazioni sull'esistenza di Dio. Come ha spiegato Hawking, "Se l'universo non ha confini ma è autosufficiente, allora Dio non avrebbe avuto alcuna libertà di scegliere come è iniziato l'universo". [141]

Hawking non ha escluso l'esistenza di un Creatore, chiedendo in Una breve storia del tempo "La teoria unificata è così convincente da determinare la propria esistenza?", [142] affermando anche "Se scoprissimo una teoria completa, sarebbe il trionfo finale della ragione umana - perché allora dovremmo conoscere la mente di Dio" [143] nei suoi primi lavori, Hawking parlava di Dio in senso metaforico. Nello stesso libro ha suggerito che l'esistenza di Dio non era necessaria per spiegare l'origine dell'universo. Discussioni successive con Neil Turok portarono alla realizzazione che l'esistenza di Dio era compatibile anche con un universo aperto. [144]

Ulteriori lavori di Hawking nell'area delle frecce del tempo hanno portato alla pubblicazione nel 1985 di un articolo che teorizzava che se la proposizione senza confini fosse corretta, allora quando l'universo smetteva di espandersi e alla fine collassava, il tempo scorrerebbe all'indietro. [145] Un articolo di Don Page e calcoli indipendenti di Raymond Laflamme hanno portato Hawking a ritirare questo concetto. [146] Le onorificenze continuarono ad essere assegnate: nel 1981 gli fu conferita l'American Franklin Medal, [147] e nel 1982 New Year Honours nominato Comandante dell'Ordine dell'Impero Britannico (CBE). [148] [149] [150] Questi premi non cambiarono significativamente la situazione finanziaria di Hawking, e motivato dalla necessità di finanziare l'istruzione e le spese per la casa dei suoi figli, decise nel 1982 di scrivere un libro popolare sull'universo che sarebbe stato accessibile al grande pubblico. [151] [152] Invece di pubblicare con una stampa accademica, firmò un contratto con Bantam Books, un editore del mercato di massa, e ricevette un grande anticipo per il suo libro. [153] [154] Una prima stesura del libro, intitolata Una breve storia del tempo, è stato completato nel 1984. [155]

Uno dei primi messaggi che Hawking ha prodotto con il suo dispositivo di generazione del parlato è stata una richiesta al suo assistente di aiutarlo a finire di scrivere Una breve storia del tempo. [156] Peter Guzzardi, il suo editore alla Bantam, lo spinse a spiegare chiaramente le sue idee in un linguaggio non tecnico, un processo che richiese molte revisioni da un Hawking sempre più irritato. [157] Il libro è stato pubblicato nell'aprile 1988 negli Stati Uniti e nel giugno nel Regno Unito, e si è rivelato un successo straordinario, salendo rapidamente in cima alle liste dei best-seller in entrambi i paesi e rimanendovi per mesi. [158] [159] [160] Il libro è stato tradotto in molte lingue, [161] e alla fine ha venduto circa 9 milioni di copie. [160]

L'attenzione dei media è stata intensa, [161] e a Newsweek la copertina di una rivista e uno speciale televisivo lo descrivono entrambi come "Master of the Universe". [162] Il successo ha portato a notevoli ricompense finanziarie, ma anche alle sfide dello status di celebrità. [163] Hawking viaggiò molto per promuovere il suo lavoro e si divertiva a festeggiare e ballare fino alle ore piccole. [161] La difficoltà a rifiutare gli inviti e le visite lasciava a lui poco tempo per il lavoro e per i suoi studenti. [164] Alcuni colleghi erano risentiti per l'attenzione ricevuta da Hawking, ritenendo che fosse dovuta alla sua disabilità. [165] [166]

Ha ricevuto ulteriori riconoscimenti accademici, tra cui altre cinque lauree honoris causa, [162] la Medaglia d'Oro della Royal Astronomical Society (1985), [167] la Medaglia Paul Dirac (1987) [162] e, insieme a Penrose, il prestigioso Premio Wolf. (1988). [168] Nel 1989 Birthday Honours, è stato nominato Companion of Honor (CH). [164] [169] Secondo quanto riferito, ha rifiutato il titolo di cavaliere alla fine degli anni '90 in opposizione alla politica di finanziamento della scienza del Regno Unito. [170] [171]

1990–2000

Hawking ha proseguito il suo lavoro in fisica: nel 1993 ha co-curato un libro sulla gravità quantistica euclidea con Gary Gibbons e ha pubblicato un'edizione raccolta dei suoi articoli sui buchi neri e il Big Bang. [172] Nel 1994, al Newton Institute di Cambridge, Hawking e Penrose tennero una serie di sei conferenze che furono pubblicate nel 1996 come "La natura dello spazio e del tempo". [173] Nel 1997, ha concesso una scommessa scientifica pubblica del 1991 fatta con Kip Thorne e John Preskill del Caltech. Hawking aveva scommesso che la proposta di Penrose di una "congettura di censura cosmica" - che non potevano esserci "nude singolarità" scoperte all'interno di un orizzonte - fosse corretta. [174]

Dopo aver scoperto che la sua concessione poteva essere prematura, fu fatta una nuova e più raffinata scommessa. Questo specificava che tali singolarità si sarebbero verificate senza condizioni aggiuntive. [175] Lo stesso anno, Thorne, Hawking e Preskill fecero un'altra scommessa, questa volta sul paradosso dell'informazione del buco nero. [176] [177] Thorne e Hawking hanno sostenuto che poiché la relatività generale ha reso impossibile per i buchi neri irradiare e perdere informazioni, l'energia di massa e le informazioni trasportate dalla radiazione di Hawking devono essere "nuove", e non dall'interno dell'evento del buco nero orizzonte. Poiché ciò contraddiceva la meccanica quantistica della microcausalità, la teoria della meccanica quantistica avrebbe bisogno di essere riscritta. Preskill ha sostenuto il contrario, che poiché la meccanica quantistica suggerisce che l'informazione emessa da un buco nero si riferisce a informazioni che sono cadute in un momento precedente, il concetto di buchi neri dato dalla relatività generale deve essere modificato in qualche modo. [178]

Hawking ha anche mantenuto il suo profilo pubblico, portando la scienza a un pubblico più ampio. Una versione cinematografica di Una breve storia del tempo, diretto da Errol Morris e prodotto da Steven Spielberg, è stato presentato per la prima volta nel 1992. Hawking avrebbe voluto che il film fosse scientifico piuttosto che biografico, ma era convinto del contrario. Il film, sebbene un successo di critica, non è stato ampiamente distribuito. [179] Una raccolta di saggi, interviste e discorsi di livello popolare intitolata Buchi neri e universi infantili e altri saggi è stato pubblicato nel 1993, [180] e una serie televisiva in sei parti L'universo di Stephen Hawking e un libro di accompagnamento è apparso nel 1997. Come ha insistito Hawking, questa volta l'attenzione era interamente sulla scienza. [181] [182]

2000–2018

Hawking ha continuato i suoi scritti per un pubblico popolare, pubblicando L'universo in poche parole nel 2001, [183] ​​e Una breve storia del tempo, che ha scritto nel 2005 con Leonard Mlodinow per aggiornare i suoi primi lavori con l'obiettivo di renderli accessibili a un pubblico più ampio, e Dio ha creato gli interi, apparso nel 2006. [184] Insieme a Thomas Hertog al CERN e Jim Hartle, dal 2006 in poi Hawking ha sviluppato una teoria della cosmologia top-down, che afferma che l'universo non aveva un unico stato iniziale ma molti diversi, e quindi che è inappropriato formulare una teoria che predice l'attuale configurazione dell'universo da un particolare stato iniziale. [185] La cosmologia top-down postula che il presente "seleziona" il passato da una sovrapposizione di molte storie possibili. In tal modo, la teoria suggerisce una possibile risoluzione della questione della messa a punto. [186] [187]

Hawking continuò a viaggiare molto, inclusi viaggi in Cile, Isola di Pasqua, Sud Africa, Spagna (per ricevere il Premio Fonseca nel 2008), [188] [189] Canada, [190] e numerosi viaggi negli Stati Uniti. [191] Per ragioni pratiche legate alla sua disabilità, Hawking viaggiava sempre più su jet privati, e nel 2011 quella era diventata la sua unica modalità di viaggio internazionale. [192]

