18 Marzo 2022
16:14

Forse abbiamo risolto il paradosso del buco nero di Stephen Hawking

La materia che collassa in un buco nero lascerebbe un’impronta nel campo gravitazionale del buco nero stesso, costituendo i “capelli quantistici”.
A cura di Valeria Aiello

Cosa accade alla materia che viene risucchiata in un buco nero? Un importante passo in avanti nella risoluzione del paradosso dell’informazione del buco nero, uno dei dilemmi più noti della scienza moderna, arriva da un team internazionale di ricerca che, in due nuovi articoli scientifici, ha presentato una nuova soluzione che permette di individuare il meccanismo attraverso cui le informazioni fisiche della materia collassata verrebbero conservate anziché “sparire” nel buco nero stesso. Questo paradosso, formulato per la prima volta nel 1976 su suggerimento di Stephen Hawking, risiede nel fatto che la perdita assoluta di informazioni non è consentita dalla fisica quantistica, ponendo un problema su cui gli scienziati di tutto il mondo si sono interrogati per quasi mezzo secolo.

I "capelli quantistici" risolvono il paradosso del buco nero

In un primo articolo, pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, il professor Xavier Calmet e il dottorando Folkert Kuipers dell’Università del Sussex, nel Regno Unito, il professor Stephen Hsu della Michigan State University negli Stati Uniti, e il professor Roberto Casadio del Dipartimento di Fisica e Astronomia “Augusto Righi” dell’Università di Bologna e dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare del capoluogo emiliano, hanno dimostrato che i buchi neri sono più complessi di quanto originariamente previsto, in quanto possiedono un campo gravitazionale che, a livello quantistico, codifica le informazioni su come si sono formati.

Questa caratteristica aggiuntiva, chiamata “capelli quantistici derivati dalla gravità”, è stata illustrata utilizzando complessi metodi matematici che indicano come, prese in considerazione le correzioni gravitazionali quantistiche, la materia che collassa in un buco nero lasci un’impronta nel campo gravitazionale del buco nero stesso, costituendo appunto i “capelli quantistici”.

In particolare, gli studiosi hanno confrontato i campi gravitazionali di due stelle uguali per raggio e massa totale, ma nelle quali la materia è distribuita diversamente al loro interno. Per la fisica classica, le due stelle avrebbero lo stesso potenziale gravitazionale, ma a livello quantistico tale potenziale dipenderebbe invece dalla loro composizione interna. Per cui, in seguito al loro collasso nei buchi neri, i campi gravitazionali andrebbero a conservare la memoria di come le stelle erano fatte internamente, ovvero avrebbero “capelli” in grado di rivelare le informazioni della materia collassata.

Un aspetto cruciale da considerare è che i buchi neri si formano dal collasso di oggetti compatti – ha spiegato in una nota il professor Casadio – . Questo significa, secondo la teoria quantistica, che non c’è nessuna separazione assoluta tra l’interno e l’esterno del buco nero. Tuttavia, lo stato della materia che collassa e forma il buco nero continua a influenzare lo stato esterno del buco nero stesso, anche se in modo compatibile con gli attuali limiti sperimentali. Questo è il fenomeno che abbiamo chiamato dei capelli quantistici”.

Nel secondo articolo, pubblicato sulla rivista Physics Letters B, il professor Calmet e il professor Hsu hanno mostrato come mediante questi “capelli quantistici” sia possibile risolvere il paradosso dell’informazione del buco nero – dovuto all’emissione di radiazioni termiche attraverso cui i buchi neri distruggerebbero le informazioni relative a ciò che li ha formati. Come premesso, un tale fenomeno violerebbe una legge fondamentale della meccanica quantistica, secondo cui qualsiasi processo può essere matematicamente invertito.

Grazie ai “capelli quantistici” è invece possibile individuare il meccanismo attraverso cui le informazioni vengono conservate all’interno di un buco nero. “L’informazione del buco nero – indicano gli studiosi – è distribuita su molti rami dello stato di radiazione finale e le sovrapposizioni macroscopiche di diverse geometrie spaziotemporali giocano un ruolo nell’evaporazione (la radiazione emessa dal buco nero, ndr)”.

Alcune delle difficoltà nel risolvere il paradosso – hanno concluso gli studiosi – possono derivare dalla riluttanza ad accettare questi aspetti della dinamica quantistica”. Pertanto, le formulazioni del paradosso basate su una geometria semiclassica fissa “descrivono solo un piccolo sottoinsieme dello spazio di evaporazione e non escludono l’unità complessiva”.

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