I buchi neri non esistono piu’?

Visto che ci e’ stato chiesto da diverse persone, sia sul blog che sul forum, e dal momento che questa notizia ha suscitato una discussione con un’eco enorme sui giornali, credo sia proprio il caso di parlare del famoso ultimo articolo di Stephen Hawking. Sicuramente avrete letto questa notizia su qualche sito o giornale. Come sapete, solo qualche giorno fa il piu’ celebre cosmologo in vita ha reso pubblico un nuovo lavoro riguardante i buchi neri.

Stando a quanto si legge sui giornali, Hawking ha cambiato idea sui buchi neri o meglio, come trovate scritto, secondo lui che e’ stato sicuramente uno dei piu’ grandi studiosi di questi oggetti celesti, i buchi neri non esistono piu’!

Che fine hanno fatto?

Semplice, nell’interpretazione data dai giornali, Hawking ha messo in discussione l’esistenza di quello che viene definito “orizzonte degli eventi”, cioe’ la linea immaginaria di dimercazione della parte piu’ interna dei buchi neri. Se l’orizzonte degli eventi non esiste piu’ allora materia ed energia possono uscire dall’interno verso l’esterno. Come trovate scritto, sotto questa ipotesi, i buchi neri non sono piu’ neri ma sono grigi. Perche’? Semplice, li chiamavamo buchi neri perche’ neanche la luce poteva uscire dal forte campo gravitazionale interno e per questo motivo apparivano neri. Se ora qualcosa puo’ uscire, o meglio quel qualcosa resta intrappolato solo per un certo tempo, non possiamo piu’ vedere questi corpi come neri.

Questo e’ il sunto di quello che potete leggere sui giornali. Come spesso avviene pero’, questa trattazione e’ assolutamente incompleta e, soprattutto, fuorviante per chi la legge.

Cerchiamo di andare con ordine e capire meglio tutta la storia.

Per prima cosa, di buchi neri abbiamo parlato in questo articolo:

– I buchi neri che … evaporano

Come detto, secondo le attuali teorie, il buco nero sarebbe lo stadio ultimo dell’evoluzione di stelle molto massive. Praticamente, la stella che sta morendo si comprime fino a ridursi ad una singolarita’, cioe’ ad un punto. In queste condizioni, la sua massa si concentra in uno spazio molto ristretto con densita’ elevatissima. Si crea dunque un campo gravitazionale molto intenso che possiamo vedere come un inghiottitoio molto profondo in cui materia ed energia cadono dentro senza scampo.

Sempre nel nostro articolo pero’, avevamo parlato in particolare dell’evaporazione dei buchi neri, cioe’ della formazione di coppie di particelle in prossimita’ dell’orizzonte degli eventi di cui una particella cade nel buco mentre l’altra riesce ad uscire sotto forma di radiazione, dando quella che vien detta l’evaporazione dei buchi neri.

Ora, riprendiamo un attimo questi concetti per capire meglio. Per prima cosa, il famoso articolo di Hawking non e’ un vero e proprio lavoro nel senso stretto del termine, ma una comunicazione pubblicata sull’archivio arXiv, e ripreso successivamente dal sito di Nature, e scaricabile a questo link:

– Hawking, arXiv

In maniera molto scherzosa, Hawking ha intitolato questo lavoro “Conservazione dell’informazione e previsioni meteo per i buchi neri”. Non si tratta di un vero e proprio articolo perche’ deve ancora passare il processo di peer review da parte delle riviste del settore. Quella he pero’ ha suscitato molto interesse e’ la frase “there are no black hole”, cioe’ “non ci sono buchi neri” o, in alternativa, “i buchi neri non esistono”. Se una frase del genere viene scritta da uno come Hawking, e’ normale che si crei tutto questo interesse.

Come sapete, e come abbiamo visto nel precedente articolo, ad oggi abbiamo una serie di ipotesi su questi corpi, ma siamo ben lontani dal poter affermare di aver capito come funzionano.

Perche’?

In particolare, se vediamo ai buchi neri pensando al discorso dell’orizzonte degli eventi, arriviamo a far scontrare tra loro meccanica classica, e relativita’, e teoria quantistica. Come detto, se ci fosse un orizzonte degli eventi oltre il quale il forte campo gravitazionale impedisse a materia ed energia di uscire, avremmo quella che si chiama perdita di informazione. Praticamente, qualunque cosa si trovi a passare in prossimita’ del buco nero sarebbe assorbita senza lasciare traccia, cioe’ senza preservare l’informazione.

Per far capire questo concetto, spesso si utilizza l’esempio dell’astronauta che si avventura nel buco nero. Secondo la relativita’, l’uomo non si accorgerebbe di aver passato l’orizzonte degli eventi ma il campo gravitazionale cosi’ intenso, cioe’ con delle variazioni molto forti per piccoli avvicinamenti al centro, stirerebbe il corpo dell’astronauta fino a renderlo simile ad uno spaghetto.

Al contrario, la meccanica quantistica, prevede di poter conservare l’informazione oltre a richiedere che le leggi della fisica siano le stesse in ogni punto dell’universo.

