bh_artist

I buchi neri non sono eterne ‘prigioni’

L’argomento più caldo della scorsa settimana, e che ha fatto il giro del web e dei media tradizionali, è stato l’annuncio da parte di Stephen Hawking secondo il quale ci sarebbe un modo per risolvere il famigerato paradosso dell’informazione dei buchi neri. I fisici hanno a lungo dibattuto su ciò che accade all’informazione circa lo stato fisico di un oggetto che viene “risucchiato” da un buco nero. Inizialmente, si pensava che l’informazione fosse perduta per sempre ma poi si concluse che ciò violava le leggi della meccanica quantistica. Ora secondo lo scienziato inglese, che ha presentato la sua proposta durante la Hawking Radiation Conference ospitata dal Nordic Institute for Theoretical Physics (Nordita) in Svezia (post), l’informazione non finirebbe completamente nel buco nero ma potrebbe essere per così dire “trattenuta” nel suo confine, ossia nell’orizzonte degli eventi, ed essere “trasportata” verso l’esterno, anche se in una forma caotica, mediante la radiazione Hawking.

Secondo quanto proposto da Leonard Susskind dell’Università di Stanford qualche tempo fa, l’informazione viene immagazzinata dai buchi neri in quella superficie ideale che li circonda e che viene chiamata orizzonte degli eventi, una sorta di confine o “punto di non ritorno” dove non è più possibile sfuggire all’incredibile attrazione gravitazionale del buco nero. La domanda è: cosa c’è di diverso nella proposta di Hawking che afferma la stessa cosa? Si tratta, forse, di una nuova teoria? Cominciano dall’inizio per capire a grandi linee in che cosa consiste questo paradosso.

I buchi neri sono gli oggetti astrofisici più enigmatici che conosciamo nell’Universo, regioni dello spazio dove la forza di gravità è così intensa che niente, persino la luce, è in grado di sfuggire. In teoria, essi si formano molto facilmente a seguito dell’evoluzione stellare di stelle di grande massa. Ciò che occorre è comprimere abbastanza massa, oppure la sua energia equivalente (E=mc2), in un piccola regione dello spazio: ecco allora che avremo un buco nero (ad esempio, se la Terra fosse compressa in una sfera del raggio di 9mm mantenendo tutta la sua massa, avremo prodotto un buco nero). In generale, quando il nucleo di una stella massiccia, che ha una massa tipicamente 20 volte o più la massa del Sole, implode, cioè nel momento in cui la forza di gravità non viene più controbilanciata dalla pressione di radiazione interna dovuta alle reazioni nucleari, si ha il suo collasso gravitazionale che porta alla formazione di un buco nero. Nel corso del tempo, i buchi neri possono catturare sempre più materia o si possono fondere con altri oggetti o buchi neri (ad esempio nei sistemi binari) diventando più grossi. Nel nucleo di alcune galassie come la nostra (Sagittarius A*) risiedono buchi neri che possono raggiungere milioni di volte la massa del Sole mentre nelle galassie più grandi e più massicce i buchi neri centrali possono avere miliardi o decine di miliardi di volte la massa del Sole. Tuttavia, dall’esterno, non abbiamo modo di sapere come si formano. Per quanto ne sappiamo fino ad oggi, possiamo solamente distinguere in generale tre proprietà fisiche che li caratterizzano: 1) massa; 2) carica elettrica e 3) rotazione. Tutto qui!

Credit: Gr@v — Gravitation @ Aveiro University — 2010–2015

Immaginiamo di avere inizialmente un buco nero e che qualcosa vi cada dentro. Potrebbe essere un protone, un anti-protone, un fotone e così via, ma potrebbe essere persino una persona. Quando queste “cose” vengono catturate, la loro massa si sommerà a quella del buco nero ma l’informazione rimane “codificata” sulla sua “superficie ideale” rappresentata come abbiamo detto dall’orizzonte degli eventi. Mentre l’osservatore o le particelle che stanno cadendo verso il buco nero non si renderanno conto di attraversare l’orizzonte degli eventi, un osservatore al di fuori di esso li vedrà sempre più arrossati e più deboli ma senza mai superare veramente l’orizzonte degli eventi. Perciò, la loro informazione rimane in qualche modo codificata sulla “superficie” del buco nero dove si presume che esisterà in eterno. Dunque, se i buchi neri esistessero in eterno non ci sarebbe alcun paradosso: in altre parole, se qualcosa precipita verso il buco nero, l’informazione in essa contenuta rimane così com’era, codificata nell’orizzonte degli eventi. “Io propongo che l’informazione non sia immagazzinata nella parte interna del buco nero, come ci si potrebbe aspettare, ma nel suo bordo, cioè nell’orizzonte degli eventi”, ha spiegato Hawking durante la conferenza pubblica tenutasi al KTH Royal Institute of Technology a Stoccolma.