Nel 2003, stava crescendo il consenso tra i fisici sul fatto che Hawking si sbagliasse sulla perdita di informazioni in un buco nero.[193] In una conferenza del 2004 a Dublino, ha concesso la sua scommessa del 1997 con Preskill, ma ha descritto la sua soluzione alquanto controversa al problema del paradosso dell'informazione, che implica la possibilità che i buchi neri abbiano più di una topologia. [194] [178] Nel documento del 2005 che ha pubblicato sull'argomento, ha sostenuto che il paradosso dell'informazione è stato spiegato esaminando tutte le storie alternative degli universi, con la perdita di informazioni in quelli con buchi neri annullata da quelli senza tale perdita . [177] [195] Nel gennaio 2014, ha definito la presunta perdita di informazioni nei buchi neri il suo "più grande errore". [196]

Come parte di un'altra lunga disputa scientifica, Hawking aveva sostenuto con forza, e scommesso, che il bosone di Higgs non sarebbe mai stato trovato. [197] La ​​particella è stata proposta come parte della teoria del campo di Higgs da Peter Higgs nel 1964. Hawking e Higgs si sono impegnati in un acceso dibattito pubblico sulla questione nel 2002 e di nuovo nel 2008, con Higgs che ha criticato il lavoro di Hawking e si è lamentato del fatto che "Lo status di celebrità di Hawking gli dà una credibilità istantanea che gli altri non hanno". [198] La particella è stata scoperta nel luglio 2012 al CERN in seguito alla costruzione del Large Hadron Collider. Hawking ha subito ammesso di aver perso la sua scommessa [199] [200] e ha detto che Higgs dovrebbe vincere il Premio Nobel per la fisica, [201], cosa che ha fatto nel 2013. [202]

Nel 2007, Hawking e sua figlia Lucy hanno pubblicato La chiave segreta di George per l'universo, un libro per bambini progettato per spiegare la fisica teorica in modo accessibile e con personaggi simili a quelli della famiglia Hawking. [203] Il libro è stato seguito da sequel nel 2009, 2011, 2014 e 2016. [204]

Nel 2002, a seguito di un voto in tutto il Regno Unito, la BBC ha incluso Hawking nella lista dei 100 migliori britannici. [205] Ha ricevuto la Medaglia Copley dalla Royal Society (2006), [206] la Medaglia presidenziale della libertà, che è la più alta onorificenza civile americana (2009), [207] e il Premio speciale russo per la fisica fondamentale (2013). [208]

Diversi edifici sono stati intitolati a lui, tra cui lo Stephen W. Hawking Science Museum a San Salvador, El Salvador, [209] lo Stephen Hawking Building a Cambridge, [210] e lo Stephen Hawking Center presso il Perimeter Institute in Canada. [211] Opportunamente, data l'associazione di Hawking con il tempo, ha presentato il Corpus Clock meccanico "Chronophage" (o mangiatempo) al Corpus Christi College, Cambridge nel settembre 2008. [212] [213]

Durante la sua carriera, Hawking ha supervisionato 39 studenti di dottorato di successo. [3] Uno studente di dottorato non ha completato con successo il dottorato. [3] [ è necessaria una fonte migliore ] Come richiesto dalla politica dell'Università di Cambridge, Hawking è andato in pensione come professore di matematica lucasiano nel 2009. [126] [214] Nonostante i suggerimenti che potrebbe lasciare il Regno Unito come protesta contro i tagli di fondi pubblici alla ricerca scientifica di base, [215] Hawking ha lavorato come direttore della ricerca presso il Dipartimento di Matematica Applicata e Fisica Teorica dell'Università di Cambridge. [216]

Il 28 giugno 2009, come test ironico della sua congettura del 1992 che viaggiare nel passato è effettivamente impossibile, Hawking ha organizzato una festa aperta a tutti, completa di antipasti e champagne ghiacciato, ma ha pubblicizzato la festa solo dopo era finita in modo che solo i viaggiatori del tempo sapessero di partecipare come previsto, nessuno si è presentato alla festa. [217]

Il 20 luglio 2015, Hawking ha contribuito a lanciare Breakthrough Initiatives, uno sforzo per cercare la vita extraterrestre. [218] Hawking ha creato Stephen Hawking: Spedizione Nuova Terra, un documentario sulla colonizzazione spaziale, come episodio del 2017 di Il mondo di domani. [219] [220]

Nell'agosto 2015, Hawking ha affermato che non tutte le informazioni vengono perse quando qualcosa entra in un buco nero e che potrebbe esserci la possibilità di recuperare informazioni da un buco nero secondo la sua teoria. [221] Nel luglio 2017, Hawking ha ricevuto un dottorato onorario dall'Imperial College di Londra. [222]

L'ultimo articolo di Hawking - Un'uscita graduale dall'inflazione eterna? – è stato pubblicato postumo nel Journal of High Energy Physics il 27 aprile 2018. [223] [224]

Matrimoni

Hawking incontrò la sua futura moglie, Jane Wilde, a una festa nel 1962. L'anno successivo, a Hawking fu diagnosticata una malattia del motoneurone. Nell'ottobre del 1964, la coppia si fidanzò per sposarsi, consapevole delle potenziali sfide che l'aspettavano a causa della ridotta aspettativa di vita e dei limiti fisici di Hawking. [125] [225] Hawking in seguito disse che il fidanzamento gli aveva dato "qualcosa per cui vivere". [226] I due si sono sposati il ​​14 luglio 1965 nella loro comune città natale di St Albans. [86]

La coppia risiedeva a Cambridge, a pochi passi da Hawking dal Dipartimento di Matematica Applicata e Fisica Teorica (DAMTP). Durante i loro primi anni di matrimonio, Jane ha vissuto a Londra durante la settimana mentre completava la sua laurea al Westfield College. Hanno viaggiato più volte negli Stati Uniti per conferenze e visite relative alla fisica. Jane ha iniziato un programma di dottorato attraverso il Westfield College in poesia spagnola medievale (completato nel 1981). La coppia ebbe tre figli: Robert, nato nel maggio 1967, [227] [228] Lucy, nato nel novembre 1970, [229] e Timothy, nato nell'aprile 1979. [121]

Hawking raramente ha discusso della sua malattia e dei problemi fisici, anche - in un precedente stabilito durante il loro corteggiamento - con Jane. [230] Le sue disabilità significavano che le responsabilità della casa e della famiglia poggiavano saldamente sulle spalle sempre più sopraffatte di sua moglie, lasciandogli più tempo per pensare alla fisica. [231] Al momento della sua nomina nel 1974 a una posizione di un anno presso il California Institute of Technology di Pasadena, in California, Jane propose che uno studente laureato o post-dottorato vivesse con loro e aiutasse con le sue cure. Hawking accettò e Bernard Carr viaggiò con loro come il primo di molti studenti a ricoprire questo ruolo. [232] [233] La famiglia trascorse a Pasadena un anno generalmente felice e stimolante. [234]

Hawking tornò a Cambridge nel 1975 con una nuova casa e un nuovo lavoro, come lettore. Don Page, con il quale Hawking aveva stretto una stretta amicizia al Caltech, arrivò per lavorare come assistente studente laureato dal vivo. Con l'aiuto di Page e quello di una segretaria, le responsabilità di Jane furono ridotte in modo che potesse tornare alla sua tesi di dottorato e al suo nuovo interesse per il canto. [235]

Intorno al dicembre 1977, Jane incontrò l'organista Jonathan Hellyer Jones mentre cantava in un coro di una chiesa. Hellyer Jones si avvicinò alla famiglia Hawking e verso la metà degli anni '80 lui e Jane avevano sviluppato sentimenti romantici l'uno per l'altra. [124] [236] [237] Secondo Jane, suo marito stava accettando la situazione, affermando che "non si sarebbe opposto finché io avessi continuato ad amarlo". [124] [238] [239] Jane e Hellyer Jones erano determinati a non rompere la famiglia, e la loro relazione rimase platonica per un lungo periodo. [240]

