Corso di storia della scienza: Hawking 1942

Stephen Hawking 1942

L'Orizzonte della Termodinamica
Stephen Hawking e l'Entropia dello Spaziotempo

L'eredità scientifica di Stephen Hawking risiede principalmente nell'aver trasformato i buchi neri da "singolarità inerti" a "oggetti termodinamici". La sua ricerca ha forzato la comunità scientifica ad affrontare il paradosso dell'informazione, mettendo in crisi la coerenza unitaria della fisica moderna.

1. La Radiazione di Hawking e la Rottura della "Nerezza" Classica

Nel 1974, Hawking applicò la teoria dei campi quantistici su uno sfondo curvo (curved spacetime). Il risultato teorico fu dirompente: l'effetto della creazione di coppie particella-antiparticella in prossimità dell'orizzonte degli eventi.

Mentre una particella cade all'interno del buco nero (spesso modellata come avente energia negativa rispetto a un osservatore infinito), l'altra fugge sotto forma di radiazione termica. La formula della temperatura di Hawking è definita come:

$$T_H = \frac{\hbar c^3}{8 \pi G M k_B}$$

Questa equazione è fondamentale perché unisce le costanti universali della meccanica quantistica ($\hbar$), della relatività ($c, G$) e della termodinamica ($k_B$), rivelando che la temperatura di un buco nero è inversamente proporzionale alla sua massa ($M$).

2. L'Entropia di Bekenstein-Hawking e l'Olografia

Prima di Hawking, si pensava che i buchi neri violassero il secondo principio della termodinamica. Hawking, raffinando l'intuizione di Jacob Bekenstein, dimostrò che l'entropia ($S_{BH}$) di un buco nero non dipende dal suo volume, ma dalla sua area superficiale ($A$):

$$S_{BH} = \frac{c^3 A}{4 G \hbar}$$

Questa scoperta ha posto le basi per il Principio Olografico, suggerendo che l'informazione contenuta in un volume di spazio possa essere descritta da una teoria che risiede sulla sua "superficie" di confine.

3. Il Paradosso dell'Informazione e la perdita di Unitarietà

Il contributo critico più problematico di Hawking riguarda il destino dell'informazione. Se un buco nero evapora completamente (evaporazione termica), che fine fa l'informazione quantistica della materia che vi è caduta?

• La posizione iniziale: Hawking sostenne per decenni che l'informazione venisse distrutta, implicando una violazione dell'unitarietà della meccanica quantistica.

• La revisione: Solo in tarda età, influenzato dai progressi nella corrispondenza AdS/CFT, Hawking ammise che l'informazione potrebbe essere conservata, seppur codificata in modi estremamente complessi e "caotici" (i cosiddetti soft hair o residui superficiali).

4. Cosmologia Quantistica: Lo Stato "No-Boundary"

Oltre ai buchi neri, Hawking (insieme a James Hartle) propose la proposta di "assenza di confini" (Hartle-Hawking state). Utilizzando l'integrale di cammino di Feynman applicato all'intero universo, ipotizzò che il tempo, alle origini del Big Bang, si comportasse come una dimensione spaziale (tempo immaginario).

Implicazione Epistemologica: In questo modello, l'universo è autosufficiente: non ha un inizio nel tempo classico, così come un cerchio non ha un inizio sulla sua circonferenza. Questo elimina la necessità di una "singolarità iniziale" nuda, risolvendo alcuni problemi cosmologici fondamentali.

Conclusioni: Verso la Gravità Quantistica

Stephen Hawking ha agito come un catalizzatore per la fisica del XXI secolo. Sebbene la "Teoria del Tutto" da lui cercata rimanga elusiva, i suoi strumenti matematici hanno ridefinito il campo della gravità quantistica a loop e della teoria delle stringhe. La sua eredità non è una soluzione definitiva, ma l'aver formulato le domande corrette sulle connessioni profonde tra informazione, geometria e calore.