La Radiazione di Hawking – Parte II

Prosegue con questo articolo la trattazione della Radiazione di Hawking, teorizzata nel secolo scorso dalla mente geniale di Stephen Hawking e che continua ancora oggi a tormentare il sonno degli scienziati per via di quella sua particolarità, che causa un “conflitto” tra la relatività generale e la meccanica quantistica.

Dopo avere esaminato, nell’articolo precedente, l’origine della Radiazione di Hawking, ed avere fatto un chiarimento sul concetto di entropia sia a livello generale, sia nel caso specifico dei buchi neri, adesso ci accingiamo ad “esplorare” un’altra questione legata al paradosso dell’informazione.

Il paradosso dell’informazione

La teoria di Hawking trovò un ostacolo nel paradosso dell’informazione, una questione tuttora aperta e che si basa su un quesito: “se il buco nero evapora e scompare, dove finisce l’informazione”? Secondo la meccanica quantistica l’informazione di un sistema non può essere distrutta: se si conosce perfettamente lo stato iniziale di un sistema, in linea di principio si può ricostruirlo dallo stato finale. Si immagini, ad esempio, un libro dato alle fiamme; ciò che si ottiene è cenere, fumo, calore, e fotoni che contengono ancora l’informazione del sistema-libro iniziale, distribuita in modo complicatissimo. In pratica, anche se è impossibile ricostruirlo fisicamente, in linea di principio l’informazione posseduta da questo sistema non si perde.

In sintesi, le leggi fisiche permettono sempre, in linea di principio, di risalire dallo stato quantistico presente a quello passato, conservando quindi l’informazione. Tuttavia, la radiazione emessa dal buco nero è puramente termica e “casuale”, e non sembra contenere alcuna traccia o informazione di ciò che è caduto dentro il buco nero.

Quando il buco nero scompare del tutto, l’informazione sugli oggetti che lo hanno formato risulterebbe distrutta per sempre, violando così le fondamenta della fisica quantistica.

Ciò che è stato appena descritto è il paradosso dell’informazione: un mistero finora irrisolto che sembra far vacillare i modelli fisici attuali, facendoli apparire incompleti o forse c’è qualcosa che sfugge alla nostra comprensione.

Nel 1997 il dibattito sul paradosso dell’informazione diventa celebre con una scommessa: da una parte Stephen Hawking e Kip Thorne, dall’altra parte John Preskill. Hawking e Thorne sostenevano che l’informazione viene persa nei buchi neri; Preskill invece era convinto che fosse conservata, anche se non sapeva ancora come. Il premio consisteva in un’enciclopedia sul baseball edita lo stesso anno.

Nel 2005 Hawking ammise pubblicamente di aver perso la scommessa e consegnò a Preskill l’enciclopedia, dicendo che da essa «si può recuperare l’informazione a piacere». Aggiunse scherzosamente che teoricamente andrebbe bruciata, altrimenti l’informazione è troppo facile da recuperare.

Hawking continuò a rielaborare la sua teoria. Nel 2016, insieme ad altri ricercatori, propose l’ipotesi che i buchi neri possiedano una sorta di “capelli soffici” (soft hair): minuscole tracce sull’orizzonte degli eventi, associate a particelle a energia praticamente nulla. Queste tracce funzionerebbero come delle “impronte” della materia caduta, conservando informazione sotto forma olografica, cioè codificata sulla superficie del buco nero.

Si tratta, in sostanza, di eccitazioni a bassissima energia (soft gravitoni o fotoni) che in un certo senso “registrano” alcune proprietà della materia originaria.

L’idea è affascinante e costituisce un passo avanti nella comprensione, ma non risolve affatto il paradosso: la sua efficacia è ancora oggetto di dibattito.

La comunità scientifica, infatti, sta ancora discutendo se questa teoria sia effettivamente sufficiente a risolvere il paradosso. Alcuni studi recenti suggeriscono che la questione sia ancora aperta.

Tuttavia, al netto del dibattito ancora aperto sul paradosso dell’informazione, la Radiazione di Hawking si è rivelata fondamentale per la ricerca odierna perché rappresenta il primo collegamento (una sorta di “ponte teorico”) tra la relatività generale (che descrive la gravità su grande scala) e la meccanica quantistica (che riguarda il mondo subatomico).

