I suoi numerosi contributi scientifici vanno dalla spiegazione della genesi degli elementi "pesanti" nellereazioni termonucleari stellari a quella della frammentazione delgas instelle, ma egli è noto soprattutto come sostenitore della teoriacosmologica dellostato stazionario e dell'ipotesi dellapanspermia.
«Forse è paradossale. Ma non è ancora più paradossale l'idea che un bel sacco di roba, l'intero universo, sia nato in un attimo, dal niente? (...) Trovo più accettabile l'idea della creazione di un atomo di idrogeno all'anno che quella della nascita dell'Universo da un punto.»
(Fred Hoyle)
Per quanto i suoi contributi scientifici vadano ben al di là di essa, Hoyle è noto soprattutto per essere stato il campione della teoria cosmologica dellostato stazionario, che per oltre 20 anni costituì una valida alternativa a quella che è oggi nota come teoria delBig Bang (un termine coniato dallo stesso Hoyle, in senso polemico). Hoyle ammoniva esplicitamente infatti che il Big Bang veniva sostenuto come un dogma “causa prima” in linea con lateologia occidentale piuttosto che con la scienza. Per attaccare questa relazione, Hoyle diede il via a una campagna pubblica per screditare e liquidare la teoria: il termine "Big Bang" fu coniato da appunto da Hoyle nel1949, in senso dispregiativo, riferendosi ad esso come "questa idea del grosso botto" durante una trasmissione radiofonica dellaBBC Radio del marzo1949.[2][3][4] Nota fu in questo periodo l'accesa rivalità anche mediatica conMartin Ryle, astronomo che si occupava, per la stessa università di Cambridge, della ricerca delleradiosorgenti, e sostenitore del Big Bang.[5]
Oltre che uno dei sostenitori più accesi del modello stazionario, Hoyle era unmaterialista impegnato, e riteneva che il modello rivale fosse una forzatura in quanto violava i principi filosofici fondamentali sullanatura infinita dell'esistenza; pensava che quello che divenne poi ilmodello standard della cosmologia, basato sul Big Bang, violasse una legge considerata inviolabile nel mondo naturale,quella di Lavoisier sulla massa, postulando in alcune formulazioni la nascita dimateria dal nulla. Hoyle si descriveva comeateo oagnostico e sosteneva che il Big Bang era passibile di strumentalizzazione. Il modello stazionario riscontrò infatti un notevole successo negli anni '50.[6][7]
Una ragione fu forse l'istintiva reazione di diversi scienziati al presunto tentativo di strumentalizzazione (così era percepito ad esempio daStephen Hawking[8], che fino agli anni '70 ancora sosteneva una possibile plausibilità della teoria stazionaria o dell'universo statico, grazie al credito che godeva anche l'ipotesi dellaluce stanca diFritz Zwicky riguardo allospostamento verso il rosso) delle loro scoperte portato avanti dallaChiesa cattolica, che volle vedere nella teoria del Big Bang una dimostrazione "scientifica" dellacreazione descritta dallaBibbia e dell'esistenza di Dio. Questa idea di uso religioso del Big Bang era assai diffusa nel mondo accademico anglosassone ed Hoyle ne era uno dei più forti propositori. Il primo propositore del Big Bang era stato infattiGeorges Lemaître,fisico esacerdote cattolicobelga nel1927. Neglianni venti etrenta quasi tutti i maggiori cosmologi preferivano un universo eterno, e molti obiettarono che l'origine del tempo implicita nel Big Bang introduceva concetti religiosi all'interno della fisica; questa obiezione fu più tardi ripresa dai sostenitori della teoria dello stato stazionario.[9] Lo stessopapa Pio XII, quando fu pubblicata la teoria, la "approvò" con un commento teologico informale, nel1951, improntato sull'Ex nihilo nihil fit cosmologico, ossia l'approccio filosofico respinto da Hoyle, che paragonava il Big Bang alFiat lux biblico. Tuttavia, gli approcci di una qualsivoglia fede spirituale o - in termini filosofici -trascendenza - su tale teoria, possono essere molto aperti, e di vario tipo. Molti scienziati successivi, tra cui moltissimi non credenti comeRoger Penrose e il citato Hawking, accettarono infatti il Big Bang senza dover negare la legge di Lavoisier né il primato della scienza sulla religione nella conoscenza della cosmologia, elaborando ad esempio ilmodello ciclico, la teoria delmultiverso e lacosmologia quantistica, in quanto, come affermato daJim Peebles, "il Big Bang descrive come il nostro universo evolve non come iniziò", ossia ne descrive un'espansione inizialmente calda e un progressivo raffreddamento, e non un "emergere dal nulla" tramite un'esplosione (termini usati solo a livello didivulgazione scientifica popolare onde semplificare la comprensione dei fatti).Hoyle scelse tuttavia di opporsi anche alla scientificità del Big Bang stesso, non ritenendo possibile che tutta la materia ed energia fossero uscite (o fossero state concentrate) da un punto di densità, gravità e parametri infiniti (singolarità gravitazionale), né accettando che lospaziotempo fosse limitato nel passato. Inoltre egli riteneva le prove osservative compresa laradiazione cosmica di fondo, prevista dalla teoria e rilevata casualmente negli anni '60, come non univoche come evidenza finale del Big Bang (proponendone diverse spiegazioni), cosa che determinò un volontario e graduale isolamento dello scienziato britannico e dei suoi collaboratori e sostenitori (Geoffrey eMargaret Burbidge,Halton Arp,Jayant V. Narlikar...) dalla comunità scientifica maggioritaria, pur mantenendo amicizie anche con noti scienziati fuori dagli schemi come il fisico quantistico e premio NobelRichard Feynman.
