I buchi neri sono sempre rimasti semplici nella nostra immaginazione.
C'è stato un tempo in cui, usando le regole della teoria generale della relatività, si poteva immaginare una densa singolarità infinita. Era circondato da una zona gravitazionale, da cui era impossibile scappare, ed era chiamato "orizzonte degli eventi". Questi componenti, insieme a numerosi dettagli aggiuntivi, costituivano la descrizione di base dell'anatomia di un buco nero.
Il libro di testo è scritto su questo molto chiaramente: niente, nemmeno un raggio di luce può sfondare il vizio gravitazionale dell'orizzonte degli eventi dell'oggetto. È solo un biglietto di sola andata. Se un astronauta è troppo vicino all'orizzonte degli eventi, verrà trascinato dentro. E dovrà cadere alla sua morte, aspettandosi terribili conseguenze dalla spaghettificazione.
Sebbene questa sia una forma semplificata, è servita come spiegazione abbastanza decente di ciò che accade nel buco nero. Ma negli anni '70, il guru britannico di fisica teorica, Stephen Hawking, presentò la sua teoria principale sull'evaporazione dei buchi neri. E nei tempi moderni, Hawking crede che i libri di testo siano sbagliati, portandoci all'idea che i neri sembrino strade a senso unico.
Problema di radiazione di Hawking
La complessità del fatto che i buchi neri possono evaporare è una conseguenza della stranezza del mondo quantistico inesplorato. I teorici quantistici suggeriscono che nello spazio vuoto una coppia di "particelle virtuali" salti costantemente fuori dallo spazio e ritorni ad esso. Quindi, si scopre che il "vero vuoto" non è mai vuoto. Infatti, è pieno di coppie di particelle quantiche che nascono nel mondo, e quindi si annichilano in un breve intervallo di tempo. Di solito un tale processo avviene senza intoppi e intoppi: le particelle nascono da un vuoto, poi si annichilano con il loro partner e l'Universo fa i suoi affari personali. Ma se aggiungi un buco nero al mix, allora tutto ciò che ti circonda acquisisce le caratteristiche della follia.
Come accennato in precedenza, l'orizzonte degli eventi in un buco nero diventa un punto dal quale non c'è ritorno. Quindi cosa accadrà quando una coppia di particelle virtuali si eleverà nell'esistenza generale all'orizzonte e ne cadrà solo una? Bene, la seconda "particella virtuale", che ha perso il suo partner annientatore, viene letteralmente cacciata dal buco nero e diventa la categoria "realtà". Nel processo di diventare una "realtà", questa particella prende una parte della massa dal buco nero (la meccanica quantistica non ha mai preteso di trasmettere un significato logico). A causa di questo processo, che infuria costantemente nell'orizzonte degli eventi, il buco nero inizia a perdere massa fisica. Questo è ciò che l'evaporazione della radiazione di Hawking è.
Fino a questo punto, ho solo riscaldato il tuo appetito per le stranezze della teoria dei campi quantistici, e sarà solo più strano. Ma prima dobbiamo toccare alcune informazioni aggiuntive.
La teoria generale della relatività e la teoria dei campi quantistici giocano tra loro secondo le regole. Entrambe le aree della fisica trattano le descrizioni fondamentali di spazio, tempo e materia ai livelli micro (quantico) e macro (cosmologico). Si trovano sui lati opposti della bilancia. E dopo la recente scoperta del bosone di Higgs, il "libro delle ricette" quantistico chiamato Modello Standard, ancora una volta ha contribuito a dimostrare che questa è una descrizione accurata di come funziona il nostro Universo.
Il modello standard sembra avere un problema fondamentale con la gravità. Finora, i fisici non sono stati in grado di trovare una particella che mediava in forza gravitazionale (il nome ipotetico è "gravitone"). E nonostante tutti i loro sforzi, sembra che non ci sia ancora modo di risolvere questo enigma. E negli ultimi anni, i buchi neri sono diventati un altro campo di battaglia tra la teoria generale della relatività e la teoria dei campi quantistici.
Antitesi di "No Drama"
Quando la materia (e quindi "informazione") entra nello spazio di un buco nero, viene rimossa dai limiti noti dell'Universo e viene effettivamente distrutta. Questo è un problema La teoria generale della relatività si preoccupa poco delle informazioni che possiede la materia. Ma la teoria quantistica, d'altra parte, è troppo interessata a queste informazioni e crede che non possa essere "cancellata".
Nel 2004, un evento famoso si è verificato quando Hawking ha ammesso la sconfitta in una disputa con il fisico teorico John Presquil. Ha confermato che le informazioni "perse" in un buco nero sono codificate nella radiazione di Hawking (inizialmente affermava che i buchi neri distruggono le informazioni e le informazioni nelle radiazioni sono un nuovo codice che non si riferisce a un oggetto che entra nel buco).