Negli anni '80, il matrimonio di Hawking era stato teso per molti anni. Jane si sentiva sopraffatta dall'intrusione nella loro vita familiare delle infermiere e degli assistenti necessari. [241] L'impatto della sua celebrità è stato impegnativo per colleghi e familiari, mentre la prospettiva di essere all'altezza di un'immagine da favola mondiale era scoraggiante per la coppia. [242] [186] Anche le opinioni di Hawking sulla religione contrastavano con la sua forte fede cristiana e provocavano tensioni. [186] [243] [244] Dopo una tracheotomia nel 1985, Hawking ha richiesto un'infermiera a tempo pieno e l'assistenza infermieristica è stata suddivisa in 3 turni giornalieri. Alla fine degli anni '80, Hawking si avvicinò a una delle sue infermiere, Elaine Mason, con sgomento di alcuni colleghi, operatori sanitari e familiari, che erano disturbati dalla sua forza di personalità e protezione. [245] Nel febbraio 1990, Hawking disse a Jane che la stava lasciando per Mason, [246] e lasciò la casa di famiglia. [148] Dopo il suo divorzio da Jane nel 1995, Hawking sposò Mason a settembre, [148] [247] dichiarando: "È meraviglioso: ho sposato la donna che amo". [248]

Nel 1999, Jane Hawking ha pubblicato un libro di memorie, Musica per muovere le stelle, descrivendo il suo matrimonio con Hawking e la sua rottura. Le sue rivelazioni hanno fatto scalpore nei media ma, come era sua consuetudine per quanto riguarda la sua vita personale, Hawking non ha fatto commenti pubblici se non per dire che non ha letto biografie su di sé. [249] Dopo il suo secondo matrimonio, la famiglia di Hawking si sentì esclusa ed emarginata dalla sua vita. [244] Per un periodo di circa cinque anni all'inizio degli anni 2000, la sua famiglia e il suo staff si sono preoccupati sempre più che fosse vittima di abusi fisici. [250] Le indagini della polizia ebbero luogo, ma furono chiuse poiché Hawking si rifiutò di sporgere denuncia. [251]

Nel 2006, Hawking e Mason hanno tranquillamente divorziato, [252] [253] e Hawking ha ripreso rapporti più stretti con Jane, i suoi figli e i suoi nipoti. [186] [253] Riflettendo su questo periodo più felice, una versione rivista del libro di Jane, ribattezzata In viaggio verso l'infinito: la mia vita con Stephen, apparso nel 2007, [251] ed è stato trasformato in un film, La teoria del tutto, nel 2014. [254]

Disabilità

Hawking aveva una rara forma di malattia del motoneurone a esordio precoce e lenta progressione (MND nota anche come sclerosi laterale amiotrofica (SLA) o morbo di Lou Gehrig), una malattia neurodegenerativa fatale che colpisce i motoneuroni nel cervello e nel midollo spinale, che lo paralizzò gradualmente nel corso di decenni. [21]

Hawking aveva sperimentato una crescente goffaggine durante il suo ultimo anno a Oxford, inclusa una caduta su alcune scale e difficoltà durante il canottaggio. [255] [256] I problemi peggiorarono e il suo discorso divenne leggermente confuso. La sua famiglia ha notato i cambiamenti quando è tornato a casa per Natale e sono state avviate le indagini mediche. [257] [258] La diagnosi di MND arrivò quando Hawking aveva 21 anni, nel 1963. A quel tempo, i medici gli diedero un'aspettativa di vita di due anni. [259] [260]

Alla fine degli anni '60, le capacità fisiche di Hawking diminuirono: iniziò a usare le stampelle e non poteva più tenere lezioni regolarmente. [261] Quando perse lentamente la capacità di scrivere, sviluppò metodi visivi compensatori, inclusa la visualizzazione delle equazioni in termini di geometria. [262] [263] Il fisico Werner Israel in seguito paragonò i risultati a Mozart che componeva un'intera sinfonia nella sua testa. [264] [265] Hawking era fieramente indipendente e non voleva accettare aiuto o fare concessioni per le sue disabilità. Preferiva essere considerato "uno scienziato prima di tutto, uno scrittore di divulgazione scientifica in secondo luogo e, in tutti i modi che contano, un normale essere umano con gli stessi desideri, pulsioni, sogni e ambizioni della prossima persona". [266] Sua moglie, Jane Hawking, in seguito notò: "Alcune persone la chiamerebbero determinazione, un po' ostinazione. L'ho chiamata entrambe una volta o l'altra". [267] Ha richiesto molta persuasione per accettare l'uso di una sedia a rotelle alla fine degli anni '60, [268] ma alla fine è diventato famoso per la natura selvaggia della sua guida su sedia a rotelle. [269] Hawking era un collega popolare e spiritoso, ma la sua malattia, così come la sua reputazione di arroganza, lo allontanavano da alcuni. [267]

Quando Hawking iniziò a usare una sedia a rotelle alla fine degli anni '70, utilizzava modelli motorizzati standard. Il primo esempio sopravvissuto di queste sedie è stato realizzato da BEC Mobility e venduto da Christie's nel novembre 2018 per £ 296.750. [270] Hawking ha continuato a usare questo tipo di sedia fino ai primi anni '90, quando la sua capacità di usare le mani per guidare una sedia a rotelle si è deteriorata. Hawking ha utilizzato una varietà di sedie diverse di quel periodo, tra cui una carrozzina elevabile DragonMobility Dragon del 2007, come mostrato nella foto dell'aprile 2008 di Hawking che partecipa al 50° anniversario della NASA [271], una Permobil C350 del 2014 e poi una Permobil F3 del 2016. [ 272]

Il discorso di Hawking si deteriorò e alla fine degli anni '70 poteva essere compreso solo dalla sua famiglia e dai suoi amici più stretti. Per comunicare con gli altri, qualcuno che lo conosceva bene interpretava il suo discorso in un discorso intelligibile. [273] Spronato da una disputa con l'università su chi avrebbe pagato per la rampa necessaria per entrare nel suo posto di lavoro, Hawking e sua moglie hanno fatto una campagna per un migliore accesso e supporto per le persone con disabilità a Cambridge, [274] [275] anche adattato alloggi per studenti all'università. [276] In generale, Hawking aveva sentimenti ambivalenti riguardo al suo ruolo di difensore dei diritti dei disabili: pur volendo aiutare gli altri, cercava anche di distaccarsi dalla sua malattia e dalle sue sfide. [277] La ​​sua mancanza di impegno in questo settore ha portato ad alcune critiche. [278]

Durante una visita al CERN al confine tra Francia e Svizzera a metà del 1985, Hawking contrasse una polmonite, che nelle sue condizioni metteva a rischio la vita, era così malato che a Jane fu chiesto se il supporto vitale doveva essere interrotto. Ha rifiutato, ma la conseguenza è stata una tracheotomia, che ha richiesto cure infermieristiche 24 ore su 24 e la rimozione di ciò che restava del suo discorso. [279] [280] Il servizio sanitario nazionale era pronto a pagare una casa di cura, ma Jane era determinata a vivere a casa. Il costo delle cure è stato finanziato da una fondazione americana. [281] [282] Gli infermieri furono assunti per i tre turni necessari per fornire il supporto 24 ore su 24 di cui aveva bisogno. Una delle impiegate era Elaine Mason, che sarebbe diventata la seconda moglie di Hawking. [283]

Per la sua comunicazione, Hawking inizialmente inarcò le sopracciglia per scegliere le lettere su un cartoncino, [284] ma nel 1986 ricevette un programma per computer chiamato "Equalizer" da Walter Woltosz, CEO di Words Plus, che aveva sviluppato una versione precedente del software per aiutare sua suocera, che soffriva anche di SLA e aveva perso la capacità di parlare e scrivere. [285] In un metodo che usò per il resto della sua vita, Hawking ora poteva semplicemente premere un interruttore per selezionare frasi, parole o lettere da una banca di circa 2.500-3.000 che sono state scansionate. [286] [287] Il programma è stato originariamente eseguito su un computer desktop. Il marito di Elaine Mason, David, un ingegnere informatico, adattò un piccolo computer e lo attaccò alla sua sedia a rotelle. [288]

Liberato dalla necessità di usare qualcuno per interpretare il suo discorso, Hawking ha commentato che "Posso comunicare meglio ora di prima, ho perso la voce". [289] La voce che usava aveva un accento americano e non viene più prodotta. [290] [291] Nonostante la successiva disponibilità di altre voci, Hawking mantenne questa voce originale, dicendo che la preferiva e si identificava con essa. [292] In origine, Hawking attivava un interruttore usando la mano e poteva produrre fino a 15 parole al minuto. [156] Le lezioni sono state preparate in anticipo e sono state inviate al sintetizzatore vocale in brevi sezioni da consegnare. [290]