L'elaborazione della teoria dello stato stazionario
La citatateoria dello stato stazionario rappresenta il più famoso dei lavori di Hoyle, sebbene poi divenuta obsoleta.L'ingresso di Hoyle nella controversia cosmologica si ebbe nel1948: per quanto condividesse l'interpretazione della cosiddettalegge di Hubble in termini di espansione dell'universo, Hoyle non riteneva che ciò dovesse necessariamente portare, procedendo a ritroso nel tempo, ad una condizione di densità e temperatura infinita (ovvero alBig Bang): propose quindi una teoria che, per quanto basata sullarelatività generale, inseriva nelleequazioni diAlbert Einstein un termine contenente uncampodi forza adenergia apressione negativa (C-field,creation field,campo di creazione) che legava l'espansione dell'universo alla creazione di nuova materia. C'è chi sostiene che la teoria del campo-C sia un precedente per l'idea dell'inflatone. Questa possibilità dicreazione continua della materia, senza inserire peraltro teorie quantistiche, venne considerata da Hoyle come non contraria alla legge di Lavoisier per la bassa massa "creata" e
«[...] attraente specialmente quando unita all'obiezione estetica mossa alla creazione di un universo nel remoto passato. Dal momento che è contro lo spirito della ricerca scientifica riferirsi ad effetti osservabili come derivanti da cause sconosciute alla scienza, e questo è ciò che in linea di principio implica la creazione nel passato.»
Il modello teorico di universo che ne scaturì è detto appunto dellostato stazionario (ma anche dellacreazione continua) e trovò riscontro nel lavoro pressoché contemporaneo di due colleghi di Fred Hoyle,Hermann Bondi eThomas Gold, i quali seguendo un approccio diverso, puramente deduttivo e basato sulprincipio cosmologico perfetto (ilprincipio cosmologico comunemente assunto incosmologia afferma che se si considerano scale sufficientemente ampie non esistono luoghi privilegiati rispetto ad altri; ilprincipio cosmologico perfetto aggiunge che non esiste neppure un'epoca privilegiata rispetto alle altre, il che implica che l'universo sia eterno) arrivarono a conclusioni molto simili.
Differenze tra il Big Bang e lo stato stazionario
Il tasso di produzione di materia richiesto dalla teoria dellacreazione continua (circa un atomo diidrogeno per chilometro cubo ogni anno) è così basso da essere del tutto inosservabile, per cui la mancata osservazione diretta della creazione di materia non è sufficiente afalsificarla, pur rendendo però la teoria anche di difficile dimostrazione. In seguito, armonizzando lo stato stazionario ai principi dellameccanica quantistica - ad esempio quello che postula la produzione di coppie diparticelle virtuali di materia-antimateria che si verifica per lefluttuazioni quantistiche nelvuoto (a scala subatomica la legge di Lavoisier può essere ampiamente violata), l'idrogeno fu sostituito, nella teoria presentata nel1993, con le particelle di Planck.Queste sarebbero delleparticelle elementari ipotetiche, che sarebbero prodotte neinuclei galattici attivi, come iquasar o ipoteticibuchi bianchi, e avrebbero dimensioni molto piccole (vicine allalunghezza di Planck) pari a 10−33 cm, e una massa pari a 10−5 g; decadendo in modo esplosivo in tempi di 10−43 s, genererebbero le particelle elementari conosciute.[10][11] In alternativa la particella di Planck è descritta anche come poter essere un ipoteticobuco nero il cuiraggio di Schwarzschild è approssimativamente uguale alla sualunghezza d'onda di Compton; l'evaporazione di una tale particella secondo la teoria dellaradiazione di Hawking è stata invocata come fonte di elementi diluce (quindi difotoni) in un universo stazionario in espansione.