Il fisico matematico e cosmologo Stephen Hawking era meglio conosciuto per il suo lavoro che esplorava la relazione tra buchi neri e fisica quantistica. Un buco nero è il residuo di una stella supermassiccia morente caduta in se stessa; questi resti si contraggono a una dimensione così piccola che la gravità è così forte che persino la luce non può sfuggire da essi. I buchi neri incombono nell'immaginazione popolare:gli scolari riflettono sul motivo per cui l'intero universo non collassa in uno solo. Ma l'attento lavoro teorico di Hawking ha riempito alcuni dei buchi nella conoscenza dei fisici sui buchi neri.

Perché esistono i buchi neri?

La risposta breve è:poiché esiste la gravità, e la velocità della luce non è infinita.

Immagina di stare sulla superficie terrestre, e sparare un proiettile in aria ad angolo. Il tuo proiettile standard tornerà giù, da qualche parte più lontano. Supponi di avere un fucile molto potente. Quindi potresti essere in grado di sparare il proiettile a una velocità tale che, piuttosto che scendere lontano, invece "mancherà" la Terra. in continua caduta, e perdendo continuamente la superficie, il proiettile sarà effettivamente in un'orbita attorno alla Terra. Se il tuo fucile è ancora più forte, il proiettile potrebbe essere così veloce da lasciare del tutto la gravità terrestre. Questo è essenzialmente ciò che accade quando inviamo razzi su Marte, Per esempio.

Ora immagina che la gravità sia molto, molto più forte. Nessun fucile potrebbe accelerare abbastanza i proiettili da lasciare quel pianeta, quindi invece decidi di scattare con la luce. Mentre i fotoni (le particelle di luce) non hanno massa, sono ancora influenzati dalla gravità, piegando il loro percorso proprio come la traiettoria di un proiettile è piegata dalla gravità. Anche il più pesante dei pianeti non avrà una gravità abbastanza forte da piegare il percorso del fotone abbastanza da impedirne la fuga.

Ma i buchi neri non sono come i pianeti o le stelle, sono i resti delle stelle, impacchettato nella più piccola delle sfere, dire, a pochi chilometri di raggio. Immagina di poter stare sulla superficie di un buco nero, armato della tua pistola a raggi. Scatti verso l'alto ad angolo e noti che il raggio di luce invece curva, scende e manca la superficie! Ora il raggio è in "orbita" attorno al buco nero, ad una distanza approssimativamente ciò che i cosmologi chiamano il raggio di Schwarzschild, il "punto di non ritorno".

Così, come nemmeno la luce può sfuggire da dove ti trovi, l'oggetto che abiti (se potessi) sembrerebbe completamente nero a chi lo guarda da lontano:un buco nero.

Ma Hawking ha scoperto che i buchi neri non sono completamente neri?

La risposta breve è:sì.

La mia precedente descrizione dei buchi neri usava il linguaggio della fisica classica, fondamentalmente, La teoria di Newton applicata alla luce. Ma le leggi della fisica sono in realtà più complicate perché l'universo è più complicato.

Nella fisica classica, la parola "vuoto" significa l'assenza totale e completa di qualsiasi forma di materia o radiazione. Ma nella fisica quantistica, il vuoto è molto più interessante, in particolare quando è vicino a un buco nero. Piuttosto che essere vuoto, il vuoto pullula di coppie particella-antiparticella che vengono create fugacemente dall'energia del vuoto, ma devono annichilirsi a vicenda poco dopo e restituire la loro energia al vuoto.

Troverai tutti i tipi di coppie particella-antiparticella prodotte, ma quelli più pesanti si verificano molto più raramente. È più facile produrre coppie di fotoni perché non hanno massa. I fotoni devono essere sempre prodotti in coppia in modo che si allontanino l'uno dall'altro e non violino la legge di conservazione della quantità di moto.

Ora immagina che si crei una coppia proprio a quella distanza dal centro del buco nero dove circola "l'ultimo raggio di luce":il raggio di Schwarzschild. Questa distanza potrebbe essere lontana dalla superficie o vicina, dipende da quanta massa ha il buco nero. E immagina che la coppia di fotoni sia creata in modo che uno dei due punti verso l'interno - verso di te, al centro del buco nero, impugnando la tua pistola a raggi. L'altro fotone è rivolto verso l'esterno. (A proposito, probabilmente saresti schiacciato dalla gravità se provassi questa manovra, ma supponiamo che tu sia sovrumano.)