Hawking perse gradualmente l'uso della mano e nel 2005 iniziò a controllare il suo dispositivo di comunicazione con i movimenti dei muscoli delle guance, [293] [294] [295] con una velocità di circa una parola al minuto. [294] Con questo declino c'era il rischio che sviluppasse la sindrome bloccata, quindi Hawking ha collaborato con i ricercatori Intel su sistemi che potrebbero tradurre i suoi schemi cerebrali o le sue espressioni facciali in attivazioni di interruttori. Dopo che diversi prototipi non hanno funzionato come previsto, hanno optato per un predittore di parole adattivo realizzato dalla startup londinese SwiftKey, che utilizzava un sistema simile alla sua tecnologia originale. Hawking ha avuto un momento più facile nell'adattarsi al nuovo sistema, che è stato ulteriormente sviluppato dopo aver inserito grandi quantità di documenti di Hawking e altri materiali scritti e utilizza un software predittivo simile alle tastiere di altri smartphone. [186] [285] [295] [296]

Nel 2009, non poteva più guidare la sua sedia a rotelle in modo indipendente, ma le stesse persone che hanno creato la sua nuova meccanica di dattilografia stavano lavorando a un metodo per guidare la sua sedia usando i movimenti fatti dal suo mento. Ciò si rivelò difficile, dal momento che Hawking non poteva muovere il collo e le prove mostrarono che mentre poteva effettivamente guidare la sedia, il movimento era sporadico e nervoso. [285] [297] Verso la fine della sua vita, Hawking ha sperimentato un aumento delle difficoltà respiratorie, che spesso gli hanno portato a richiedere l'uso di un ventilatore e ad essere regolarmente ricoverato in ospedale. [186]

Sensibilizzazione sulla disabilità

A partire dagli anni '90, Hawking ha accettato il ruolo di modello per le persone disabili, tenendo conferenze e partecipando ad attività di raccolta fondi. [298] All'inizio del secolo, lui e altri undici umanitari firmarono il Carta per il Terzo Millennio sulla disabilità, che ha invitato i governi a prevenire la disabilità ea tutelare i diritti dei disabili. [299] [300] Nel 1999, Hawking è stato insignito del Premio Julius Edgar Lilienfeld dell'American Physical Society. [301]

Nell'agosto 2012, Hawking ha narrato il segmento "Illuminismo" della cerimonia di apertura delle Paralimpiadi estive 2012 a Londra. [302] Nel 2013, il film documentario biografico Hawking, in cui è presente lo stesso Hawking, è stato rilasciato. [303] Nel settembre 2013, ha espresso sostegno alla legalizzazione del suicidio assistito per i malati terminali. [304] Nell'agosto 2014, Hawking ha accettato l'Ice Bucket Challenge per promuovere la consapevolezza sulla SLA/MND e raccogliere contributi per la ricerca. Poiché aveva la polmonite nel 2013, gli è stato consigliato di non fargli versare del ghiaccio, ma i suoi figli si sono offerti volontari per accettare la sfida per suo conto. [305]

Programmi per un viaggio nello spazio

Alla fine del 2006, Hawking ha rivelato in un'intervista alla BBC che uno dei suoi più grandi desideri insoddisfatti era quello di viaggiare nello spazio [306] dopo aver sentito questo, Richard Branson ha offerto un volo gratuito nello spazio con Virgin Galactic, che Hawking ha immediatamente accettato. Oltre all'ambizione personale, era motivato dal desiderio di aumentare l'interesse pubblico per i voli spaziali e di mostrare il potenziale delle persone con disabilità. [307] Il 26 aprile 2007, Hawking è volato a bordo di un Boeing 727-200 appositamente modificato operato da Zero-G Corp al largo della costa della Florida per sperimentare l'assenza di gravità. [308] I timori che le manovre gli procurassero un disagio eccessivo si rivelarono infondati, e il volo fu esteso a otto archi parabolici. [306] È stato descritto come un test riuscito per vedere se poteva resistere alle forze g coinvolte nel volo spaziale. [309] A quel tempo, la data del viaggio di Hawking nello spazio era prevista per il 2009, ma i voli commerciali nello spazio non iniziarono prima della sua morte. [310]

Hawking è morto nella sua casa di Cambridge il 14 marzo 2018, all'età di 76 anni. [311] [312] [313] La sua famiglia ha dichiarato che "è morto pacificamente". [314] [315] Fu elogiato da figure della scienza, dello spettacolo, della politica e di altri settori. [316] [317] [318] [319] La bandiera del Gonville and Caius College sventolava a mezz'asta e un libro di condoglianze fu firmato da studenti e visitatori.[320] [321] [322] Un tributo è stato reso a Hawking nel discorso di chiusura del presidente dell'IPC Andrew Parsons alla cerimonia di chiusura dei Giochi Paralimpici Invernali 2018 a Pyeongchang, Corea del Sud. [323]

Il suo funerale privato si è svolto il 31 marzo 2018, [324] presso la Great St Mary's Church, a Cambridge. [324] [325] Ospiti al funerale inclusi La teoria del tutto gli attori Eddie Redmayne e Felicity Jones, il chitarrista e astrofisico dei Queen Brian May e la modella Lily Cole. [326] [327] Inoltre, l'attore Benedict Cumberbatch, che ha interpretato Stephen Hawking in Hawking, l'astronauta Tim Peake, l'astronomo Royal Martin Rees e il fisico Kip Thorne hanno fornito letture al servizio. [328] Sebbene Hawking fosse ateo, il funerale ebbe luogo con un tradizionale servizio anglicano. [329] [330] Dopo la cremazione, il 15 giugno 2018 si tenne un servizio di ringraziamento presso l'Abbazia di Westminster, dopodiché le sue ceneri furono sepolte nella navata dell'Abbazia, tra le tombe di Sir Isaac Newton e Charles Darwin. [1] [326] [331] [332]

Incise sulla sua lapide ci sono le parole "Qui giace ciò che era mortale di Stephen Hawking 1942-2018" e la sua equazione più famosa. [333] Egli ordinò, almeno quindici anni prima della sua morte, che l'equazione dell'entropia di Bekenstein-Hawking fosse il suo epitaffio. [334] [335] [nota 1] Nel giugno 2018, è stato annunciato che le parole di Hawking, messe in musica dal compositore greco Vangelis, sarebbero state teletrasportate nello spazio da un'antenna parabolica dell'agenzia spaziale europea in Spagna con l'obiettivo di raggiungere il più vicino buco nero, 1A 0620-00. [340]

L'ultima intervista televisiva di Hawking, sulla rilevazione delle onde gravitazionali risultanti dalla collisione di due stelle di neutroni, è avvenuta nell'ottobre 2017. [341] Le sue ultime parole al mondo sono apparse postume, nell'aprile 2018, sotto forma di un documentario del canale televisivo Smithsonian. intitolato, Lasciare la Terra: o come colonizzare un pianeta. [342] [343] Uno dei suoi ultimi studi di ricerca, intitolato Un'uscita graduale dall'inflazione eterna?, sull'origine dell'universo, è stato pubblicato nel Journal of High Energy Physics nel maggio 2018. [344] [345] [346] [347] Successivamente, nell'ottobre 2018, un altro dei suoi studi di ricerca finali, intitolato Entropia del buco nero e capelli morbidi, [348] è stato pubblicato, e trattava del "mistero di ciò che accade alle informazioni detenute dagli oggetti una volta che questi scompaiono in un buco nero". [349] [350] Sempre nell'ottobre 2018, l'ultimo libro di Hawking, Brevi risposte alle grandi domande, è stato pubblicato un libro di divulgazione scientifica che presenta i suoi commenti finali sulle questioni più importanti che l'umanità deve affrontare. [351] [352] [353]

L'8 novembre 2018, un'asta di 22 oggetti personali di Stephen Hawking, inclusa la sua tesi di dottorato ("Proprietà degli universi in espansione", tesi di dottorato, Cambridge University, 1965) e sedia a rotelle, ha avuto luogo e ha raccolto circa £ 1,8 milioni. [354] [355] I proventi della vendita all'asta della sedia a rotelle sono andati a due enti di beneficenza, la Motor Neurone Disease Association e la Stephen Hawking Foundation [356] I proventi degli altri oggetti di Hawking sono andati alla sua proprietà. [355]