Proprio questa incongruenza tra teoria classica e quantistica, sta facendo discutere non solo i cosmologi da diversi anni. Detto in parole molto semplici, la relativita’ e’ ottima per spiegare le grandi scale del nostro universo, mentre la meccanica quantistica interviene prepotentemente quando parliamo di particelle e dunque mondo microscopico. Se pero’ proviamo a mettere insieme queste teorie, formulando una teoria del tutto, cioe’ valida a tutte le scale, allora cominciano i problemi.

Quando si dice che abbiamo ipotesi assolutamente non verificate sui buchi neri, si intende proprio questo, le teorie formulate fino ad oggi, non sono in grado di spiegare quello che ci aspettiamo anzi vanno in conflitto tra di loro.

Gia’ negli anni scorsi, Hawking si era scontrato, scientificamente parlando, con altri cosmologi che hanno formulato teorie diverse per spiegare, o meglio evitare, la perdita di informazioni al passaggo attraverso l’orizzonte degli eventi. In particolare, si e’ proposta l’esistenza del firewall, cioe’ una linea oltre il quale il corpo dell’astronauta del nostro esempio verrebbe incendiato piuttosto che allungato. In questo modo, si eviterebbero problemi legati alla perdita di informazioni ma verrebbe sempre messo in discussione il principio di equivalenza.

Ora, tra astronauta allungato o bruciato, la comunicazione di Hawking propone una terza affascinante ipotesi. Secondo quanto riportato, l’orizzonte degli eventi sarebbe solo una linea di demarcazione apparente dominata da processi caotici.

Che significa?

In parole povere, materia ed energia rimarrebbero sospese in queste fluttuazioni spaziali aspettando la possibilita’ di uscire. All’uscita pero’, poiche’ dominati da effetti caotici, l’informazione ne uscirebbe preservata ma assolutamente mescolata. Capite dunque perche’ qualcuno parla di “buco grigio”, materia ed energia potrebbero uscire attraverso questo orizzonte apparente che possiamo vedere come un muro del caos.

A parte l’enorme eco che l’articolo ha suscitato perche’ proposto da Hawking, come e’ stato interpretato questo lavoro dagli addetti ai lavori?

Ovviamente, l’ipotesi ha suscitato immediatamente interesse, ma e’ ancora troppo presto per fare qualsiasi ragionamento o trarre conclusioni. Come detto in precedenza, non sapevamo con precisione come funziona un buco nero e continuiamo a non saperlo. Praticamente Hawking ha solo proposto una teoria alternativa ma dettata solo da un esperimento mentale. Come avrete visto da soli nell’articolo linkato, non vi e’ nessuna trattazione fisica o matematica di quanto proposto. Sicuramente, a questo articolo seguiranno altri lavori piu’ specifici, ma ora e’ ancora troppo presto per credere o confutare una teoria di questo tipo. Sicuramente, poiche’ Hawking non e’ assolutamente uno sprovveduto, dovremmo aspettarci altri lavori piu’ specifici e con trattazioni piu’ scientifiche delle sue idee.

Concludendo, quanto proposto da Stephen Hawking non rivoluziona assolutamente nulla. Come visto, siamo in un campo assolutamente non compreso della fisica e il lavoro da cui siamo partiti propone solo una nuova chiave di lettura dell’orizzonte degli eventi che, se vogliamo, e’ la parte piu’ oscura dei buchi neri, permettetemi scientificamente di continuare a chiamarli cosi’. A questo punto, non ci resta che aspettare altri articoli con trattazioni piu’ specifiche e su cui ci sara’ sicuramente da discutere.

 

”Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

Quando si dice “leggere e non capire”

Diverse volte siamo partiti nelle nostre discussioni da articoli comparsi sui siti catastrofisti. Purtroppo, ancora oggi, nonostante la qualita’ discutibile delle informazioni, questa tipologia di siti e’ ancora molto seguita.

Per carita’, non voglio assolutamente salire in cattedra e sostenere che qui piu’ che altrove siamo portatori di verita’ assolute. La differenza sostanziale tra un sito serio ed uno che vuole farvi credere qualcosa e’ nella quantita’ di informazioni che vengono fornite. Ogni qual volta si discute di un argomento, noi, cosi’ come molti altri siti, cerchiamo sempre di mettere tutti i link alle referenze usate. Perche’ questo? Semplicemente perche’ in questo modo tutti possono andare a leggere le fonti originali, verificarne il contenuto e ragionare indipendentemente da quello che e’ stato detto. Questo e’ un approccio corretto alle informazioni.

Perche’ sto facendo questa introduzione?

Oggi, su diversi siti sono apparsi degli articoli che parlano di una scoperta scientifica pubblicata proprio in questi giorni. La ricerca riguarda la somiglianza in termini di equazioni matematiche tra i buchi neri ed alcuni fenomeni naturali che si sviluppano sulla Terra.

Qualcuno potra’ trovare la notizia interessante, qualcun altro noiosa ma in realta’ la ricerca e’ molto interessante e con risvolti anche in campo ambientale.