Ma questa soluzione rapida ha creato un altro problema. Nel 2012, un gruppo di fisici guidato da Joseph Polchinski dell'Università della California a Santa Barbara ha capito che la memorizzazione di informazioni nella radiazione di Hawking richiederebbe un "firewall" di forte energia quantistica che comprimesse tutto ciò che si trova oltre l'orizzonte degli eventi.
Ricordando il nostro sfortunato cosmonauta che è entrato nell'orizzonte di un evento buco nero, con la teoria generale della relatività, non sperimenterà nulla mentre si muove in questa zona (ovviamente, se non fosse Matthew McConaughey a vedere le luci brillanti). Naturalmente, alla fine, l'astronauta si romperà in piccoli pezzi, ma sarà bruciato. Un simile esperimento mentale è noto come postulato non drammatico.
Ma tutto cambia l'impasse dal firewall. Semplicemente viola le leggi del dramma e crea l'esatto opposto. Cioè, viola completamente la teoria generale della relatività e la teoria che controlla il buco nero con cui abbiamo iniziato.
Così ora i fisici devono combattere con le equazioni e cercare di risolvere il "paradosso dell'informazione". Questo è ciò che le più grandi menti hanno fatto negli ultimi decenni. Stephen Hawking stesso non lascia nemmeno questo dibattito. Ad esempio, l'anno scorso ha discusso la possibilità di sostituire la sua teoria con un costrutto teorico noto come "orizzonte apparente" piuttosto che con certi limiti. Forse questo concetto deve essere migliorato e in effetti questo orizzonte cambia la sua formazione in risposta alle fluttuazioni quantistiche all'interno di un buco nero. Ciò crea un disordine caotico nelle informazioni al di là dell'orizzonte apparente, che non viola né le leggi della dinamica quantistica, né la teoria generale della relatività.
"Così, come la previsione del tempo sulla Terra, le informazioni saranno effettivamente perse se non ci sarà alcuna perdita di unità", ha scritto Hawking in un articolo. Ciò significa che, sebbene l'informazione possa essere rilasciata dal buco nero, la sua casualità non può essere interpretata senza risolvere il problema con il firewall.
Inutile dire che questa non è la fine del dibattito tra colleghi di Hawking.
E ora Hawking, apparso sulle notizie al Royal Institute of Technology di Stoccolma il 24 agosto, ha fornito la sua squisita spiegazione attraverso una conferenza pubblica. Mi ha detto che stava pensando alle informazioni sull'elaborazione del filo nei buchi neri.
"Credo che le informazioni non vengano archiviate nel mezzo di un buco nero, come si potrebbe pensare, ma sul suo confine, nell'orizzonte degli eventi", ha detto durante la conferenza.
Lo scienziato ha spiegato in dettaglio che le informazioni sono memorizzate su oggetti che cadono in un buco nero e sono convertiti in ologrammi bidimensionali, dopo di che vengono catturati nella radiazione di Hawking e rimossi dal buco nero. Ma non c'è romanticismo in esso, perché non sembra un disco rigido del computer super-avanzato. Invece, è un vero casino caotico.
"Penso che i buchi neri non siano affatto dello stesso colore di quelli descritti", ha spiegato. - "Non costituiscono una prigione eterna, come si pensava in precedenza. Le cose possono andare dal buco verso l'esterno o verso altri universi. " Siamo in attesa dei documenti che Hawking e il suo staff intendono pubblicare entro poche settimane per capire cosa intendesse con la parola "altri" universi. Ma ci sono suggerimenti che chiariscono che i buchi possono servire come porta per mondi paralleli o persino universi completi.
Event Horizon Telescope
Allo stato attuale, Hawking potrebbe aver formulato una "uscita di emergenza" per ottenere informazioni da un oggetto che è entrato in un buco nero. Ma non saremo in grado di conoscere con precisione il processo fino a quando non studiamo appieno la natura di questi oggetti.
Gli astronomi dell'evento Horizon Telescope sono vicini a vedere il nucleo profondo della nostra galassia. Possono vedere il disco proiettato di luce che circonda il supermassiccio buco nero della Via Lattea , Sagittario A, situato a 20 mila anni luce di distanza.
"Per così tanti anni, Hawking ha cercato di trovare soluzioni al paradosso dell'informazione: sia per regolarlo in modo che la teoria dei campi quantici si combini con la teoria generale della relatività, sia per cambiare il modo di vedere un buco nero", scrive Dimitrios Psaltis, professore di astronomia e fisica dall'Università dell'Arizona . "Se tutto funziona con la seconda opzione, l'Event Horizon Telescope sarà in grado di vedere una vista unica."
Il lavoro di Hawking può proporre nuove idee all'avanguardia e offrire l'opportunità di considerare alcuni aspetti del paradosso dell'informazione.