Nel marzo 2019 è stato annunciato che la Royal Mint ha emesso una moneta commemorativa da 50 pence in onore di Hawking. [357] Lo stesso mese, è stato riferito che l'infermiera di Hawking, Patricia Dowdy, era stata sospesa ad interim nel 2016 per "fallimenti nelle sue cure e cattiva condotta finanziaria". [358]

Futuro dell'umanità

Nel 2006, Hawking ha posto una domanda aperta su Internet: "In un mondo che è nel caos politico, sociale e ambientale, come può la razza umana sostenere altri 100 anni?", chiarendo in seguito: "Non conosco la risposta. Ecco perché ho posto la domanda, per convincere la gente a pensarci e a essere consapevoli dei pericoli che ora affrontiamo". [359]

Hawking ha espresso la preoccupazione che la vita sulla Terra sia a rischio a causa di un'improvvisa guerra nucleare, un virus geneticamente modificato, il riscaldamento globale o altri pericoli a cui gli umani non hanno ancora pensato. [307] [360] Hawking dichiarò: "Ritengo quasi inevitabile che uno scontro nucleare o una catastrofe ambientale paralizzi la Terra ad un certo punto nei prossimi 1.000 anni", e considerava una "collisione di asteroidi" la più grande minaccia al pianeta. [351] Un simile disastro planetario non deve necessariamente provocare l'estinzione umana se la razza umana fosse in grado di colonizzare altri pianeti prima del disastro. [360] Hawking considerava il volo spaziale e la colonizzazione dello spazio necessari per il futuro dell'umanità. [307] [361]

Hawking ha affermato che, data la vastità dell'universo, gli alieni probabilmente esistono, ma che il contatto con loro dovrebbe essere evitato. [362] [363] Ha avvertito che gli alieni potrebbero saccheggiare la Terra per le risorse. Nel 2010 disse: "Se gli alieni ci visitassero, il risultato sarebbe molto simile a quando Colombo sbarcò in America, cosa che non andò bene per i nativi americani". [363]

Hawking ha avvertito che l'intelligenza artificiale superintelligente potrebbe essere fondamentale nel guidare il destino dell'umanità, affermando che "i potenziali benefici sono enormi. Il successo nella creazione dell'IA sarebbe il più grande evento nella storia umana. Potrebbe anche essere l'ultimo, a meno che non impariamo come evitare il rischi". [364] [365] Tuttavia, ha sostenuto che dovremmo essere più spaventati dai robot che il capitalismo esacerba la disuguaglianza economica. [366]

Hawking era preoccupato per il futuro emergere di una razza di "superumani" che sarebbero stati in grado di progettare la propria evoluzione [351] e, inoltre, sosteneva che i virus informatici nel mondo di oggi dovrebbero essere considerati una nuova forma di vita, affermando che " forse dice qualcosa sulla natura umana, che l'unica forma di vita che abbiamo creato finora è puramente distruttiva. Parla di creare la vita a nostra immagine". [367]

Scienza contro filosofia

Alla Zeitgeist Conference di Google nel 2011, Hawking ha affermato che "la filosofia è morta". Credeva che i filosofi "non fossero stati al passo con i moderni sviluppi della scienza" e che gli scienziati "erano diventati i portatori della fiaccola della scoperta nella nostra ricerca della conoscenza". Ha detto che i problemi filosofici possono essere risolti dalla scienza, in particolare dalle nuove teorie scientifiche che "ci portano a un'immagine nuova e molto diversa dell'universo e del nostro posto in esso". [368]

Religione e ateismo

Hawking era ateo. [369] [370] In un'intervista pubblicata su Il guardiano, Hawking considerava "il cervello come un computer che smetterà di funzionare quando i suoi componenti si guastano", e il concetto di un aldilà come una "favola per le persone che hanno paura del buio". [312] [143] Nel 2011, narrando il primo episodio della serie televisiva americana Curiosità su Discovery Channel, Hawking ha dichiarato:

Ognuno di noi è libero di credere ciò che vuole ed è mia opinione che la spiegazione più semplice sia che Dio non esiste. Nessuno ha creato l'universo e nessuno dirige il nostro destino. Questo mi porta a una profonda consapevolezza. Probabilmente non c'è il paradiso e nemmeno l'aldilà. Abbiamo questa vita per apprezzare il grande disegno dell'universo e per questo sono estremamente grato. [371] [372]

L'associazione di Hawking con l'ateismo e il libero pensiero era evidente fin dai suoi anni universitari in poi, quando era stato membro del gruppo umanista dell'Università di Oxford. Successivamente è stato programmato per apparire come relatore principale a una conferenza di Humanists UK del 2017. [373] In un'intervista con il mondo, Egli ha detto:

Prima di comprendere la scienza, è naturale credere che Dio abbia creato l'universo. Ma ora la scienza offre una spiegazione più convincente. Quello che intendevo con "conosceremmo la mente di Dio" è che sapremmo tutto ciò che Dio saprebbe, se ci fosse un Dio, che non c'è. Sono ateo. [369]

Inoltre, Hawking ha dichiarato:

Se vuoi, puoi chiamare "Dio" le leggi della scienza, ma non sarebbe un Dio personale quello che incontreresti e a cui faresti domande. [351]

Politica

Hawking era un sostenitore del partito laburista di vecchia data. [374] [375] Ha registrato un tributo per il candidato presidenziale democratico del 2000 Al Gore, [376] ha definito l'invasione dell'Iraq del 2003 un "crimine di guerra", [375] [377] ha sostenuto il boicottaggio accademico di Israele, [378] [379] fece una campagna per il disarmo nucleare, [374] [375] e sostenne la ricerca sulle cellule staminali, [375] [380] l'assistenza sanitaria universale, [381] e azioni per prevenire il cambiamento climatico. [382] Nell'agosto 2014, Hawking è stato uno dei 200 personaggi pubblici che hanno firmato una lettera a Il guardiano esprimendo la speranza che la Scozia voti per rimanere parte del Regno Unito nel referendum di settembre su tale questione. [383] Hawking riteneva che un ritiro del Regno Unito dall'Unione europea (Brexit) avrebbe danneggiato il contributo del Regno Unito alla scienza poiché la ricerca moderna necessita di una collaborazione internazionale e che la libera circolazione delle persone in Europa incoraggia la diffusione delle idee. [384] Hawking fu deluso dalla Brexit e mise in guardia contro l'invidia e l'isolazionismo. [385]

Hawking era molto preoccupato per l'assistenza sanitaria e sosteneva che senza il servizio sanitario nazionale del Regno Unito non sarebbe potuto sopravvivere fino ai 70 anni. [386]

Hawking temeva la privatizzazione. Ha dichiarato: "Più profitto viene estratto dal sistema, più crescono i monopoli privati ​​e più costosa diventa l'assistenza sanitaria. Il servizio sanitario nazionale deve essere preservato dagli interessi commerciali e protetto da coloro che vogliono privatizzarlo". [387] Hawking ha affermato che i ministri hanno danneggiato il NHS, ha accusato i conservatori di tagliare i fondi, indebolire il NHS con la privatizzazione, abbassare il morale del personale trattenendo gli stipendi e riducendo l'assistenza sociale. [388] Hawking accusò Jeremy Hunt di aver raccolto prove che Hawking sosteneva svilendo la scienza. [386] Hawking ha anche affermato: "Ci sono prove schiaccianti che i finanziamenti del SSN e il numero di medici e infermieri sono inadeguati, e sta peggiorando". [389] Nel giugno 2017, Hawking ha approvato il partito laburista nelle elezioni generali britanniche del 2017, citando i tagli proposti dai conservatori al NHS. Ma è stato anche critico nei confronti del leader laburista Jeremy Corbyn, esprimendo scetticismo sul fatto che il partito possa vincere le elezioni generali sotto di lui. [390]

Hawking temeva che le politiche di Donald Trump sul riscaldamento globale potessero mettere in pericolo il pianeta e rendere irreversibile il riscaldamento globale. Ha detto: "Il cambiamento climatico è uno dei grandi pericoli che dobbiamo affrontare, ed è uno che possiamo prevenire se agiamo ora. Negando l'evidenza del cambiamento climatico e ritirandoci dall'accordo di Parigi, Donald Trump causerà danni ambientali evitabili a il nostro bellissimo pianeta, mettendo in pericolo il mondo naturale, per noi e per i nostri figli". [391] Hawking affermò inoltre che ciò potrebbe portare la Terra "a diventare come Venere, con una temperatura di duecentocinquanta gradi e una pioggia di acido solforico". [392]