Ora c'è un problema:l'unico fotone che si è mosso all'interno del buco nero non può tornare fuori, perché si sta già muovendo alla velocità della luce. La coppia di fotoni non può annichilirsi a vicenda e restituire la propria energia al vuoto che circonda il buco nero. Ma qualcuno deve pagare il pifferaio e questo dovrà essere il buco nero stesso. Dopo aver accolto il fotone nella sua terra di non ritorno, il buco nero deve restituire parte della sua massa all'universo:la stessa quantità di massa dell'energia che la coppia di fotoni "ha preso in prestito, " secondo la famosa uguaglianza di Einstein E=mc².

Questo è essenzialmente ciò che Hawking ha mostrato matematicamente. Il fotone che sta lasciando l'orizzonte del buco nero farà sembrare che il buco nero abbia un debole bagliore:la radiazione di Hawking che prende il suo nome. Allo stesso tempo ha ragionato che se questo accade molto, per molto tempo, il buco nero potrebbe perdere così tanta massa da scomparire del tutto (o più precisamente, diventare di nuovo visibile).

I buchi neri fanno sparire per sempre le informazioni?

Risposta breve:no, sarebbe contro la legge.

Molti fisici hanno iniziato a preoccuparsi di questa domanda poco dopo la scoperta del bagliore da parte di Hawking. La preoccupazione è questa:le leggi fondamentali della fisica garantiscono che ogni processo che avviene "in avanti nel tempo, " può anche accadere "a ritroso nel tempo".

Questo sembra contrario alla nostra intuizione, dove un melone schizzato sul pavimento non si sarebbe mai magicamente ricomposto. Ma quello che succede a oggetti grandi come i meloni è davvero dettato dalle leggi della statistica. Perché il melone si ricomponga, molti miliardi di particelle atomiche dovrebbero fare la stessa cosa al contrario, e la probabilità che ciò avvenga è essenzialmente zero. Ma per una singola particella questo non è affatto un problema. Quindi per le cose atomiche, tutto ciò che osservi in ​​avanti potrebbe altrettanto probabilmente accadere all'indietro.

Ora immagina di sparare uno dei due fotoni nel buco nero. Differiscono solo per un marker che possiamo misurare, ma ciò non influisce sull'energia del fotone (questa è chiamata "polarizzazione"). Chiamiamo questi "fotoni di sinistra" o "fotoni di destra". Dopo che il fotone sinistro o destro attraversa l'orizzonte, il buco nero cambia (ora ha più energia), ma cambia allo stesso modo se il fotone sinistro o destro è stato assorbito.

Due storie diverse ora sono diventate un futuro, e un tale futuro non può essere invertito:come farebbero le leggi della fisica a sapere quale dei due passati scegliere? Sinistra o destra? Questa è la violazione dell'invarianza per inversione temporale. La legge richiede che ogni passato debba avere esattamente un futuro, e ogni futuro esattamente un passato.

Alcuni fisici pensavano che forse la radiazione di Hawking portasse un'impronta di sinistra/destra in modo da dare a un osservatore esterno un indizio su cosa fosse il passato, ma no. La radiazione di Hawking proviene da quel vuoto tremolante che circonda il buco nero, e non ha niente a che fare con quello che ci butti dentro. Tutto sembra perduto, ma non così velocemente.

Nel 1917, Albert Einstein ha mostrato che la materia (anche il vuoto accanto alla materia) in realtà reagisce alle cose in arrivo, in un modo molto particolare. Il vuoto accanto a quella materia viene "solleticato" per produrre una coppia particella-antiparticella che sembra una copia esatta di ciò che è appena entrato. In un senso molto reale, la particella in arrivo stimola la materia a creare una coppia di copie di se stessa – in realtà una copia e un'anticopia. Ricordare, coppie casuali di particella e antiparticella vengono continuamente create nel vuoto, ma le coppie di solletico non sono affatto casuali:assomigliano proprio al solletico.

Questo processo di copia è noto come effetto di "emissione stimolata" ed è all'origine di tutti i laser. Il bagliore Hawking dei buchi neri, d'altra parte, è proprio quello che Einstein chiamava l'effetto di "emissione spontanea", avviene in prossimità di un buco nero.

Ora immagina che il solletico crei questa copia, in modo che il fotone sinistro solletica una coppia di fotoni sinistro, e un fotone destro dà una coppia di fotoni destra. Poiché un partner delle coppie solleticate deve rimanere al di fuori del buco nero (sempre per la conservazione della quantità di moto), quella particella crea la "memoria" necessaria affinché l'informazione sia preservata:un passato ha un solo futuro, il tempo può essere invertito, e le leggi della fisica sono al sicuro.

In un incidente cosmico, Hawking è morto il giorno del compleanno di Einstein, la cui teoria della luce, succede proprio così, salva la teoria dei buchi neri di Hawking.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.