Purtroppo, diversi articoli su questa ricerca sono stati pubblicati anche da molti siti catastrofisti e, come spesso accade, anche da portali seri che hanno preso il brutto vizio di fare copia/incolla in giro per la rete senza controllare le fonti e la qualita’ delle informazioni.

Cosa leggete sui siti catastrofisti? Uno dei titoli che trovate in giro e’ “Scienziati scoprono vortici spazio-temporali simili ai buchi neri nell’oceano Atlantico”.

Vortici spazio-temporali nell’oceano Atlantico?

Come starete pensando, molti hanno letto la notizia senza capirne il contenuto.

Vediamo prima di tutto di analizzare la ricerca. Come nostra abitudine, vi do il link in cui trovate l’articolo originale pubblicato:

– ArXiv, Articolo Matematica Buchi Neri

Qualche giorno fa, avevamo parlato dell’evaporazione dei buchi neri, introducendo ovviamente anche la loro struttura spaziale:

– I buchi neri che … evaporano

Utilizzando la relativita’ generale, abbiamo visto che un buco nero puo’ essere pensato come una singolarita’ gravitazionale, cioe’ un punto molto ristretto dello spazio in cui e’ concentrata una massa equivalente molto grande. Questo crea una sorta di foro molto profondo nello spazio tempo, in cui le particelle, compresa la luce, cadono all’interno senza la possibilita’ di riuscire. Questo e’ il comportamento noto a tutti dei buchi neri.

Bene, nella ricerca di cui stiamo discutendo, il gruppo di scienziati e’ partito da una considerazione: in linea di principio e’ possibile fare un’analogia tra i buchi neri e i fenomeni turbolenti che si manifestano nei liquidi. Come e’ noto, un vortice di acqua esteso e che ruota ad alta velocita’ crea una depressione all’interno, che puo’ essere messa a confronto con la struttura di un buco nero. In tal senso, per descrivere questi fenomeni della fluidodinamica, possiamo provare ad utilizzare le equazioni della relativita’ generale dei buchi neri e vedere se queste sono in grado di descrivere il fenomeno.

La ricerca ha portato importanti risultati. Studiando le correnti dell’Atlantico, i ricercatori si sono concentrati su una corrente nota, quella di Agulhas, osservando come proprio in questo oceano si formino vortici molto estesi descrivibili, dunque paragonabili in senso matematico, come dei buchi neri. Queste osservazioni sono state possibili attraverso immagini satellitari raccolte tra il 2006 e il 2007 e da queste sono stati individuati 2 vortici di tipo buco nero.

Vortici selezionati per l’approccio di tipo buco nero

Di questa ricerca ne ha parlato anche il sito internet del MIT technology review. Trovate l’articolo a questa pagina:

– MIT Technology review

Con una probabilita’ che sfiora la certezza, i siti in questione si sono riferiti a questa pagina. Come potete vedere, ad un certo punto, per far capire il discorso, viene riportata una citazione di Edgar Allan Poe. Il famoso poeta avrebbe riportato di un’osservazione di vortici dicendo: “Il bordo del vortice era rappresentato da una larga cintura di scintillante spruzzo, ma nessuna particella di questa scivolò nella bocca del terrificante imbuto …”. Con le doti del poeta, questa frase descrive esattamente il comportamento di un vortice: l’acqua gira all’esterno in cerchio senza entrare all’interno dove si crea la depressione. Vedete la somiglianza al buco nero? Anche in questo caso abbiamo una singolarita’ centrale e l’orizzonte degli eventi intorno. Subito all’esterno della singolarita’, i fotoni possono muoversi senza essere assorbiti. Questo e’ esattamente il comportamento descritto per una delle particelle virtuali che innescano il processo di evaporazione.

Cosa hanno capito invece i catastrofisti?

Prima di tutto che nell’oceano Atlantico ci sono vortici spazio-temporali. Questo e’ chiaro dal titolo riportato prima come esempio. Questi vortici sono dei veri e propri buchi neri sulla Terra. A riprova vi riporto questa frase:

George Haller dell’Istituto Federale Svizzero di Tecnologia di Zurigo, e Francisco Beron-Vera, dell’Università di Miami in Florida, hanno trovato dei buchi neri nelle acque turbolente dell’Atlantico.

Ma la ciliegina sulla torta non poteva che venire dalla citazione di Poe. Indovinate cosa hanno capito? I buchi neri che si formano nell’oceano sono dei veri buchi neri perche’ sono luminosi all’esterno. Ecco la frase:

I fisici hanno visto che nel bordo dei vortici spazio-temporali, che si formano in zone di turbolenza, vengono solitamente rappresentati da un’ampia cintura di una sostanza luminosa che assomiglia alla sfera di un fotone che circonda il buco nero senza penetrare all’interno.

Non credo ci sia molto da discutere, le frasi si commentano da sole. Ripeto, sono prese e copiate da siti internet di chiaro stampo catastrofista che potete trovare molto facilmente in rete. Purtroppo, le stesse frasi le trovate anche in siti che potevamo chiamare seri.