Hawking era anche un sostenitore di un reddito di base universale. [393]

Nel 1988, Hawking, Arthur C. Clarke e Carl Sagan furono intervistati in Dio, l'universo e tutto il resto. Hanno discusso della teoria del Big Bang, di Dio e della possibilità di vita extraterrestre. [394]

Al release party per la versione home video del Una breve storia del tempo, Leonard Nimoy, che aveva interpretato Spock in Star Trek, ha appreso che Hawking era interessato ad apparire nello show. Nimoy ha stabilito il contatto necessario e Hawking ha giocato una simulazione olografica di se stesso in un episodio di Star Trek: La prossima generazione nel 1993. [395] [396] Lo stesso anno, la sua voce da sintetizzatore è stata registrata per la canzone dei Pink Floyd "Keep Talking", [397] [180] e nel 1999 per un'apparizione in I Simpson. [398] Hawking è apparso in documentari dal titolo Il vero Stephen Hawking (2001), [300] Stephen Hawking: Profilo (2002) [399] e Hawking (2013), e la serie di documentari Stephen Hawking, Signore dell'Universo (2008). [400] Hawking ha anche recitato in Futurama [186] e ha avuto un ruolo ricorrente in La teoria del Big Bang. [401]

Hawking ha permesso l'uso della sua voce protetta da copyright [402] [403] nel film biografico del 2014 La teoria del tutto, in cui è stato interpretato da Eddie Redmayne in un ruolo vincitore dell'Oscar. [404] Hawking è stato presentato al Monty Python dal vivo (per lo più) nel 2014. Gli è stato mostrato di cantare una versione estesa della "Galaxy Song", dopo aver investito Brian Cox con la sua sedia a rotelle, in un video preregistrato. [405] [406]

Hawking ha usato la sua fama per pubblicizzare prodotti, tra cui una sedia a rotelle, [300] National Savings, [407] British Telecom, Specsavers, Egg Banking, [408] e Go Compare. [409] Nel 2015, ha chiesto di registrare il suo nome. [410]

Trasmesso nel marzo 2018 appena una o due settimane prima della sua morte, Hawking è stato la voce di The Book Mark II in La Guida di Hitchhiker alla Galassia serie radiofonica, ed è stato ospite di Neil deGrasse Tyson su StarTalk. [411]

Hawking ha ricevuto numerosi premi e riconoscimenti. Già all'inizio della lista, nel 1974 fu eletto Fellow della Royal Society (FRS). [412] A quel tempo, la sua nomina recitava:

Hawking ha dato importanti contributi al campo della relatività generale. Questi derivano da una profonda comprensione di ciò che è rilevante per la fisica e l'astronomia, e soprattutto dalla padronanza di tecniche matematiche completamente nuove. Seguendo il lavoro pionieristico di Penrose ha stabilito, in parte da solo e in parte in collaborazione con Penrose, una serie di teoremi successivamente più forti che stabiliscono il risultato fondamentale che tutti i modelli cosmologici realistici devono possedere singolarità. Utilizzando tecniche simili, Hawking ha dimostrato i teoremi di base sulle leggi che governano i buchi neri: che le soluzioni stazionarie delle equazioni di Einstein con orizzonti degli eventi lisci devono necessariamente essere assialsimmetriche e che nell'evoluzione e interazione dei buchi neri, la superficie totale degli orizzonti degli eventi deve aumentare. In collaborazione con G. Ellis, Hawking è autore di un imponente e originale trattato sullo "Spazio-tempo in grande".

La citazione continua: "Un altro importante lavoro di Hawking riguarda l'interpretazione delle osservazioni cosmologiche e la progettazione di rivelatori di onde gravitazionali". [413]

Hawking ha ricevuto il premio 2015 BBVA Foundation Frontiers of Knowledge in Basic Sciences condiviso con Viatcheslav Mukhanov per aver scoperto che le galassie si sono formate dalle fluttuazioni quantistiche nell'universo primordiale. Ai Pride of Britain Awards 2016, Hawking ha ricevuto il premio alla carriera "per il suo contributo alla scienza e alla cultura britannica". [414] Dopo aver ricevuto il premio dal Primo Ministro Theresa May, Hawking ha chiesto scherzosamente che non cercasse il suo aiuto con la Brexit. [414]

Medaglia per la Comunicazione della Scienza

Hawking è stato membro dell'Advisory Board dello Starmus Festival e ha avuto un ruolo importante nel riconoscimento e nella promozione della comunicazione scientifica. La Stephen Hawking Medal for Science Communication è un premio annuale istituito nel 2016 per onorare i membri della comunità artistica per i contributi che aiutano a sviluppare la consapevolezza della scienza. [415] I destinatari ricevono una medaglia con un ritratto di Hawking di Alexei Leonov, e l'altro lato rappresenta un'immagine dello stesso Leonov che esegue la prima passeggiata spaziale insieme a un'immagine del "Red Special", la chitarra del musicista e astrofisico dei Queen Brian May (con la musica come un'altra componente importante dello Starmus Festival). [416]

Lo Starmus III Festival del 2016 è stato un tributo a Stephen Hawking e a lui è stato dedicato anche il libro di tutte le conferenze di Starmus III, "Beyond the Horizon". I primi destinatari delle medaglie, che sono state assegnate al festival, sono stati scelti dallo stesso Hawking. Erano il compositore Hans Zimmer, il fisico Jim Al-Khalili e il documentario scientifico febbre da particelle. [417]


L'ipotesi inflazionistica

Alcuni fisici hanno suggerito che queste caratteristiche fondamentali del cosmo - la sua piattezza e uniformità - possono essere spiegate se poco dopo il Big Bang (e prima dell'emissione del CMB), l'universo ha sperimentato un improvviso aumento di dimensioni. Un universo modello in cui si verifica questa rapida e precoce espansione è chiamato universo inflazionario. L'universo inflazionario è identico all'universo del Big Bang per sempre dopo i primi 10-30 secondi. Prima di ciò, il modello suggerisce che c'è stato un breve periodo di espansione o inflazione straordinariamente rapida, durante il quale la scala dell'universo è aumentata di un fattore di circa 10 50 volte più di quanto previsto dai modelli standard del Big Bang (Figura 29.25).

Figura 29.25. Questo grafico mostra come il fattore di scala dell'universo osservabile cambia nel tempo per il modello standard del Big Bang (linea rossa) e per il modello inflazionistico (linea blu). (Si noti che la scala temporale in basso è estremamente compressa.) Durante l'inflazione, le regioni che erano molto piccole e in contatto tra loro vengono improvvisamente gonfiate per essere molto più grandi e al di fuori della distanza dell'orizzonte l'una dall'altra. I due modelli sono gli stessi per tutte le volte dopo 10-30 secondi.

Prima (e durante) l'inflazione, tutte le parti dell'universo che ora possiamo vedere erano così piccole e vicine l'una all'altra da poteva scambiare informazioni, cioè la distanza dell'orizzonte comprendeva tutto l'universo che ora possiamo osservare. Prima (e durante) l'inflazione, c'era un tempo adeguato perché l'universo osservabile si omogeneizzasse e raggiungesse la stessa temperatura. Quindi, l'inflazione ha ampliato enormemente quelle regioni, così che molte parti dell'universo sono ora al di là dell'orizzonte dell'altro.

Un altro fascino del modello inflazionistico è la sua previsione che la densità dell'universo dovrebbe essere esattamente uguale alla densità critica. Per capire perché è così, ricorda che la curvatura dello spaziotempo è intimamente legata alla densità della materia. Se l'universo iniziasse con una curvatura del suo spaziotempo, un'analogia potrebbe essere la pelle di un pallone. Il periodo di inflazione era equivalente a far esplodere il pallone a una dimensione tremenda. L'universo è diventato così grande che dal nostro punto di vista non dovrebbe essere visibile alcuna curvatura (Figura 29.26). Allo stesso modo, la superficie terrestre è così grande che ci sembra piatta, non importa dove siamo. I calcoli mostrano che un universo senza curvatura è un universo a densità critica. Gli universi con densità superiori o inferiori alla densità critica mostrerebbero una curvatura marcata. Ma abbiamo visto che le osservazioni del CMB nella Figura 29.18, che mostrano che l'universo ha densità critica, escludono la possibilità che lo spazio sia significativamente curvo.

