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Simulare la radiazione di Hawking con un buco nero ‘artificiale’

Circa 40 anni fa, Stephen Hawking sbalordì i cosmologi quando annunciò che i buchi neri non sono completamente neri, dato che una piccola quantità di radiazione, detta radiazione di Hawking, sarebbe stata in grado di sfuggire all’intensa attrazione gravitazionale. Nel corso del tempo, questa conseguenza emersa nel tentativo di riconciliare la meccanica quantistica e la relatività generale ha sollevato una questione fondamentale, nota come paradosso della (perdita di) informazione dei buchi neri, sul fatto che l’informazione codificata nella radiazione svanisca definitivamente con essa una volta superato l’orizzonte degli eventi.

La radiazione di Hawking si basa su un principio base della meccanica quantistica per cui ampie fluttuazioni di energia possono verificarsi per brevi intervalli di tempo. Ciò significa che lo spazio non è completamente vuoto, ma ribolle continuamente di coppie particella-antiparticella che appaiono per poi scomparire immediatamente dopo. Ma qualcosa di speciale si verifica quando coppie di particelle-antiparticelle emergono in prossimità dell’orizzonte degli eventi, quella sorta di “confine” tra un buco nero e il resto dell’Universo. La coppia particella-antiparticella si separa e quella più vicina all’orizzonte degli eventi cade nel buco nero, mentre l’altra sfugge via. La radiazione di Hawking riguarda proprio queste particelle in fuga, anche se i fisici devono ancora rilevarla da un vero e proprio buco nero. Tuttavia, un modo di verificare la teoria di Hawking sarebbe quello di ‘simulare’ un orizzonte degli eventi in laboratorio. Per far questo, un gruppo di fisici guidati da Jeff Steinhauer, un fisico che lavora presso Technion-Israel Institute of Technology di Haifa, hanno “creato” un buco nero intrappolando onde sonore in un “fluido ultra freddo” costituito da atomi di rubidio raffreddati a meno di un miliardesimo di grado sopra lo zero assoluto. A questa temperatura, gli atomi si trovano molto ravvicinati e si comportano come un unico oggetto fluido quantistico che può essere facilmente manipolato. Le basse temperature assicurano inoltre che il fluido, noto come condensato di Bose-Einstein, fornisca un mezzo ideale nel quale si possono propagare le onde sonore che hanno origine dalle fluttuazioni quantistiche. Utilizzando luce laser, i ricercatori hanno fatto scorrere il fluido con una velocità superiore a quella del suono. Come un nuotatore che si imbatte contro una corrente forte, le onde sonore viaggiano nella direzione opposta del fluido e perciò rimangono ‘intrappolate’. In questo modo, il condensato di Bose-Einstein diventa l’orizzonte degli eventi. Coppie di onde sonore emergono e scompaiono nel vuoto creato in laboratorio, imitando le coppie particella-antiparticella nel vuoto dello spazio. Quelle onde che cavalcano, per così dire, l’orizzonte degli eventi ‘sonoro’ diventano l’equivalente della radiazione di Hawking. Per amplificare poi le onde sonore e raccoglierle ai rilevatori, gli scienziati hanno creato un secondo orizzonte degli eventi ‘sonoro’ all’interno del primo, regolando così il fluido in modo tale che le onde sonore non siano in grado di attraversarlo, rimbalzando all’indietro. Man mano che le onde sonore colpiscono ripetutamente l’orizzonte degli eventi esterno, esse creano altre coppie di onde sonore amplificando di conseguenza la radiazione di Hawking su livelli scala misurabili.

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La figura illustra la simulazione delle onde sonore che si creano tra due orizzonti degli eventi di un buco nero ‘sonico’. L’orizzonte più interno indica la presenza della radiazione di Hawking. Credit: Jeff Steinhauer

Alcuni ricercatori, però, affermano che non è ancora chiaro quanto questo esperimento, su cui lavora Steinhauer da cinque anni, possa riprodurre la radiazione di Hawking. Infatti, l’apparato sperimentale creato da Steinhauer permette di rilevare una sola frequenza della radiazione, perciò non siamo certi che essa abbia l’intensità prevista dalla teoria di Hawking quando prendiamo in considerazione diverse frequenze. Steinhauer sta ora lavorando per sviluppare la tecnologia senza dover ricorrere alla fase di amplificazione della radiazione sonora. Quello che è certo è che lo studio della radiazione di Hawking in laboratorio potrebbe fornire preziosi indizi per verificare sperimentalmente il paradosso dell’informazione dei buchi neri. Insomma, dato che la radiazione di Hawking si basa sui principi della meccanica quantistica e della relatività generale, si tratta di un primo passo nel tentativo di riconciliare la teoria quantistica con la gravità, l’unica forza della natura che non è descritta al livello subatomico. Forse, questa opportunità potrebbe essere fornita proprio da un buco nero ‘artificiale’ costruito in laboratorio.

Physics World: Black-hole analogue traps sound
Nature: Hawking radiation mimicked in the lab
arXiv: Observation of self-amplifying Hawking radiation in an analog black hole laser
arXiv: Realization of a sonic black hole analogue in a Bose-Einstein condensate

Vedasi: Infografica sui buchi neri