Tornando invece alla ricerca, prima accennavamo ai possibili risvolti ambientali. Il fatto di avere una struttura similare ai buchi neri, rende questi vortici delle possibili soluzioni per boccare qualsiasi cosa intorno alla singolarita’, l’equivalente dell’orizzonte degli eventi. Immaginate, ad esempio, se questi vortici fossero sfruttati per raccogliere immondizia, olii, solventi e quant’altro e’ presente nelle acque dell’oceano. Sicuramente, una comprensione in termini matematici della struttura non puo’ che aiutare in tal senso.

Ultima considerazione. Come evidenziato dagli stessi autori dell’articolo, lo stesso approccio matematico potrebbe essere utilizzato per descrivere altri fenomeni naturali come tornado, trombe d’aria o, se volete, anche la grande macchia rossa di Giove. Non resta dunque che vedere quali sviluppi porteranno queste ricerche.

 

”Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

I buchi neri che … evaporano

Uno degli aspetti che da sempre fa discutere e creare complottismi su LHC, e’ di sicuro la possibilita’ di creare mini buchi neri. Questa teoria nasce prendendo in considerazione le alte energie in gioco all’interno del collissore del CERN e la possibilita’ che nello scontro quark-quark possa venire a crearsi una singolarita’ simile a quella dei buchi neri.

Se avete perso i precedenti articoli, di LHC abbiamo parlato in questi post:

– 2012, fine del mondo e LHC

– Bosone di Higgs … ma che sarebbe?

Sia ben chiaro, la storia dei buchi neri non e’ la sola creata su LHC. Il CERN ogni giorno riceve lettere che chiedono la chiusura dell’esperimento per il pericolo che questo rappresenta per l’intera terra. Diverse volte il CERN e’ anche stato chiamato in giudizio a fronte di vere e proprie denuncie di pseudo scienziati che lo accusavano farneticando teorie senza capo ne’ coda. Come potete immaginare, tutte le volte le accuse sono state rigettate e non solo LHC il prossimo anno ripartira’, ma a gia’ fornito risultati fisici di prim’ordine.

Perche’ si discute tanto di buchi neri? Qui ognuno puo’ formulare la propria ipotesi. Io ho una mia idea. Parlare di buchi neri, e’ qualcosa che da sempre stimola la curiosita’ e il timore delle persone. Un buco nero e’ visto come qualcosa di misterioso che vive nel nostro universo con caratteristiche uniche nel suo genere: mangia tutto cio’ che gli capita a tiro senza far uscire nulla. L’idea di poter avere un mostro del genere qui sulla terra, scatena gli animi piu’ catastrofisti pensando a qualcosa che nel giro di qualche minuto sarebbe in grado di divorare Ginevra, la Svizzera, il mondo intero.

Come anticipato, LHC e’ ora in stato di fermo. Si sta lavorando incessantemente per migliorare i rivelatori che vi operano al fine di ottenere risultati sempre piu’ accurati e affidabili. Alla ripartenza, avendo ormai preso piu’ confidenza con la macchina, si pensa anche di poter aumentare l’energia del centro di massa, cioe’ quella a disposizione per creare nuove particelle, portandola da 7 a 10 TeV. Come e’ ovvio, questa notizia non poteva che riaccendere gli animi catastrofisti. Al momento non si e’ creato nessun buco nero perche’ l’energia era troppo bassa, gli scienziati stanno giocando con il fuoco e porteranno alla distruzione della Terra. Queste sono le argomentazioni che cominciate a leggere in rete e che non potranno che riaumentare avvicinandoci al momento della ripartenza.

Se anche dovesse formarsi un mini buco nero, perche’ gli scienziati sono tanto sicuri che non accadra’ nulla? Come sapete, si parla di evaporazione dei buchi neri. Una “strana” teoria formulata dal fisico inglese Stephen Hawking ma che, almeno da quello che leggete, non e’ mai stata verificata, si tratta solo di un’idea e andrebbe anche in conflitto con la meccanica quantistica e la relativita’. Queste sono le argomentazioni che leggete. Trovate uno straccio di articolo a sostegno? Assolutamente no, ma, leggendo queste notizie, il cosiddetto uomo di strada, non addetto ai lavori, potrebbe lasciarsi convincere che stiamo accendendo una miccia, pensando che forse si spegnera’ da sola.

Date queste premesse, credo sia il caso di affrontare il discorso dell’evaporazione dei buchi neri. Purtroppo, si tratta di teorie abbastanza complicate e che richiedono molti concetti fisici. Cercheremo di mantenere un profilo divulgativo al massimo, spesso con esempi forzati e astrazioni. Cio’ nonostante, parleremo chiaramente dello stato dell’arte, senza nascondere nulla ma solo mostrando risultati accertati.

Cominciamo proprio dalle basi parlando di buchi neri. La domanda principale che viene fatta e’ la seguente: se un buco nero non lascia sfuggire nulla dal suo interno, ne’ particelle ne’ radiazione, come potrebbe evaporare, cioe’ emettere qualcosa verso l’esterno? Questa e’ un’ottima domanda, e per rispondere dobbiamo capire meglio come e’ fatto un buco nero.