[12]Dopo alcuni decenni di dibattito acceso, nei primianni settanta la teoria dello stato stazionario fu abbandonata praticamente da tutti (con l'eccezione di Hoyle e pochi seguaci, che nel 1993 tornarono a proporre il cosiddettostato quasi stazionario) in seguito alla scoperta dellaradiazione cosmica di fondo e ad altri risultati che mostravano una variazione della densità spaziale deiquasar in funzione della distanza (per quanto meno nota, quest'ultima è ora considerata la più importante delle due prove che confutano la teoria di Hoyle). La teoria di Hoyle venne ripresa da altri scienziati comeJayant V. Narlikar,Halton Arp, ecc.. Narlikar elaborò una teoria della massa basata sulprincipio di Mach) per spiegare lospostamento verso il rosso (redshift) non come derivato dalla distanza bensì dalla vecchiaia dell'oggetto, e una teoria alternativa sulla radiazione di fondo (i cosiddetticosmic iron whiskers, "baffi di ferro cosmico", micro-aghi diferro, mai osservati, presumibilmente espulsi dallesupernove nelmezzo interstellare e che causerebbero una termalizzazione dello sfondo su tempi molto lunghi); Hoyle diede comunque un importante contributo almodello standard della cosmologia con cui, con la citata teoria dello stato quasi stazionario, tenta una conciliazione attraverso una sorta dimodello ciclico comprendente dei "piccoli Big Bang" locali, opiccoli bang ("little bangs"), i quali spiegherebbero i redshift cosmologici, che coesisterebbero coi redshift "intrinseci". Con la scoperta della massa mancante e dell'universo in accelerazione, non previsto dal Big Bang, sia la teoria standard che lo stato stazionario dovettero essere matematicamente adattati alle osservazioni, ad esempio con l'introduzione dimateria oscura edenergia oscura.
Contemporaneamente allo stato stazionario, Hoyle si dedicò agli studi sullanucleosintesi stellare, il suo contributo più importante alla cosmologia.Il modo di procedere singolare ed acuto di Hoyle nel campo della scienza è ben illustrato dall'esempio di uno dei suoi primi articoli scientifici, basato su un uso peculiare delprincipio antropico: mentre cercava di definire lereazioni nucleari coinvolte nellanucleosintesi stellare, Hoyle osservò che una particolare reazione, la formazione delcarbonio a partire da 3 nuclei dielio, poteva essere efficiente solo se ilnucleo del carbonio fosse stato caratterizzato dalivelli energetici estremamente specifici. Poiché il carbonio (che è necessario per la formazione di tutte lemolecole organiche, e quindi per lavita) è un elemento piuttosto abbondante nell'universo, la reazione (processo tre alfa) deve essere efficiente, per cui Hoyle predisse su questa base l'esistenza di alcuni livelli energetici del nucleo di carbonio, che furono confermati sperimentalmente solo più tardi dall'équipe delfisicostatunitenseWilliam Fowler.
A partire dal1946 (quando pubblicò un articolo suLa Sintesi degli elementi a partire dall'Idrogeno) Hoyle lavorò allo studio della formazione degli elementi attraversoreazioni nucleari nei nuclei delle stelle. In particolare, neglianni cinquanta egli produsse diversi lavori al riguardo, in collaborazione con il fisico W.A. Fowler (che nel1983 vinse unPremio Nobel per ricerche correlate a queste) e con gli astronomi Geoffrey e Margaret Burbidge. Nel1957 essi pubblicarono un lavoro intitolatoLa sintesi degli elementi nelle stelle - I (dove ilI si riferisce ad una seconda parte che non fu mai pubblicata).
Mosaico di Boris Anrep raffigurante Fred Hoyle che scala una guglia verso le stelle, con un libro sottobraccio.
Questa teoria fu decisamente più fortunata di quella dellostato stazionario: con l'importante eccezione dell'elio e di pochi altri elementi leggeri (le cui abbondanze sono spiegabili solo facendo ricorso allanucleosintesi primordiale, ovvero all'ipotesi che siano stati sintetizzati in un'epoca molto prossima alBig Bang) si ritiene che la teoria di Hoyle secondo la quale gli elementi "pesanti" sono le "ceneri" di combustioni nucleari avvenute nelle stelle sia sostanzialmente corretta.
