I buchi neri evaporano davvero: come lo sappiamo?

Nel 1974, Stephen Hawking propose che i buchi neri potessero evaporare. Ma capiamo come ciò potrebbe accadere?

Nel 1974, Stephen Hawking avanzò un'idea intrigante: utilizzando i principi della fisica quantistica, predisse che anche se nulla dovrebbe sfuggire all'orizzonte degli eventi di un buco nero, queste bestie cosmiche possono effettivamente emettere particelle. Ed espellendo queste particelle, i buchi neri si restringono in un tempo molto lungo, alla fine evaporano e probabilmente esplodono.

Hawking ha scatenato un dibattito che continua da più di 50 anni. L’idea che i buchi neri evaporino mette in conflitto due principi fondamentali della fisica: la relatività generale e la meccanica quantistica.

Ma, supponendo che Hawking e altri abbiano ragione, come farebbe un buco nero ad evaporare, senza lasciare nulla dietro di sé? Prima di esplorare questa idea sconvolgente, è importante sapere che i fisici teorici stanno ancora discutendo su come sia possibile. Ma negli ultimi decenni sono emerse una serie di potenziali spiegazioni sul modo in cui i buchi neri sembrano sfidare le regole del nostro universo scomparendo.

"Abbiamo trascorso gli ultimi 50 anni a lottare al riguardo", ha detto a WordsSideKick.com Daniel Harlow, un fisico del MIT. "Direi che ora lo capiamo molto meglio di quanto lo capisse Hawking."

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Albert Einstein predisse l'esistenza dei buchi neri nel 1915 con la sua teoria della relatività generale, che spiega come la gravità sia una proprietà della curvatura dello spazio-tempo . Secondo questa teoria, i buchi neri sono oggetti con molta massa compressa in un'unica area, dove la gravità è così forte che nemmeno la luce può sfuggire alla sua attrazione.

"Secondo la relatività generale, tutto può entrare solo dentro [un buco nero] e nulla potrà mai uscire", ha detto Heino Falcke, un astrofisico della Radboud University nei Paesi Bassi che ha partecipato alla cattura del < u>prima immagine di un buco nero nel 2019. "Tutto ciò che viene gettato dentro è completamente schiacciato in un punto."

Ma circa 60 anni dopo, i calcoli di Hawking hanno dimostrato che forse non tutto viene schiacciato dai buchi neri. Nella meccanica quantistica, coppie di particelle – particelle e antiparticelle – entrano ed escono dall’esistenza. Queste particelle solitamente si annullano a vicenda.

Ma Hawking ha sostenuto che le fluttuazioni dei campi sull’orizzonte degli eventi, il “punto di non ritorno” di un buco nero oltre il quale nulla può sfuggire, significa che queste particelle non sempre si annullano: una di quelle particelle può essere risucchiata dal buco nero, mentre l'altro viene espulso nello spazio, lasciando dietro di sé una nuvola chiamata radiazione di Hawking. Secondo questa teoria, man mano che vengono espulse sempre più particelle, i buchi neri iniziano a perdere energia e massa e alla fine scompaiono.

Questo processo sarebbe molto lento. Un buco nero con una massa pari a quella del Sole potrebbe impiegare 10^67 anni per evaporare completamente, un periodo più lungo dell'età attuale dell'universo. E gli scienziati devono ancora trovare prove a riguardo; i buchi neri non sembrano rilasciare radiazione termica, il che significa che la radiazione di Hawking potrebbe non essere rilevabile. Alcuni scienziati stanno cercando di dare una sbirciatina a questa sfuggente radiazione nei laboratori e su minuscoli buchi neri, che si ipotizza evaporino più rapidamente di quelli nella nostra galassia.

Paradosso del buco nero

Tuttavia, l'idea di Hawking presenta alcuni avvertimenti che portano a domande confuse. L’evaporazione introduce un enigma chiamato paradosso dell’informazione del buco nero. Se un buco nero evapora e scompare, le particelle che lascia mancano di informazioni sullo stato originale della materia. Ciò viola un concetto fondamentale della fisica – secondo cui un sistema in un punto nel tempo dovrebbe determinare, o riflettere, il suo stato in un altro – noto anche come prevedibilità.

Gli scienziati stanno ancora discutendo su come risolvere questo paradosso. "La cosa sorprendente del paradosso di Hawking è che qualsiasi sua risoluzione richiede la rinuncia a qualche sacro principio della fisica", ha detto Harlow. La soluzione di Hawking fu quella di rinunciare alla prevedibilità, come lamentò in un articolo del 1976.

Alcuni fisici stanno esaminando le leggi della termodinamica per risolvere questa discrepanza e il modo in cui l'entropia influisce sull'informazione quantistica. Un altro gruppo di fisici sta esaminando la località, il principio secondo cui gli oggetti sono direttamente influenzati solo dalle immediate vicinanze. Credono che il paradosso dell'informazione possa essere risolto attraverso qualcosa chiamato nonlocalità quantistica, l'idea che le particelle all'interno di un buco nero condividano il loro stato quantistico con particelle correlate all'esterno di esso.

Nonostante i progressi nella comprensione dell’evaporazione del buco nero, i misteri continuano ad accumularsi. In uno studio del 2023 pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, Falcke e colleghi hanno sostenuto che il paradosso dell'informazione potrebbe non essere limitato ai buchi neri. Derivando nuovamente i calcoli di Hawking, il team ha proposto che tutti gli oggetti potrebbero avere lo stesso problema. Tutte le cose potrebbero evaporare, rendendo così più profondo il puzzle.

"C'è qualcosa nel mondo che non possiamo spiegare", ha detto Falcke. "Ma, sai, creando più misteri, alla fine potremmo effettivamente essere un passo avanti verso una soluzione."