Un nuovo modo per confermare l’idea di Hawking che i buchi neri emettano radiazioni

Niente può sfuggire a un buco nero. La relatività generale è molto chiara su questo punto. Attraversa l’orizzonte degli eventi di un buco nero e sei per sempre perso nell’universo. Solo che non è del tutto vero. È vero secondo la teoria di Einstein, ma la relatività generale è un modello classico. Non tiene conto degli aspetti quantistici della natura. Per questo, avresti bisogno di una teoria quantistica della gravità, che non abbiamo. Ma abbiamo alcune idee su alcuni degli effetti della gravità quantistica e una delle più interessanti è la radiazione di Hawking.

Un modo per studiare la gravità quantistica è osservare come potrebbero comportarsi gli oggetti quantistici nello spazio curvo. Tipicamente nella teoria quantistica, assumiamo che lo spazio sia uno sfondo fisso e piatto. La relatività speciale si applica ancora, ma la relatività generale no. Fondamentalmente, ignoriamo la gravità poiché i suoi effetti sono così piccoli. Funziona alla grande per cose come gli atomi nella gravità terrestre. Ma la meccanica quantistica attorno all’orizzonte degli eventi di un buco nero è molto diversa.

Hawking non è stato il primo a studiare gli effetti quantistici dei buchi neri, ma ha dimostrato che gli orizzonti degli eventi non sono immutabili. Se un oggetto quantistico fosse legato per sempre da un buco nero, sapremmo con assoluta certezza dove si trova l’oggetto. Ma i sistemi quantistici sono confusi e c’è sempre un’incertezza sulla loro posizione. Potremmo dire che l’oggetto quantistico lo è probabilmente all’interno del buco nero, c’è una piccola possibilità che non lo sia. Ciò significa che nel tempo gli oggetti possono scavalcare il tunnel quantico oltre l’orizzonte degli eventi e scappare. Questo fa sì che il buco nero perda un po’ di massa, e minore è la massa di un buco nero, più facilmente gli oggetti quantistici possono sfuggire.

Quindi i buchi neri possono emettere debole energia grazie alla radiazione di Hawking. La cosa interessante è che gli effetti collegano i buchi neri alla termodinamica. Poiché i buchi neri emettono un po’ di luce, hanno quindi una temperatura. Da questo semplice fatto, i fisici hanno sviluppato la teoria della termodinamica dei buchi neri, che ci aiuta a capire cosa succede quando i buchi neri si fondono, tra le altre cose.

Come potrebbero essere studiati i buchi neri simulati. Credito: Anthony Brady, Università dell’Arizona

È roba geniale, ma il problema è che non abbiamo mai osservato le radiazioni di Hawking. La maggior parte dei fisici pensa che succeda, ma non possiamo provarlo. E dato (teoricamente) quanto sia debole la radiazione di Hawking e quanto siano lontani anche i buchi neri più vicini, è improbabile che rileveremo la radiazione di Hawking nel prossimo futuro. Quindi, invece, gli scienziati guardano a sistemi analogici come vortici d’acqua o sistemi ottici che hanno proprietà simili all’orizzonte.

Un recente studio in Lettere di revisione fisica esamina gli analoghi ottici dei buchi neri e ha trovato un effetto interessante della radiazione di Hawking. Un modo per simulare i buchi neri è creare un pacchetto di luce vincolato in un materiale ottico non lineare. Il materiale agisce come una sorta di porta unidirezionale, quindi i fotoni possono entrare nel pacchetto in una sola direzione (come la natura unidirezionale dell’orizzonte degli eventi di un buco nero). Dall’altro lato del pacchetto, i fotoni possono solo uscire, il che è simile a un ipotetico buco bianco. Quindi il sistema ottico modella una coppia buco nero/buco bianco.

Il team ha utilizzato simulazioni al computer per studiare cosa accadrebbe quando un sistema quantistico passa attraverso la coppia simulata. Hanno scoperto che la coppia potrebbe essere utilizzata per creare un effetto quantistico noto come entanglement. Quando due particelle vengono create come una coppia quantistica, sono entangled, il che significa che un’interazione con una particella influisce anche sull’altra. Pensiamo che quando le particelle sfuggono a un buco nero tramite la radiazione di Hawking, lo facciano come coppie aggrovigliate. Secondo quest’ultimo lavoro, la coppia simulata buco nero/buco bianco può essere utilizzata per modificare l’entanglement di un sistema che lo attraversa. Il sistema può anche essere regolato in modo che l’entanglement sia rafforzato o indebolito.

Questo lavoro supporta l’idea che la radiazione di Hawking si verifica in coppie entangled, ma mostra anche come l’entanglement potrebbe essere modificato sperimentalmente, il che sarebbe molto utile per altre ricerche, come la teoria dell’informazione e l’informatica quantistica. Il passaggio successivo consiste nell’eseguire effettivamente questo tipo di esperimento in laboratorio. Se funziona come previsto, potremmo avere un nuovo modo potente per studiare i sistemi quantistici.

Riferimenti: Agullo, Ivan, Anthony J. Brady e Dimitrios Kranas. “Aspetti quantistici della radiazione di Hawking stimolata in una coppia di buchi neri e bianchi analogici”. Lettere di revisione fisica 128.9 (2022): 091301.

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