Figura 29.26. Durante un periodo di rapida inflazione, un pallone curvo diventa così grande che a qualsiasi osservatore locale sembra piatto. L'inserto mostra la geometria dal punto di vista della formica.

11 progressi scientifici degli ultimi 100 anni ci hanno regalato il nostro intero universo

La vista SDSS nell'infrarosso - con APOGEE - della galassia della Via Lattea vista verso il centro.. [+] 100 anni fa, questa era la nostra concezione dell'intero Universo.

Esattamente 100 anni fa, la nostra concezione dell'Universo era molto diversa da quella che è oggi. Le stelle all'interno della Via Lattea erano note ed erano note per essere a distanze fino a migliaia di anni luce di distanza, ma si pensava che nulla fosse più lontano. Si presumeva che l'Universo fosse statico, come si presumeva che le spirali e le ellittiche nel cielo fossero oggetti contenuti all'interno della nostra galassia. La gravità di Newton non era ancora stata rovesciata dalla nuova teoria di Einstein, e idee scientifiche come il Big Bang, la materia oscura e l'energia oscura non erano ancora state concepite. Ma durante ogni decennio sono stati fatti enormi progressi, fino ai giorni nostri. Ecco un punto culminante di come ognuno di essi ha portato avanti la nostra comprensione scientifica dell'Universo.

I risultati della spedizione di Eddington del 1919 mostrarono, in conclusione, che la Teoria Generale di . [+] La relatività ha descritto la flessione della luce stellare attorno a oggetti massicci, rovesciando l'immagine newtoniana.

The Illustrated London News, 1919

1910 — La teoria di Einstein confermata! La Relatività Generale era famosa per aver fornito la spiegazione che la gravità di Newton non poteva: la precessione dell'orbita di Mercurio attorno al Sole. Ma non è sufficiente che una teoria scientifica spieghi qualcosa che abbiamo già osservato, deve fare una previsione su qualcosa che deve ancora essere visto. Mentre ce ne sono state molte nel secolo scorso - dilatazione del tempo gravitazionale, lente forte e debole, trascinamento del fotogramma, spostamento verso il rosso gravitazionale, ecc. - la prima è stata la flessione della luce delle stelle durante un'eclissi solare totale, osservata da Eddington e dai suoi collaboratori nel 1919. La quantità osservata di curvatura della luce stellare attorno al Sole era coerente con Einstein e incoerente con Newton. Proprio così, la nostra visione dell'Universo cambierebbe per sempre.

La scoperta di Hubble di una variabile Cefeide nella galassia di Andromeda, M31, ci ha aperto l'Universo. . [+] Credito immagine: E. Hubble, NASA, ESA, R. Gendler, Z. Levay e Hubble Heritage Team.

E. Hubble, NASA, ESA, R. Gendler, Z. Levay e Hubble Heritage Team

anni '20 — Non sapevamo ancora che ci fosse un universo là fuori oltre la Via Lattea, ma tutto è cambiato negli anni '20 con il lavoro di Edwin Hubble. Osservando alcune delle nebulose a spirale nel cielo, è stato in grado di individuare singole stelle variabili dello stesso tipo conosciute nella Via Lattea. Solo che la loro luminosità era così bassa che dovevano trovarsi a milioni di anni luce di distanza, ponendoli molto al di fuori dell'estensione della nostra galassia. Hubble non si è fermato qui, misurando la velocità di recessione e le distanze per oltre una dozzina di galassie, scoprendo il vasto Universo in espansione che conosciamo oggi.

Le due grandi e luminose galassie al centro dell'ammasso Coma, NGC 4889 (a sinistra) e la leggermente . [+] più piccoli NGC 4874 (a destra), ognuno supera il milione di anni luce di dimensione. Ma le galassie alla periferia, che sfrecciano così rapidamente, indicano l'esistenza di un grande alone di materia oscura in tutto l'intero ammasso.

Adam Block/Monte Lemmon SkyCenter/Università dell'Arizona

anni '30 — Per molto tempo si è pensato che se si potesse misurare tutta la massa contenuta nelle stelle, e magari aggiungere il gas e la polvere, si sarebbe resa conto di tutta la materia nell'Universo. Tuttavia, osservando le galassie all'interno di un ammasso denso (come l'ammasso Coma, sopra), Fritz Zwicky ha mostrato che le stelle e ciò che conosciamo come "materia normale" (cioè atomi) erano insufficienti per spiegare i moti interni di questi ammassi. Ha soprannominato questa nuova materia dunkle materie, o materia oscura, un'osservazione che è stata ampiamente ignorata fino agli anni '70, quando la materia normale è stata meglio compresa e si è dimostrato che la materia oscura esiste in grande abbondanza nelle singole galassie rotanti. Ora sappiamo che supera la materia normale con un rapporto di 5:1.

La linea temporale della storia del nostro Universo osservabile, in cui la porzione osservabile si espande a . [+] e dimensioni maggiori man mano che avanziamo nel tempo lontano dal Big Bang.

anni '40 — Mentre la stragrande maggioranza delle risorse sperimentali e di osservazione è stata dedicata ai satelliti spia, alla tecnologia missilistica e allo sviluppo della tecnologia nucleare, i fisici teorici erano ancora al lavoro. Nel 1945, George Gamow fece l'ultima estrapolazione dell'Universo in espansione: se l'Universo si sta espandendo e si raffredda oggi, allora deve essere stato più caldo e più denso in passato. Tornando indietro, deve esserci stato un tempo in cui era così caldo e denso che gli atomi neutri non potevano formarsi, e prima ancora in cui non si potevano formare i nuclei atomici. Se questo fosse vero, allora prima che si formassero le stelle, quel materiale con cui è iniziato l'Universo dovrebbe avere un rapporto specifico degli elementi più leggeri, e dovrebbe esserci un bagliore residuo che permea tutte le direzioni nell'Universo a pochi gradi sopra lo zero assoluto oggi . Questa struttura è oggi conosciuta come Big Bang ed è stata la più grande idea degli anni '40.

Questo spaccato mostra le varie regioni della superficie e dell'interno del Sole, incluso il . [+] core, che è il luogo in cui avviene la fusione nucleare. Il processo di fusione, nelle stelle simili al Sole e nelle sue cugine più massicce, è ciò che ci consente di costruire gli elementi pesanti presenti oggi in tutto l'Universo.

Kelvinsong, utente di Wikimedia Commons

anni '50 — Ma un'idea in competizione con il Big Bang era il modello dello stato stazionario, proposto da Fred Hoyle e altri nello stesso periodo. In modo spettacolare, entrambe le parti hanno sostenuto che tutti gli elementi più pesanti presenti oggi sulla Terra si sono formati in una fase precedente dell'Universo. Ciò che Hoyle e i suoi collaboratori hanno sostenuto è che sono stati realizzati non durante uno stato precoce, caldo e denso, ma piuttosto nelle precedenti generazioni di stelle. Hoyle, insieme ai collaboratori Willie Fowler e Geoffrey e Margaret Burbidge, ha descritto esattamente come gli elementi sarebbero stati costruiti nella tavola periodica dalla fusione nucleare che si verifica nelle stelle. In modo più spettacolare, hanno previsto la fusione dell'elio in carbonio attraverso un processo mai osservato prima: il processo triplo alfa, che richiede l'esistenza di un nuovo stato di carbonio. Quello stato fu scoperto da Fowler pochi anni dopo che era stato proposto da Hoyle, ed è oggi conosciuto come lo stato del carbonio di Hoyle. Da ciò abbiamo appreso che tutti gli elementi pesanti esistenti oggi sulla Terra devono la loro origine a tutte le precedenti generazioni di stelle.

Se potessimo vedere la luce delle microonde, il cielo notturno assomiglierebbe all'ovale verde a una temperatura di . [+] 2,7 K, con il "rumore" al centro contribuito da contributi più caldi dal nostro piano galattico. Questa radiazione uniforme, con uno spettro di corpo nero, è la prova del bagliore residuo del Big Bang: il fondo cosmico a microonde.

anni '60 — Dopo circa 20 anni di dibattito, è stata scoperta l'osservazione chiave che avrebbe deciso la storia dell'Universo: la scoperta del predetto bagliore residuo del Big Bang, o Cosmic Microwave Background. Questa radiazione uniforme da 2,725 K fu scoperta nel 1965 da Arno Penzias e Bob Wilson, nessuno dei quali si rese conto di ciò che avevano scoperto all'inizio. Tuttavia, nel tempo, è stato misurato l'intero spettro del corpo nero di questa radiazione e persino le sue fluttuazioni, mostrandoci che dopo tutto l'Universo è iniziato con un "bang".