Secondo la teoria della relativita’, un buco nero sarebbe un oggetto estremamente denso e dotato di una gravita’ molto elevata. Questa intensa forza di richiamo non permette a nulla, nemmeno alla luce, di sfuggire al buco nero. Essendo pero’ un oggetto molto denso e compatto, questa forza e’ estremamente concentrata e localizzata. Immaginatelo un po’ come un buco molto profondo creato nello spazio tempo, cioe’ una sorta di inghiottitoio. La linea di confine tra la singolarita’ e l’esterno e’ quello che viene definito l’orizzonte degli eventi. Per capire questo concetto, immaginate l’orizzonte degli eventi come una cascata molto ripida che si apre lungo un torrente. Un pesce potra’ scendere e risalire il fiume senza problemi finche’ e’ lontano dalla cascata. In prossimita’ del confine, cioe’ dell’orizzonte degli eventi, la forza che lo trascina giu’ e’ talmente forte che il pesce non potra’ piu’ risalire e verra’ inghiottito.

Bene, questo e’ piu’ o meno il perche’ dal buco nero non esce nulla, nemmeno la luce. Dunque? Come possiamo dire che il buco nero evapora in queste condizioni?

La teoria dell’evaporazione, si basa sulle proprieta’ del vuoto. Come visto in questo articolo:

– Se il vuoto non e’ vuoto

nella fisica, quello che immaginiamo come vuoto, e’ un continuo manifestarsi di coppie virtuali particella-antiparticella che vivono un tempo brevissimo e poi si riannichilano scomparendo. Come visto nell’articolo, non stiamo parlando di idee campate in aria, ma di teorie fisiche dimostrabili. L’effetto Casimir, dimostrato sperimentalmente e analizzato nell’articolo citato, e’ uno degli esempi.

Ora, anche in prossimita’ del buco nero si creeranno coppie di particelle e questo e’ altresi’ possibile quasi in prossimita’ dell’orizzonte degli eventi. Bene, ragioniamo su questo caso specifico. Qualora venisse creata una coppia di particelle virtuali molto vicino alla singolarita’, e’ possibile che una delle due particelle venga assorbita perche’ troppo vicina all’orizzonte degli eventi. In questo caso, la singola particella rimasta diviene, grazie al principio di indeterminazione di Heisenberg, una particella reale. Cosa succede al buco nero? Nei testi divulgativi spesso leggete che il buco nero assorbe una particella con energia negativa e dunque diminuisce la sua. Cosa significa energia negativa? Dal vuoto vengono create due particelle. Per forza di cose queste avranno sottratto un po’ di energia dal vuoto che dunque rimarra’ in deficit. Se ora una delle due particelle virtuali e’ persa, l’altra non puo’ che rimanere come particella reale. E il deficit chi lo paga? Ovviamente il buco nero, che e’ l’unico soggetto in zona in grado di pagare il debito. In soldoni dunque, e’ come se il buco nero assorbisse una particella di energia negativa e quindi diminuisse la sua. Cosa succede alla particella, ormai reale, rimasta? Questa, trovandosi oltre l’orizzonte degli eventi puo’ sfuggire sotto forma di radiazione. Questo processo e’ quello che si definisce evaporazione del buco nero.

Cosa non torna in questo ragionamento?

Il problema principale e’, come si dice in fisica, che questo processo violerebbe l’unitarieta’. Per le basi della meccanica quantistica, un qualunque sistema in evoluzione conserva sempre l’informazione circa lo stato inziale. Cosa significa? In ogni stato e’ sempre contenuta l’indicazione tramite la quale e’ possibile determinare con certezza lo stato precedente. Nel caso dei buchi neri che evaporano, ci troviamo una radiazione termica povera di informazione, creata dal vuoto, e che quindi non porta informazione.

Proprio da questa assunzione nascono le teorie che potete leggere in giro circa il fatto che l’evaporazione non sarebbe in accordo con la meccanica quantistica. Queste argomentazioni, hanno fatto discutere anche i fisici per lungo tempo, cioe’ da quando Hawking ha proposto la teoria. Sia ben chiaro, la cosa non dovrebbe sorprendere. Parlando di buchi neri, stiamo ragionando su oggetti molto complicati e per i quali potrebbero valere  leggi modificate rispetto a quelle che conosciamo.

Nonostante questo, ad oggi, la soluzione al problema e’ stata almeno “indicata”. Nel campo della fisica, si racconta anche di una famosa scommessa tra Hawking e Preskill, un altro fisico teorico del Caltech. Hawking sosteneva che la sua teoria fosse giusta e che i buchi neri violassero l’unitarieta’, mentre Perskill era un fervido sostenitore della inviolabilita dei principi primi della meccanica quantistica.

La soluzione del rebus e’ stata indicata, anche se ancora non confermata, come vedremo in seguito, chiamando in causa le cosiddette teorie di nuova fisica. Come sapete, la teoria candidata a risolvere il problema della quantizzazione della gravita’ e’ quella delle stringhe, compatibile anche con quella delle brane. Secondo questi assunti, le particelle elementari non sarebbero puntiformi ma oggetti con un’estensione spaziale noti appunto come stringhe. In questo caso, il buco nero non sarebbe piu’ una singolarita’ puntiforme, ma avrebbe un’estensione interna molto piu’ complessa. Questa estensione permette pero’ all’informazione di uscire, facendo conservare l’unitarieta’. Detto in altri termini, togliendo la singolarita’, nel momento in cui il buco nero evapora, questo fornisce ancora un’indicazione sul suo stato precedente.