Ma esaminiamo adesso il fenomeno fisico dal punto di vista del mondo dei quanti, cioè da dove emerse per la prima volta il problema. Sappiamo che i buchi neri sono enormi sorgenti della gravità dato che la loro massa è “impacchettata” in un volume di spazio molto piccolo. Conseguenza di ciò è che lo spazio attorno ai buchi neri è estremamente curvo perciò l’universo quantistico si comporta in maniera alquanto diversa in uno spazio curvo che in uno spazio piatto o euclideo. In particolare, una delle cose che avvengono normalmente in uno spazio piatto è che esiste un valore non nullo dell’energia del vuoto: in altre parole, coppie virtuali di particelle-antiparticelle emergono e svaniscono continuamente. In condizioni normali, le coppie virtuali esistono per un brevissimo intervallo di tempo, poi annichilano nuovamente e scompaiono definitivamente nel vuoto. Se guardiamo lo stato fisico “prima” e lo stato fisico “dopo” notiamo che non c’è nulla di diverso. Ma in uno spazio curvo, le coppie virtuali possono apparire alle estremità opposte dell’orizzonte degli eventi. Nelle condizioni giuste, che sono rare ma possono accadere, avremo l’emergere di una minuscola radiazione quantistica di bassa energia in cui una “particella” di una coppia virtuale annichila con la “antiparticella” dell’altra coppia virtuale, producendo così un caratteristico spettro di radiazione di corpo nero. Si tratta, però, di un processo lento e lungo: infatti, occorrono 1067 anni prima che un buco nero di massa solare evapori completamente e 10100 anni per un buco nero supermassiccio. Alla fine, quindi, non ci saranno più buchi neri ma solo un “mare di radiazione” termica di corpo nero. Questa radiazione, chiamata radiazione Hawking, descrive il destino finale di tutti i buchi neri. Però, la cosa peggiore è che la radiazione Hawking “non ha memoria” di ciò che precipita nel buco nero. Questo è ciò che sta alla base del paradosso dell’informazione: alla fine, l’informazione che è entrata nel buco nero viene persa nel corso del tempo.

L’origine quantistica della radiazione Hawking. Credit: E. Siegel

Dunque, Hawking ritiene invece di aver risolto il paradosso assumendo che la radiazione Hawking sia proprio il mezzo attraverso il quale l’informazione può essere trasportata verso l’esterno una volta prodotta nell’orizzonte degli eventi. “Ma non crediate che stiamo ricevendo un messaggio dalla parte interna di un buco nero”, afferma Hawking. “L’informazione contenuta nelle particelle che entrano verso il buco nero viene ritornata in una forma caotica che non può essere utilizzata. Questo risolve il paradosso dell’informazione, ma dal punto di vista pratico l’informazione viene perduta”. Se l’informazione non avesse una forma caotica, un osservatore sarebbe in grado di ricostruire qualsiasi cosa che sia precipitata nel buco nero ma si dovrebbe aspettare un tempo estremamente lungo.

Credit: Matt Strassler

Dato, però, che l’informazione non dovrebbe essere in grado di distruggersi in questo modo, ecco che abbiamo un paradosso. Tuttavia, l’informazione deve essere preservata. Di fatto, le leggi della meccanica quantistica affermano che qualsiasi cosa nel nostro mondo può essere “spezzettata”, per così dire, sotto forma di informazione, come ad esempio una sequenza di 1 e 0. Secondo queste leggi, l’informazione non dovrebbe mai scomparire, nemmeno se essa viene “risucchiata” da un buco nero, anche se secondo la relatività generale non c’è via di scampo in quanto essa viene distrutta.

Fino ad oggi, dunque, nessuno sapeva come fosse preservata l’informazione, anche se c’erano delle idee. Ora, invece, si assume che l’informazione presente nella “superficie” del buco nero venga in qualche modo codificata nella radiazione Hawking.