Le prime fasi dell'Universo, prima del Big Bang, sono ciò che ha creato le condizioni iniziali. [+] da cui tutto ciò che vediamo oggi si è evoluto. Questa era la grande idea di Alan Guth: l'inflazione cosmica.

E. Siegel, con immagini derivate da ESA/Planck e dalla task force interagenzie DoE/NASA/NSF sulla ricerca CMB

anni '70 — Proprio alla fine del 1979, un giovane scienziato ha avuto l'idea di una vita. Alan Guth, cercando un modo per risolvere alcuni dei problemi inspiegabili del Big Bang - perché l'Universo era così spazialmente piatto, perché aveva la stessa temperatura in tutte le direzioni e perché non c'erano relitti ad altissima energia - arrivò su un'idea nota come inflazione cosmica. Dice che prima che l'Universo esistesse in uno stato caldo e denso, era in uno stato di espansione esponenziale, dove tutta l'energia era racchiusa nel tessuto dello spazio stesso. Ci sono voluti numerosi miglioramenti sulle idee iniziali di Guth per creare la moderna teoria dell'inflazione, ma osservazioni successive - comprese le fluttuazioni nel CMB, la struttura su larga scala dell'Universo e il modo in cui le galassie si raggruppano, si ammucchiano e si formano - tutti hanno confermato le previsioni sull'inflazione. Non solo il nostro Universo è iniziato con il botto, ma c'era uno stato che esisteva prima che si verificasse il caldo Big Bang.

Il resto della supernova 1987a, situato nella Grande Nube di Magellano a circa 165.000 anni luce di distanza. . [+] È stata la supernova osservata più vicina alla Terra in più di tre secoli.

Noel Carboni e amplifica il Liberatore FITS di Photoshop ESA/ESO/NASA

anni '80 — Potrebbe non sembrare molto, ma nel 1987 la supernova più vicina alla Terra si è verificata in oltre 100 anni. È stata anche la prima supernova a verificarsi quando avevamo rilevatori online in grado di trovare neutrini da questi eventi! Sebbene abbiamo visto un gran numero di supernovae in altre galassie, non ne avevamo mai vista una così vicina da poter osservare i neutrini da essa. Questi circa 20 neutrini hanno segnato l'inizio dell'astronomia dei neutrini e da allora i successivi sviluppi hanno portato alla scoperta di oscillazioni di neutrini, masse di neutrini e neutrini provenienti da supernove che si verificano a più di un milione di anni luce di distanza. Se gli attuali rivelatori sul posto sono ancora operativi, la prossima supernova all'interno della nostra galassia avrà oltre centomila neutrini rilevati da essa.

I quattro possibili destini dell'Universo, con l'esempio in basso che si adatta meglio ai dati: un Universo . [+] con energia oscura. Questo è stato scoperto per la prima volta con osservazioni di supernovae lontane.

E. Siegel / Oltre la Galassia

anni '90 — Se pensavi che la materia oscura e scoprire come fosse iniziato l'Universo fosse un grosso problema, allora puoi solo immaginare che shock è stato nel 1998 scoprire come sarebbe finito l'Universo! Storicamente abbiamo immaginato tre possibili destini:

  • Che l'espansione dell'Universo sarebbe insufficiente per superare l'attrazione gravitazionale di tutto, e l'Universo crollerebbe in un Big Crunch.
  • Che l'espansione dell'Universo sarebbe troppo grande per la gravitazione combinata di tutto, e tutto nell'Universo scapperebbe l'uno dall'altro, risultando in un Grande Congelamento.
  • O che saremmo proprio al confine tra questi due casi, e il tasso di espansione asintoterebbe a zero ma non lo raggiungerebbe mai: un Universo Critico.

Invece, le supernove lontane indicavano che l'espansione dell'Universo stava accelerando e che, con il passare del tempo, le galassie lontane aumentavano la loro velocità allontanandosi l'una dall'altra. Non solo l'Universo si congelerà, ma tutte le galassie che non sono già legate l'una all'altra alla fine scompariranno oltre il nostro orizzonte cosmico. A parte le galassie del nostro gruppo locale, nessun'altra galassia incontrerà mai la nostra Via Lattea, e il nostro destino sarà davvero freddo e solitario. Tra altri 100 miliardi di anni, non saremo in grado di vedere nessuna galassia oltre la nostra.

Le fluttuazioni del fondo cosmico a microonde sono state misurate accuratamente per la prima volta da COBE nel formato . [+] 1990, poi più precisamente da WMAP negli anni 2000 e Planck (sopra) negli anni 2010. Questa immagine codifica un'enorme quantità di informazioni sull'Universo primordiale.

ESA e la collaborazione Planck

anni 2000 — La scoperta del Fondo Cosmico a Microonde non è finita nel 1965, ma le nostre misurazioni delle fluttuazioni (o imperfezioni) nel bagliore residuo del Big Bang ci hanno insegnato qualcosa di fenomenale: esattamente di cosa era fatto l'Universo. I dati di COBE sono stati sostituiti da WMAP, che a sua volta è stato migliorato da Planck. Inoltre, i dati di struttura su larga scala provenienti da rilevamenti di grandi galassie (come 2dF e SDSS) e dati di supernova distanti si sono combinati per darci la nostra immagine moderna dell'Universo:

  • 0,01% di radiazioni sotto forma di fotoni,
  • 0,1% di neutrini, che contribuiscono in misura minima agli aloni gravitazionali che circondano galassie e ammassi,
  • 4,9% di materia normale, che include tutto ciò che è fatto di particelle atomiche,
  • 27% di materia oscura, o le misteriose particelle non interagenti (eccetto gravitazionalmente) che danno all'Universo la struttura che osserviamo,
  • e il 68% di energia oscura, che è inerente allo spazio stesso.

I sistemi di Kepler-186, Kepler-452 e il nostro Sistema Solare. Mentre il pianeta intorno a una stella nana rossa. [+] come Kepler-186 sono interessanti di per sé, Kepler-452b potrebbe essere molto più simile alla Terra da una serie di parametri.

anni 2010 — Il decennio non è ancora terminato, ma finora abbiamo già scoperto i nostri primi pianeti abitabili potenzialmente simili alla Terra, tra le migliaia e migliaia di nuovi esopianeti scoperti dalla missione Kepler della NASA, tra gli altri. Tuttavia, probabilmente, questa non è nemmeno la più grande scoperta del decennio, poiché il rilevamento diretto delle onde gravitazionali da LIGO non solo conferma l'immagine che Einstein dipinse per la prima volta, della gravità, nel 1915. Più di un secolo dopo che la teoria di Einstein era in competizione per la prima volta con Newton per vedere quali fossero le regole gravitazionali dell'Universo, la relatività generale ha superato ogni prova lanciata contro di essa, riuscendoci fino alle più piccole complessità mai misurate o osservate.

Illustrazione di due buchi neri che si fondono, di massa paragonabile a quella vista da LIGO. L'aspettativa. [+] è che dovrebbe esserci molto poco in termini di segnale elettromagnetico emesso da una tale fusione, ma la presenza di materia fortemente riscaldata che circonda questi oggetti potrebbe cambiare la situazione.

SXS, il progetto Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) (http://www.black-holes.org)

La storia scientifica non è ancora finita, poiché c'è ancora molto di più dell'Universo da scoprire. Eppure questi 11 passaggi ci hanno portato da un Universo di età sconosciuta, non più grande della nostra galassia, composta principalmente da stelle, a un Universo in espansione e in raffreddamento alimentato dalla materia oscura, dall'energia oscura e dalla nostra materia normale, brulicante di potenzialmente abitabili pianeti e questo ha 13,8 miliardi di anni, originato da un Big Bang che è stato creato a sua volta dall'inflazione cosmica. Conosciamo l'origine del nostro Universo, il suo destino, come appare oggi e come è diventato così. Possano i prossimi 100 anni riservare altrettanti progressi scientifici, rivoluzioni e sorprese per tutti noi.