Lo studio dei buchi neri all’interno della teoria delle stringhe ha portato al cosiddetto principio olografico, secondo il quale la gravita’ sarebbe una manifestazione di una teoria quantistica che vive in un numero minore di dimensioni. Esattamente come avviene in un ologramma. Come sapete, guardando un ologramma, riuscite a percepire un oggetto tridimensionale ma che in realta’ e’ dato da un immagine a 2 sole dimensioni. Bene, la gravita’ funzionerebbe in questo modo: la vera forza e’ una teoria quantistica che vive in un numero ridotto di dimensioni, manifestabili, tra l’altro, all’interno del buco nero. All’esterno, con un numero di dimensioni maggiori, questa teoria ci apparirebbe come quella che chiamiamo gravita’. Il principio non e’ assolutamente campato in aria e permetterebbe anche di unificare agevolmente la gravita’ alle altre forze fondamentali, separate dopo il big bang man mano che l’universo si raffreddava.

Seguendo il ragionamento, capite bene il punto in cui siamo arrivati. Concepire i buchi neri in questo modo non violerebbe assolutamente nessun principio primo della fisica. Con un colpo solo si e’ riusciti a mettere insieme: la meccanica quantistica, la relativita’ generale, il principio di indeterminazione di Heisenberg, le proprieta’ del vuoto e la termodinamica studiando la radiazione termica ed estendendo il secondo principio ai buchi neri.

Attenzione, in tutta questa storia c’e’ un pero’. E’ vero, abbiamo messo insieme tante cose, ma ci stiamo affidando ad una radiazione che non abbiamo mai visto e alla teoria delle stringhe o delle brance che al momento non e’ confermata. Dunque? Quanto sostenuto dai catastrofisti e’ vero? Gli scienziati rischiano di distruggere il mondo basandosi su calcoli su pezzi di carta?

Assolutamente no.

Anche se non direttamente sui buchi neri, la radiazione di Hawking e’ stata osservata in laboratorio. Un gruppo di fisici italiani ha osservato una radiazione paragonabile a quella dell’evaporazione ricreando un orizzonte degli eventi analogo a quello dei buchi neri. Come visto fin qui, l’elemento fondamentale del gioco, non e’ il buco nero, bensi’ la curvatura della singolarita’ offerta dalla gravita’. Bene, per ricreare un orizzonte degli eventi, basta studiare le proprieta’ ottiche di alcuni materiali, in particolare il loro indice di rifrazione, cioe’ il parametro che determina il rallentamento della radiazione elettromagnetica quando questa attraversa un mezzo.

Nell’esperimento, si e’ utilizzato un potente fascio laser infrarosso, in grado di generare impulsi cortissimi, dell’ordine dei miliardesimi di metro, ma con intensita’ miliardi di volte maggiore della radiazione solare. Sparando questo fascio su pezzi di vetro, il punto in cui la radiazione colpisce il mezzo si comporta esattamente come l’orizzonte degli eventi del buco nero, creando una singolarita’ dalla quale la luce presente nell’intorno non riesce ad uscire. In laboratorio si e’ dunque osservata una radiazione con una lunghezza d’onda del tutto paragonabile con quella che ci si aspetterebbe dalla teoria di Hawking, tra 850 e 900 nm.

Dunque? Tutto confermato? Se proprio vogliamo essere pignoli, no. Come visto, nel caso del buco nero gioca un ruolo determinante la gravita’ generata dal corpo. In laboratorio invece, la singolarita’ e’ stata creata otticamente. Ovviamente, mancano ancora degli studi su questi punti, ma l’aver ottenuto una radiazione con la stessa lunghezza d’onda predetta dalla teoria di Hawking e in un punto in cui si genera un orizzonte degli eventi simile a quello del buco nero, non puo’ che farci sperare che la teoria sia giusta.

Concludendo, l’evaporazione dei buchi neri e’ una teoria molto complessa e che richiama concetti molto importanti della fisica. Come visto, le teorie di nuova fisica formulate in questi anni, hanno consentito di indicare la strada probabile per risolvere le iniziali incompatibilita’. Anche se in condizioni diverse, studi di laboratorio hanno dimostrato la probabile esistenza della radiazione di Hawking, risultati che confermerebbero l’esistenza della radiazione e dunque la possibilita’ dell’evaporazione. Ovviamente, siamo di fronte a teorie in parte non ancora dimostrate ma solo ipotizzate. I risultati ottenuti fino a questo punto, ci fanno capire pero’ che la strada indicata potrebbe essere giusta.

