I nostri primi sguardi sulla fisica che esiste vicino al centro di un buco nero sono stati resi possibili usando la "gravità quantistica ad anello", una teoria che usa la meccanica quantistica per estendere la fisica gravitazionale oltre la teoria della relatività generale di Einstein. Gravità quantistica ad anello, nato a Penn State e successivamente sviluppato da un gran numero di scienziati in tutto il mondo, sta aprendo un nuovo paradigma nella fisica moderna. La teoria è emersa come uno dei principali candidati per analizzare fenomeni cosmologici e astrofisici estremi in parti dell'universo, come buchi neri, dove le equazioni della relatività generale cessano di essere utili.

Il lavoro precedente sulla gravità quantistica ad anello, molto influente nel campo, ha analizzato la natura quantistica del Big Bang, e ora due nuovi articoli di Abhay Ashtekar e Javier Olmedo alla Penn State e Parampreet Singh alla Louisiana State University estendono questi risultati agli interni dei buchi neri. Gli articoli appaiono come "Suggerimenti dei redattori" nelle riviste Lettere di revisione fisica e revisione fisica il 10 dicembre, 2018 e sono stati anche evidenziati in un articolo Viewpoint sulla rivista Fisica .

"La migliore teoria della gravità che abbiamo oggi è la relatività generale, ma ha dei limiti, " ha detto Ashtekar, Evan Pugh Professore di Fisica, titolare della Eberly Family Chair in Fisica, e direttore del Penn State Institute for Gravitation and the Cosmos. "Per esempio, la relatività generale prevede che ci sono luoghi nell'universo in cui la gravità diventa infinita e lo spazio-tempo semplicemente finisce. Ci riferiamo a questi luoghi come "singolarità". Ma anche Einstein era d'accordo sul fatto che questa limitazione della relatività generale derivi dal fatto che ignora la meccanica quantistica".

Al centro di un buco nero la gravità è così forte che, secondo la relatività generale, lo spazio-tempo diventa così estremamente curvo che alla fine la curvatura diventa infinita. Questo fa sì che lo spazio-tempo abbia un bordo frastagliato, oltre il quale la fisica non esiste più:la singolarità. Un altro esempio di singolarità è il Big Bang. Chiedersi cosa è successo prima del Big Bang è una domanda senza senso nella relatività generale, perché lo spazio-tempo finisce, e non c'è prima. Ma le modifiche alle equazioni di Einstein che incorporavano la meccanica quantistica attraverso la gravità quantistica ad anello hanno permesso ai ricercatori di estendere la fisica oltre il Big Bang e fare nuove previsioni. I due studi recenti hanno ottenuto lo stesso risultato per la singolarità del buco nero.

"La base della gravità quantistica a loop è la scoperta di Einstein che la geometria dello spazio-tempo non è solo un palcoscenico su cui si svolgono eventi cosmologici, ma è essa stessa un'entità fisica che può essere piegata, " ha detto Ashtekar. "Come entità fisica la geometria dello spazio-tempo è costituita da alcune unità fondamentali, proprio come la materia è fatta di atomi. Queste unità di geometria - chiamate "eccitazioni quantistiche" - sono ordini di grandezza più piccoli di quanto possiamo rilevare con la tecnologia odierna, ma abbiamo equazioni quantistiche precise che predicono il loro comportamento, e uno dei posti migliori per cercare i loro effetti è al centro di un buco nero." Secondo la relatività generale, al centro di un buco nero la gravità diventa infinita quindi tutto ciò che entra, comprese le informazioni necessarie per i calcoli fisici, è perduto. Questo porta al celebre "paradosso dell'informazione" con cui i fisici teorici sono alle prese da oltre 40 anni. Però, le correzioni quantistiche della gravità quantistica a loop consentono una forza repulsiva che può sopraffare anche l'attrazione più forte della gravità classica e quindi la fisica può continuare ad esistere. Questo apre una strada per mostrare in dettaglio che non c'è perdita di informazioni al centro di un buco nero, che i ricercatori stanno ora perseguendo.

interessante, anche se la gravità quantistica a loop continua a funzionare dove la relatività generale si rompe:singolarità dei buchi neri, il Big Bang:le sue previsioni corrispondono a quelle della relatività generale in modo abbastanza preciso in circostanze meno estreme, lontane dalla singolarità. "È altamente non banale raggiungere entrambi, " disse Singh, professore associato di fisica alla Louisiana State. "Infatti, un certo numero di ricercatori ha esplorato la natura quantistica della singolarità del buco nero negli ultimi dieci anni, ma o prevaleva la singolarità oi meccanismi che la risolvevano scatenavano effetti innaturali. Il nostro nuovo lavoro è libero da tutte queste limitazioni".