A seguito delle sue attività, nel1957 divenne membro (Fellow) dellaRoyal Society.Nel1967 Hoyle fondò il dipartimento di Astronomia Teorica dell'Università di Cambridge, di cui divenne direttore. Nel1972 fu nominatocavaliere; tuttavia nello stesso anno egli lasciò Cambridge, anche per via del crescente sostegno che ilBig Bang stava ottenendo nell'ambiente astronomico inglese.
La mente fervida di Hoyle lo portò spesso a ideare e a sostenere posizioni controverse. Uno dei principali esempi è il suo coinvolgimento nel campo dellabiologia con l'ipotesi dellaPanspermia secondo cui la vita è un fenomeno cosmico globale. Infatti Hoyle, assieme aChandra Wickramasinghe, propose la teoria che la vita si sia evoluta nello spazio, diffondendosi nell'universo, e che questa sia l'origine della vita sullaTerra. Inoltre l'evoluzione sarebbe sospinta da un lento ma continuo afflusso divirus dallo spazio, trasportati dacomete assieme all'acqua e alle molecole biologiche (affermò un'origine extraterrestre - nel senso di provenienza dei virus dallo spazio - anche per l'AIDS e lepandemieinfluenzali). Egli sosteneva inoltre che tutto il cosmo fosse ricco di virus ebatteri, e pieno di vita anche nelmezzo interstellare. Per quanto scarsamente accreditata (i suoi riscontri sperimentali sono a tutt'oggi quasi inesistenti), questa teoria ha sicuramente avuto una ricaduta scientifica positiva, spingendo ad esempio alla ricerca (ed alla scoperta) di numerose specie organiche in ambienti astronomici come le comete o lenubi molecolari.
Fra le altre controversie cui Hoyle prese parte, le più famose sono legate ai suoi dubbi sull'autenticità di un fondamentalefossile diarchaeopteryx e la sua condanna per l'assegnazione delPremio Nobel per la Fisica1974 ai soliAntony Hewish e al vecchio rivale Ryle, e non aJocelyn Bell, che pure aveva avuto un ruolo fondamentale nella scoperta (la primapulsar) per cui Hewish venne premiato. Secondo alcuni questa critica costò il Nobel a Hoyle, che gli sarebbe stato assegnato per le sue ipotesi sulla nucleosintesi stellare.[13]
Neglianni cinquanta Hoyle tenne una serie di trasmissioni radiofoniche allaBBC, che furono raccolte nel libroLa natura dell'Universo (The Nature of the Universe) e poi scrisse diversi altri libri di divulgazione scientifica.
Col declino della sua teoria cosmologica, Hoyle dedicò anche gran parte del proprio tempo all'attività letteraria. Scrisse diversi libri difantascienza. Il più importante è probabilmenteLa nuvola nera (The Black Cloud, 1957), in cui si ipotizza che le più intelligenti forme di vita dell'universo abbiano la forma di nubi di gas interstellare, che si sorprendono del fatto che la vita intelligente possa svilupparsi anche su deipianeti.
Lifecloud - The Origin of Life in the Universe, Hoyle, F. and Wickramasinghe C., J. M. Dent and Sons, 1978.ISBN 0-460-04335-8
Commonsense in Nuclear Energy, Fred Hoyle and Geoffrey Hoyle, 1980, Heinemann Educational Books Ltd.,ISBN 0-435-54432-2
The big bang in astronomy,New Scientist92(1280):527, 19 November 1981.
Ice, the Ultimate Human Catastrophe,1981,ISBN 0-8264-0064-7[18]Edizione italiana:Ghiacci: è inevitabile la prossima glaciazione?, Milano, ETAS libri, 1982.
^Comunemente si riferisce che Hoyle intese ciò in senso dispregiativo. Tuttavia, Hoyle in seguito ha negato ciò, dicendo fu solo un'immagine sensazionale intesa ad enfatizzare la differenza tra le due teorie per i radioascoltatori (vedi capitolo 9 diThe Alchemy of the Heavens ("L'alchimia dei cieli") di Ken Croswell, Anchor Books, 1995).
^Secondo quanto riferisceRoger Penrose, nel 1950, durante una conferenza radiofonica trasmessa dallaBBC sul temaLa natura dell'universo impiegò la parola "provvidenziale" in relazione alle costanti e condizioni iniziali dell'universo che risultavano insolitamente a favore della comparsa della vita
^Secondo Hawking «la Chiesa cattolica, d'altra parte, si impadronì del modello del big bang e nel 1951 dichiarò ufficialmente che esso è in accordo con la Bibbia.» (Dal Big Bang ai buchi neri, XVI edizione, Rizzoli 1989, p.65)
^Hoyle, F. (1993). "Light element synthesis in Planck fireballs". Astrophysics and Space Science. 198 (2): 177–193. doi:10.1007/BF00644753. S2CID 121245869.
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