Vorrei chiudere con un pensiero. Se, a questo punto, ancora pensate che potrebbero essere tutte fantasie e che un buco nero si potrebbe creare e distruggere la Terra, vi faccio notare che qui parliamo di teorie scientifiche, con basi solide e dimostrate, e che stanno ottenendo le prime conferme da esperimenti diretti. Quando leggete le teorie catastrofiste in rete, su quali basi si fondano? Quali articoli vengono portati a sostegno? Ci sono esperimenti di laboratorio, anche preliminari ed in condizioni diverse, che potrebbero confermare quanto affermato dai catastrofisti?

 

”Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

E parliamo di questo Big Bang

Dal momento che, in questo post:

– Il primo vagito dell’universo

e in molti altri ancora, abbiamo parlato di nascita ed evoluzione del nostro universo, credo sia giunto il momento di dedicare un articolo apposito su questi concetti. Premetto, che cerchero’ di matenere un profilo piu’ semplice e divulgativo possibile, anche se ci stiamo addentrando in teorie, e spesso anche supposizioni, fisiche non del tutto banali. In questo senso, cerchero’ il piu’ possibile di utilizzare esempi anche volutamente forzati proprio per rendere il tutto maggiormente accessibile a tutti.

Partiamo dalle basi. Allo stato attuale della nostra conoscenza, la teoria maggiormente accettata all’orgine dell’universo e’ quella per cui il tutto si sarebbe formato da un’esplosione iniziale chiamata appunto Big Bang. Come visto nell’articolo precedentemente riportato, non dobbiamo immaginare questo evento come un classico boato, da cui tutti si sarebbe formato, bensi’ come un processo di espansione, anche non costante e molto veloce in alcuni istanti, ma che dura tutt’ora.

Perche’ e’ avvenuto il Big Bang?

Immaginiamo di fissare una scala temporale all’istante iniziale, cioe’ nel momento stesso in cui e’ iniziato il Big Bang. Per dirlo con parole semplici, immaginate di avere un cronometro e di farlo partire nel mometo in cui inizia questa espansione. Secondo la teoria, prima che iniziasse il big bang, materia e antimateria convivevano insieme in una singolarita’, cioe’ costituivano un volume, al limite occupante un punto, estremamemente denso e a temperatura elevatissima. Nella concezione fisica, in questa fase non esistevano le particelle, il tempo e le forze.

Poi cosa e’ successo?

Quando il sistema e’ divenuto instabile, dopo un tempo pari a 10^(-43) secondi, e’ avvenuta quella che si chiama la prima transizione di fase. Cosa significa? Le particelle si sono formate da questo plasma iniziale e ognuna di loro aveva un’energia molto elevata detta “energia di Planck”. In questa fase, detta di Grande Unificazione, tutte le forze, compresa quella gravitazionale, erano unificate, cioe’ si manifestavano come un’unica interazione.

Bene, fermiamoci un attimo e cerchiamo di capire meglio. Al punto in cui siamo arrivati, il big bang e’ gia iniziato. Le particelle cosi’ come le forze, anche se ancora unificate, si sono formate. Riprendiamo dall’inizio. Al tempo iniziale, cioe’ prima che iniziasse l’espansione, materia e antimateria convivano insieme. Dopo un tempo brevissimo, quando si formano le particelle, dopo 10^(-43) secondi, ci sono ancora materia e antimateria, appena 10^(-6) secondi dopo l’inizio, rimane solo materia.

Dove e’ finita l’antimateria?

Per chi lo avesse perso, abbiamo parlato in dettaglio di antimateria in questo post:

– Due parole sull’antimateria

Il nostro attuale universo e’ formato solo da materia. L’antimateria e’ scomparsa. Perche’? Affiche’ questo sia possibile, e dunque sia iniziato il big bang, la fisica ci dice che devono essere state verificate le 3 condizioni di Sakharov. Senza entrare troppo nel dettaglio, in questa ipotesi, ci deve essere stata un’asimmetria tra materia e antimateria, che ha portato allo squilibrio che vediamo oggi. In particolare, in questo contesto si parla appunto di violazione di CP, cioe’ proprio di squilibrio della simmetria materia-antimateria nell’universo.

E’ possibile che siano rimaste delle sacche di antimateria da qualche parte oppure che l’universo sia formato da due distinte zone, una di materia ed una di antimateria?

La risposta e’ no. Capiamo il perche’. Quando entrano in contatto, materia e antimateria si annichilano, cioe’ ineragiscono distruggendosi a vicenda, e producendo radiazione gamma, cioe’, in linea di principio forzando l’esempio, luce. Se esistessero zone ben delimitate di materia e antimateria, nel punto di separazione tra di esse, si avrebbe annichilazione con la conseguente produzione di raggi gamma. Di questa radiazione non vi e’ nessuna evidenza ne’ dagli osservatori a Terra, ne’ dai satelliti, ne’ tantomeno dalle missioni esplorative che abbiamo mandato nello spazio.

