La teoria del tutto

by Stephen Hawking

Michell ipotizzò che ci sarebbero potute essere un gran numero di stelle come questa; pur non potendole vedere direttamente – proprio perché la loro luce non potrà mai raggiungerci –, potremmo però ancora percepire la loro attrazione gravitazionale. Simili oggetti si presenterebbero quindi come degli spazi vuoti, neri, nell’universo; ed è proprio per questo motivo che oggi li indichiamo col termine «buchi neri».

stella. Essa viene a formarsi quando una grande massa di gas (principalmente idrogeno) inizia a collassare su se stessa a causa della propria attrazione gravitazionale. Durante la contrazione, le collisioni fra gli atomi del gas aumentano progressivamente di frequenza e di intensità e, quindi, il gas si riscalda. Alla fine sarà talmente caldo che, quando due atomi di idrogeno verranno a scontrarsi, anziché rimbalzare si fonderanno assieme, dando origine a un atomo di elio.

È proprio il calore liberato nel corso di questa reazione, che potremmo paragonare a una bomba all’idrogeno controllata, a far sì che le stelle risplendano. Questo calore aggiuntivo determina inoltre un ulteriore aumento della pressione del gas, fino a portarla a un livello tale da controbilanciare la forza di attrazione gravitazionale; giunti a questo punto, il gas cessa di contrarsi. È un po’ come nel caso di un palloncino, dove la pressione interna dell’aria (che tende a farlo espandere) e la tensione della gomma (che tende a farlo contrarre) vengono a trovarsi in uno stato di equilibrio.

Alla fine, quando la stella è collassata al di sotto di un certo raggio critico, il campo gravitazionale in prossimità della sua superficie diviene così intenso da deflettere i coni di luce verso l’interno con una forza tale che i raggi luminosi non riescono più ad abbandonarla per sfuggire nello spazio. Ora, secondo quanto ci dice la teoria della relatività, nulla può viaggiare a una velocità superiore a quella della luce; pertanto, se neppure la luce riesce a sfuggire, nient’altro potrà farlo. Il campo gravitazionale trascinerà indietro qualunque cosa. Avremo così un insieme di eventi, una regione dello spazio-tempo, dalla quale non è possibile sfuggire per raggiungere un osservatore esterno. Questa regione è ciò che oggi indichiamo col termine «buco nero».

Quel che accade poi non è del tutto chiaro; sembra comunque probabile che le regioni centrali della stella collassino fino a raggiungere uno stato di densità elevatissima, come quello di una stella di neutroni o di un buco nero. Le regioni più esterne possono essere espulse dalla stella nel corso di una tremenda esplosione: assisteremo così al fenomeno di una cosiddetta supernova, la cui luminosità supera quella di tutti gli altri astri della sua galassia. Alcuni degli elementi più pesanti prodotti nelle ultime fasi del ciclo vitale della stella torneranno così a ricongiungersi con i gas della galassia, e costituiranno parte della materia prima da cui si formerà la successiva generazione di stelle.

La proposta dell’assenza di confini sembra predire che, nel tempo reale, l’universo dovrebbe comportarsi come nei modelli inflazionari. Un problema particolarmente interessante è costituito dall’entità delle piccole variazioni nella densità uniforme dell’universo primordiale, variazioni che si pensa abbiano portato dapprima alla formazione delle galassie, quindi delle stelle e infine degli esseri come noi. Il principio di indeterminazione implica l’impossibilità che l’universo primordiale sia stato perfettamente uniforme, dato che ci devono essere state alcune indeterminazioni o fluttuazioni nelle

posizioni e nelle velocità delle particelle. Servendoci della condizione dell’assenza di confini, troviamo che l’universo dev’essere iniziato esattamente con il grado minimo di eterogeneità consentito dal principio di indeterminazione. L’universo sarebbe poi passato attraverso una fase di rapida espansione, come quella prevista dai modelli inflazionari. Durante questo periodo, le eterogeneità iniziali si sarebbero amplificate fino a diventare abbastanza grandi da poter spiegare l’origine delle galassie. Così, tutte quelle complicate strutture che osserviamo nell’universo potrebbero essere spiegate dalla condizione dell’assenza di confini e dal principio di indeterminazione della meccanica quantistica.

L’universo avrebbe avuto inizio con un periodo di espansione esponenziale o «inflazionaria», nel quale le sue dimensioni sarebbero cresciute di un fattore molto elevato. Durante questa espansione, le fluttuazioni di densità sarebbero dapprima rimaste piccole ma, successivamente, avrebbero cominciato a crescere. Le regioni in cui la densità era leggermente più accentuata della media avrebbero subìto un rallentamento della loro espansione proprio per via di questa massa supplementare; e, alla fine, avrebbero smesso di espandersi per iniziare a contrarsi, dando così origine alle galassie, alle stelle e agli esseri come noi.

Come abbiamo visto, ciò può portare a conseguenze notevoli, come l’idea che i buchi neri non siano neri e che l’universo sia completamente racchiuso in se stesso e privo di un confine. Il problema è che, secondo il principio di indeterminazione, anche lo spazio vuoto è, in realtà, pieno di coppie di particelle e antiparticelle virtuali; ora, dato che queste coppie dovrebbero avere una quantità di energia infinita, la loro attrazione gravitazionale dovrebbe incurvare l’universo riducendolo a dimensioni infinitamente piccole.

Abbiamo così una teoria che sembra prevedere che certe quantità, come la curvatura dello spazio-tempo, siano realmente infinite; sennonché, osservandole e misurandole, scopriamo che esse sono perfettamente finite. In un tentativo di superare questo problema, nel 1976 venne avanzata la cosiddetta teoria della «supergravità», che, in realtà, era la stessa relatività generale con alcune particelle in più.

un mutamento di opinione in favore delle cosiddette teorie delle stringhe (string theories). In queste teorie, gli oggetti fondamentali non sono particelle che occupano un singolo punto dello spazio, bensì cose che hanno una lunghezza ma nessun’altra dimensione, come un anello di filo infinitamente sottile. Una particella occupa un punto dello spazio in ogni istante del tempo, così che la sua storia può essere rappresentata da una linea nello spazio-tempo, la cosiddetta «linea d’universo» (world-line). Una stringa, dal canto suo, occupa una linea nello spazio in ogni istante del tempo, così che la sua storia nello spazio-tempo è data da una superficie bidimensionale chiamata il «foglio d’universo» (world-sheet). Ogni punto su un tale foglio d’universo può essere descritto da due numeri, uno dei quali specifica il tempo e l’altro la posizione del punto sulla stringa. Il foglio d’universo di una stringa è un cilindro, o un tubo; una sezione di questo tubo è un cerchio, che rappresenta la posizione della stringa in un particolare istante.

Ma può esistere veramente una teoria unificata del tutto? O ciò che stiamo inseguendo è soltanto un miraggio? Sembra che le possibilità siano tre. •Esiste realmente una teoria unificata completa, che un giorno, se siamo abbastanza intelligenti, riusciremo a scoprire. •Non esiste una teoria definitiva dell’universo, ma solo un’infinita serie di teorie che lo descrivono in modo sempre più accurato. •Non esiste alcuna teoria dell’universo. Al di là di un certo limite, gli eventi si verificano in modo casuale e arbitrario e, come tali, non possono essere predetti.