I Buchi Neri
Gli scienziati dicono di aver risolto uno dei più grandi paradossi della scienza, identificato per la prima volta da Stephen Hawking.
Caratteristica distintiva dei buchi neri
La caratteristica distintiva dei buchi neri è che sono “appunto” neri: gli oggetti che cadono nel buco nero non possono più essere visti e non possono più influenzare l’universo esterno. Nella relatività generale classica, i teoremi “senza capelli” limitano la caratteristica che un buco nero possa influenzare altri oggetti.
Questi sono limitati alla sua massa totale, rotazione e carica. Ora, quattro fisici teorici mostrano che queste caratteristiche non sono più valide.
Quando si considerano gli effetti gravitazionali quantistici, essi mostrano che lo stato quantistico del campo gravitazionale causato dal buco nero contiene informazioni sullo stato interno del buco stesso.
Questa influenza quantistica si estende oltre l’orizzonte degli eventi e fino ai confini più remoti dello spaziotempo. Come esempio specifico di effetti quantistici, mostrano che gli scambi di gravitoni virtuali (un’ipotetica particella elementare responsabile della trasmissione della forza di gravità), determinano una forza gravitazionale estremamente debole, che è assente nella fisica classica.
La dimensione di questa forza dipende dalla disposizione specifica della materia che ha formato il buco, non solo dalla sua massa totale. I risultati del team potrebbero risolvere il paradosso dell’informazione del buco nero di Stephen Hawking, che ha messo alla prova i fisici dal 1976. I “capelli quantici” consentono alle informazioni da dietro l’orizzonte di emergere nella radiazione di Hawking, in modo che un buco nero in evaporazione obbedisca a una proprietà chiamata unità quantistica.
La materia che collassa in un buco nero lascerebbe un’impronta nel campo gravitazionale del buco nero stesso, costituendo i “capelli quantistici”
In un articolo pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, il professor Stephen Hsu della Michigan State University e colleghi dimostrano che i buchi neri sono più complessi di quanto originariamente previsto e hanno un campo gravitazionale che, a livello quantistico, codifica le informazioni su come si sono formati.
Negli anni ’60
Negli anni ’60, l’eminente fisico John Archibald Wheeler ha annunciato che i buchi neri sono privi di qualsiasi caratteristica osservabile oltre che alla loro massa totale, rotazione e carica con la frase “i buchi neri non hanno capelli“. Questo è noto come il teorema senza capelli.
La Scoperta dei “capelli quantici”
Avendo dimostrato che i buchi neri hanno in effetti questa caratteristica aggiuntiva, il professor Hsu e i coautori etichettano la loro scoperta come “capelli quantici dalla gravità”.
I buchi neri sono stati a lungo considerati il laboratorio perfetto per studiare come fondere la teoria della relatività generale di Einstein con la meccanica quantistica. All’interno della comunità scientifica si presumeva generalmente che risolvere questo paradosso avrebbe richiesto un enorme cambio di paradigma nella fisica, costringendo la potenziale riformulazione della meccanica quantistica o della relatività generale.
Quello che è stato scoperto (e penso sia particolarmente eccitante) è che questo non è affatto necessario.
Le due teorie possono coesistere
La ricerca dimostra che le due teorie possono essere utilizzate per fare calcoli coerenti per i buchi neri e spiegare come le informazioni vengono archiviate senza la necessità di una nuova fisica radicale.
Nel loro articolo, gli autori mostrano che la materia che collassa in un buco nero lascia un’impronta nel campo gravitazionale del buco nero quando vengono prese in considerazione le correzioni gravitazionali quantistiche. Questa impronta è ciò che chiamano “capelli quantici“.
La dimostrazione
I Fisici hanno confrontato i campi gravitazionali di due stelle con la stessa massa totale e raggi ma composizioni diverse.
A livello classico, le due stelle hanno lo stesso potenziale gravitazionale, ma a livello quantistico il potenziale dipende dalla composizione della stella. Quando le stelle collassano in buchi neri, i loro campi gravitazionali conservano la memoria di ciò di cui sono fatte le stelle e portano alla conclusione che i buchi neri hanno i capelli.
Il concetto di orizzonte causale degli eventi (orizzonte cosmologico) è centrale nella nozione di buco nero. L’orizzonte degli eventi è la soglia attorno al buco nero dove la velocità di fuga supera la velocità della luce. Ciò che è dietro l’orizzonte non può, nella fisica classica, influenzare l’esterno.
Gli scienziati hanno invece dimostrato che ci sono intricati intrecci tra lo stato quantistico della materia dietro l’orizzonte (all’interno del buco) e lo stato dei gravitoni all’esterno. Questa correlazione quantistica rende possibile codificare le informazioni quantistiche all’interno del buco nero.
Si scopre così che i buchi neri, in realtà, conservano il ricordo delle stelle che li hanno generati.
I Capelli quantici risolvono il paradosso del buco nero
In un documento successivo, pubblicato sulla rivista Physics Letters B, il professor Calmet e il professor Hsu mostrano che i loro “capelli quantici” risolvono il paradosso dell’informazione del buco nero di Stephen Hawking.
Nel 1976, il professor Hawking afferma che i buchi neri fanno evolvere gli stati puri in stati misti. In altre parole, le informazioni quantistiche che cadono in un buco nero non sfuggono sotto forma di radiazione. Piuttosto svaniscono completamente dal nostro Universo.
In parole semplici, il “paradosso dell‘informazione del buco nero” si riferisce al fatto che l’informazione non può essere distrutta nell’universo, eppure quando un buco nero alla fine evapora, qualsiasi informazione sia stata inghiottita da questo aspirapolvere cosmico dovrebbe essere svanita da tempo.
L’informazione è preservata
I “capelli quantici” forniscono il meccanismo mediante il quale l’informazione viene conservata durante il collasso di un buco nero e come tale risolve uno dei dilemmi più famosi della scienza moderna.
Come sappiamo da Einstein, le forze gravitazionali derivano dalla stessa geometria dello spaziotempo stesso. Quindi, quando quantizziamo la gravità, ci aspettiamo di scoprire nuove cose sullo spaziotempo quantistico.
In questo caso, apprendiamo che la radiazione di Hawking proveniente da un buco nero è intrecciata con lo stato quantistico dello spaziotempo stesso!
Fonti: sci-news