Stephen Hawking durante la conferenza all’Istituto KTH. Credit: Håkan Lindgren

La proposta di Hawking, elaborata assieme ai colleghi Malcolm Perry dell’Università di Cambridge e Andrew Strominger dell’Università di Harvard, proviene dalla teoria delle stringhe ed è nota con il termine “supertranslations”. In maniera molto semplicistica, una “supertranslation” emerge da un fatto ben noto sul vuoto classico descritto nella teoria di Einstein: il fatto, cioè, che esso risulta estremamente degenere. Abbiamo diversi tipi di stati fisici associati al vuoto (vuoti differenti) che hanno le stesse proprietà o che sono indistinguibili gli uni dagli altri. Vuoti differenti che corrispondono a diversi stati possono essere correlati l’uno con l’altro dalla rottura di una simmetria identificata nel 1962 da Bondi, van der Burg e Metzer. Questo tipo di simmetrie sono le “supertranslations”, su cui lavora in particolare Strominger, che descrivono le fluttuazioni del campo gravitazionale. Dunque, Hawking suggerisce che l’informazione delle particelle che passano attraverso l’orizzonte degli eventi viene in qualche modo “tradotta” in una sorta di ologramma, cioè una descrizione bidimensionale di un oggetto tridimensionale, che sta sulla superficie dell’orizzonte degli eventi. Secondo Hawking, l’informazione può essere recuperata in due modi: “L’idea è che l’informazione venga ‘tradotta’ in un certo tipo di ologramma bidimensionale (supertranslation) che giace sull’orizzonte degli eventi, mantenendo così l’informazione che altrimenti andrebbe persa, oppure essa può emerge in un altro universo”. Durante la sua conferenza pubblica Hawking ha poi detto: “L’esistenza di storie alternative che riguardano i buchi neri suggerisce che ciò potrebbe accadere. Il buco nero dovrebbe essere abbastanza grande e se poi ruota potrebbe disporre di un passaggio verso un altro universo. Una volta passato, però, non si tornerebbe più indietro. Anche se mi piace volare, non ho intenzione di provarlo”. Nel mese di Aprile dello scorso anno, Hawking ascoltò una conferenza di Strominger da cui scattò l’idea sul fatto che le particelle che entrano l’orizzonte degli eventi causano le “supertranslations” e che queste “supertranslations” possono imprimere la loro “impronta digitale” nella radiazione Hawking. Questa sarebbe, quindi, la spiegazione del nuovo approccio al paradosso dell’informazione. “La relatività generale ci dice che la materia viene attratta dal buco nero una volta superato l’orizzonte degli eventi”, dice Marika Taylor dell’Università del Southampton. “L’olografia sembra però suggerire che la teoria di Einstein sui buchi neri non sia corretta. In particolare, non è chiaro se i buchi neri siano caratterizzati, o meno, da una parte ‘interna’. Infatti, la materia che viene risucchiata potrebbe rimanere ‘attaccata’ sull’orizzonte degli eventi e rimanervi sotto forma di ologramma. In altre parole, Hawking sta dicendo che l’informazione è già lì due volte sin dall’inizio per cui non viene distrutta, almeno per quanto ho capito. Tuttavia, non c’è ancora un grande consenso su questa ipotesi. Inoltre, nessuno comprende realmente i dettagli di come può accadere tutto ciò e questo è quanto Hawking sta cercando di capire assieme ad altre problematiche che riguardano i buchi neri”.

Insomma, Hawking ha introdotto un nuovo approccio per risolvere il paradosso dell’informazione. Ma la domanda è: si tratta davvero della soluzione? Difficile dirlo, il che vuol dire che in alcun modo nessuno è in grado di concludere che il paradosso sia effettivamente risolto. Invece, possiamo dire che si tratta di una nuova idea che è stata proposta per risolvere il paradosso, un’idea che è ancora in una fase embrionale. Bisogna dire, però, che se qualcun’altro avesse proposto questa idea, forse non avrebbe avuto quella stessa attenzione che si è meritato lo scienziato inglese. Certamente è importante proseguire con la ricerca anche se, spesso, la maggior parte delle idee come questa portano a strade chiuse. Forse, in questo caso è possibile che una tale proposta possa diventare molto speciale, ma fino a che qualcuno non sia passato attraverso il lavoro teorico, cosa che Hawking, Perry e Strominger non hanno fatto, non abbiamo alcuna ragione di credere che il paradosso dell’informazione stia per essere ben presto risolto.

Il mese prossimo, Hawking e i suoi colleghi pubblicheranno un articolo dove saranno spiegati i dettagli della loro proposta. Nel frattempo, rimane chiaro che il celebre scienziato inglese sia convinto davvero del fatto che i buchi neri non sono evitabili. “Il messaggio che voglio trasmettere è che dopo tutto i buchi neri non sono così neri come viene spesso descritto. Essi non sono le ‘eterne prigioni’ di cui si pensava una volta. Le cose possono emergere da un buco nero sia all’esterno e possibilmente in un altro universo. Se poi vi sentite di essere intrappolati da un buco nero, non disperate, c’è sempre una via di fuga”, conclude ironicamente Hawking.

KTH: Hawking offers new solution to black hole mystery
Backreaction [for updates]: Hawking proposes new idea for how information might escape from black holes


Articoli correlati:


UPDATE: preprint su arXiv: S. Hawking – The Information Paradox for Black Holes