Vale la pena ricordare, a tal proposito, che la ricerca scientifica è un processo continuo in cui una nuova scoperta apre delle nuove “porte” di ingresso nell’universo della conoscenza, facendo emergere così degli scenari che fanno acquisire delle nuove conoscenze.

Il lavoro svolto da Hawking non è stato vano: rimane solidamente supportato a livello teorico, e la Radiazione di Hawking è stata replicata in esperimenti analoghi in laboratorio.

Fra questi esperimenti, sono sicuramente degni di nota quelli condotti dal fisico statunitense Jeff Steinhauer.

L’esperimento di Steinhauer sulla Radiazione di Hawking: il buco nero “acustico”

La ricerca condotta da Steinhauer sulla Radiazione di Hawking è un lavoro durato anni; un lungo percorso di ricerche di cui, per brevità, considereremo soltanto la tappa rappresentata da un esperimento di enorme rilievo.

Nel 2014 Jeff Steinhauer, ricercatore del Technion Israel Institute of Technology di Haifa in Israele, ha riprodotto la radiazione che i buchi neri emetterebbero, prevista da Stephen Hawking, in un buco nero acustico, realizzato in laboratorio con onde sonore che si propagano in un gas di atomi di rubidio mantenuti a pochi milionesimi di grado sopra lo zero assoluto.

Il motivo di ricorrere ad un analogo di buco nero in forma acustica è presto spiegato: la rilevazione sperimentale della Radiazione di Hawking è tutt’altro che semplice; i calcoli di Hawking, infatti, danno poche speranze per una simulazione in laboratorio, dato che per

i buchi neri in linea teorica più facili da simulare, e cioè quelli di massa equivalente a poche masse solari, la radiazione sarebbe eccezionalmente debole, al punto da non poter essere rilevata con gli strumenti usati in astrofisica.

Steinhauer allora trovò una soluzione: riprodurre in laboratorio un analogo di buco nero acustico, utilizzando fluidi particolari le cui proprietà sono regolate dalle leggi della meccanica quantistica e in cui, anziché la luce, è il suono a non poter sfuggire dall’orizzonte degli eventi di un buco nero acustico.

Senza dilungarci troppo sui dettagli dell’esperimento (limitandoci a fornire i link verso ulteriori approfondimenti in rete), si può affermare che l’esperimento di Steinhauer si rivelò un successo: riuscì a produrre un’amplificazione notevole della radiazione di Hawking, inserendo un “tassello prezioso” nella storia della ricerca: la prima conferma sperimentale¹ di laboratorio in un analogo di buco nero ad ottenere un largo consenso fra la comunità scientifica.

Conclusioni sulla Radiazione di Hawking

La Radiazione di Hawking, come si è potuto constatare, permette di aprire un “varco” in un intero “mondo”, o meglio ancora per rimanere in tema un “universo” da scoprire, pieno di scoperte, contraddizioni, dibattiti aperti, ma soprattutto di nuove “strade” da percorrere alla ricerca di una “chiave” per potere aprire “nuove stanze” in cui si nascondono dei segreti da svelare. Se si potesse racchiudere tutto in una sola frase, potremmo benissimo dire: “l’avventura della conoscenza non è ancora finita”.

Quale potrebbe essere questa “chiave”? Proprio la Radiazione di Hawking. E quale “stanza” potrebbe mai aprire? Una teoria del tutto potrebbe essere la risposta: un’ipotetica teoria della fisica che punta a unire tutte le quattro forze fondamentali dell’universo (gravità, elettromagnetismo, interazione nucleare forte, interazione nucleare debole) in un unico quadro matematico e concettuale.

La Radiazione di Hawking è uno dei pochi strumenti concettuali a disposizione dei fisici per provare a sviluppare una teoria che raggruppa i grandi pilastri del cosmo. Ci riusciremo un giorno? Chi lo sa? Forse sì. Nel frattempo godiamoci il viaggio verso la conoscenza.

A presto!

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