Le condizioni di Sakharov offrono dunque un modello teorico in grado di spiegare perche’ potrebbe essere avvenuto questo squilibrio e quindi sia iniziato il big bang. Dico “potrebbe” perche’ al momento non tutte le condizioni sono state verificate e grande aiuto in questo senso dovrebbe venire dallo studio della fisica delle particelle agli acceleratori. Aprendo una piccola parentesi, quando in un acceleratore facciamo scontrare due fasci, questi interagiscono tra loro ad altissima energia. Man mano che aumentiamo l’energia, utilizzando sistemi sempre piu’ potenti, e’ come se andassimo indietro nel tempo tendendo verso il big bang. Ovviamente le energie oggi disponibili sono ancora molto lontane da quella iniziale, ma questo genere di studi ci consentono di comprendere molte cose importanti sul mondo delle particelle elementari.

Dunque, ricapitolando, abbiamo un sistema iniziale materia-antimateria, intervengono le condizioni di Sakharov e il sistema inizia ad espandersi facendo scomparire l’antimateria. Inizialmente le forze erano tutte unificate e le particelle si scontravano tra loro ad altissima energia.

Dopo, cosa e’ successo?

Man mano che il tempo scorreva, si passo’ attraverso varie fasi, ognuna caratterizzata da una rottura di simmetria di qualche tipo. In tal senso, le forza si divisero tra loro, lasciando quelle che oggi indichiamo come forze fondamentali: forte, debole, elettromagnetica e gravitazionale. In particolare, quest’ultima fu la prima a separarsi non appena la temperatura inizio’ a scendere e le onde gravitazionali poterono propagarsi liberamente.

Qualche minuto dopo l’istante iniziale, le particelle, cioe’ protoni e neutroni, poterono iniziare a combianrsi formando nuclei di Deuterio ed Elio. Questa importante fase viene chiamata “nucleosintesi”.

La temperatura dell’universo era pero’ ancora troppo elevata. Per osservare la formazione dei primi atomi, si dovette aspettare ancora circa 379000 anni, quando materia e radiazione finalmente si separarono e quest’ultima pote’ viaggiare libera nel cosmo. Di questo preciso istante, abbiamo anche parlato in questo post:

– Universo: foto da piccolo

in cui, come visto, si ebbe la formazione della radiazione di fondo che oggi, alla temperatura attuale, e’ di 2.7K con uno spettro nelle microonde.

Dopo questa fase, gli addensamenti di materia cominciarono ad attrarsi gravitazionalmente, formando poi le galassie, le stelle, i pianeti, ecc, cioe’ , quello che vediamo oggi osservando l’universo.

Ma esistono delle prove di tutto questo? E se in realta’ il big bang non fosse mai avvenuto?

Come visto in altri post, ma anche come comprensibile da quanto detto, proprio la radiazione di fondo costituisce una prova del big bang. Detto in altri termini, la CMB non sarebbe altro che un’eco di quanto avvenuto, cioe’ un reperto fossile dell’esplosione iniziale.

Inoltre, la velocita’ di espansione delle Galassie, misurata per la prima volta da Hubble, costituisce un’altra prova a sostegno di questa teoria.

Partendo da quest’ultimo concetto, una domanda lecita che chiunque potrebbe farsi e’: “dove e’ avvenuto il Big Bang?”

Modello dell’espansione dal Big Bang

In tal senso, se inizialmente si aveva un punto da cui poi tutto si e’ espanso, immaginando un rewind dovremmo essere in grado di identificare il punto iniziale del big bang. In realta’, non e’ cosi’. I fisici sono soliti dire che il Big Bang e’ avvenuto ovunque o anche che ogni punto dell’universo e’ un centro di espansione.

Che significa?

L’espansione dello spazio tempo avviene in piu’ di tre dimesioni, per cui non e’ facile immaginare a mente cosa sia avvenuto. Per capire questo concetto, immaginate l’universo come un palloncino inizialmente sgonfio. Ora, prendendo un pennarello, fate dei puntini sulla superificie. Se le pareti del palloncino sono l’universo che si espande, mentre gonfiate il palloncino, ciascun punto, tra quelli che avete disegnato, vedra’ gli altri allontarsi da lui. In questo contesto, ciascun punto e’ centro dell’espansione, cioe’ ogni punto vede gli altri punti allontarsi da lui in tutte le direzioni. L’animazione riportata potra’ aiutarvi a capire meglio questo discorso. Fissando un punto, tutti gli altri si allontanano da questo, indipendentemente da quello che scegliete come vostro centro. Dunque, se osservate l’universo dalla Terra, vedrete tutti gli altri corpi allontarsi da noi, come se la Terra fosse il centro dell’espansione.

Concludendo, esistono diverse prove sperimentali a sostegno del Big Bang, cioe’ di questa esplosione iniziale da cui, partendo da uno stato di equilibrio materia-antimateria, tutto si e’ formato passando attraverso diverse rotture di simmetrie. Ad oggi, o forse mai, nessuno potra’ spiegare perche’ questa materia e antimateria erano li o cosa c’era prima di questo equilibrio. Se volete, ognuno, con il suo pensiero e la sua convinzione, puo’ dare la sua spiegazione. I processi di evoluzione dal tempo zero, sono ipotizzati, ma ancora molto lavoro resta da fare per verificare queste teorie e capire a fondo perche’, come e con che intensita’ sino avvenuti determinati meccanismi. Insomma, di lavoro da fare ce n’e’ ancora molto.

 

”Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.