I buchi neri pelosi spiegano il paradosso di Hawking, affermano i fisici

La caratteristica distintiva dei buchi neri è che sono neri: gli oggetti che cadono nel buco non possono più essere visti e non possono più influenzare l’universo esterno. Nella relatività generale classica, i teoremi “senza capelli” limitano fortemente le proprietà di un buco nero che può influenzare altri oggetti. Questi sono limitati alla sua massa totale, rotazione e carica. Ora, quattro fisici teorici mostrano che queste proprietà non sono più valide quando si considerano gli effetti gravitazionali quantistici. Essi mostrano che lo stato quantistico del campo gravitazionale causato dal buco nero contiene informazioni sullo stato interno del buco. Questa influenza quantistica si estende oltre l’orizzonte degli eventi e fino ai confini più remoti dello spaziotempo. Come esempio specifico di effetti quantistici, mostrano che gli scambi di gravitoni virtuali determinano una forza gravitazionale estremamente debole, che è assente nella fisica classica. La dimensione di questa forza dipende dalla disposizione specifica della materia che ha formato il buco, non solo dalla sua massa totale. I risultati del team potrebbero risolvere il paradosso dell’informazione del buco nero di Stephen Hawking, che ha messo alla prova i fisici dal 1976. I “capelli quantici” consentono alle informazioni da dietro l’orizzonte di emergere nella radiazione di Hawking, in modo che un buco nero in evaporazione obbedisca a una proprietà chiamata unità quantistica.

Calma prendi la carne. mostrano che lo stato quantistico del campo gravitazionale causato da un buco nero contiene informazioni sullo stato interno del buco nero. Credito immagine: E. Edwards / Joint Quantum Institute.

In un articolo pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisicail professor Stephen Hsu della Michigan State University e colleghi hanno dimostrato che i buchi neri sono più complessi di quanto originariamente previsto e hanno un campo gravitazionale che, a livello quantistico, codifica le informazioni su come si sono formati.

Negli anni ’60, l’eminente fisico John Archibald Wheeler ha espresso il fatto che i buchi neri sono privi di qualsiasi caratteristica osservabile oltre alla loro massa totale, rotazione e carica con la frase “i buchi neri non hanno capelli”. Questa è conosciuta come la teoria senza capelli.

Avendo dimostrato che i buchi neri hanno in effetti questa caratteristica aggiuntiva, il professor Hsu e i coautori etichettano la loro scoperta come “capelli quantici dalla gravità”, in un cenno alla frase di Wheeler.

“I buchi neri sono stati a lungo considerati il ​​laboratorio perfetto per studiare come fondere la teoria della relatività generale di Einstein con la meccanica quantistica”, ha affermato il professor Xavier Calmet, fisico dell’Università del Sussex.

“All’interno della comunità scientifica si presumeva generalmente che risolvere questo paradosso avrebbe richiesto un enorme cambio di paradigma nella fisica, costringendo la potenziale riformulazione della meccanica quantistica o della relatività generale”.

“Quello che abbiamo scoperto – e penso sia particolarmente eccitante – è che questo non è necessario”.

“La nostra soluzione non richiede alcuna idea speculativa, la nostra ricerca dimostra invece che le due teorie possono essere utilizzate per fare calcoli coerenti per i buchi neri e spiegare come le informazioni vengono archiviate senza la necessità di una nuova fisica radicale”.

Nel loro articolo, gli autori mostrano che la materia che collassa in un buco nero lascia un’impronta nel campo gravitazionale del buco nero quando vengono prese in considerazione le correzioni gravitazionali quantistiche. Questa impronta è ciò che chiamano “capelli quantici”.

In particolare, hanno confrontato i campi gravitazionali di due stelle con la stessa massa totale e raggi ma composizioni diverse.

A livello classico, le due stelle hanno lo stesso potenziale gravitazionale, ma a livello quantistico il potenziale dipende dalla composizione della stella. Quando le stelle collassano in buchi neri, i loro campi gravitazionali conservano la memoria di ciò di cui sono fatte le stelle e portano alla conclusione che i buchi neri hanno i capelli, dopotutto.

“Il concetto di orizzonte causale o degli eventi è centrale nella nozione di buco nero”, ha affermato il professor Hsu.

“Ciò che è dietro l’orizzonte non può, nella fisica classica, influenzare l’esterno”.

“Abbiamo dimostrato che ci sono intricati intrecci tra lo stato quantistico della materia dietro l’orizzonte (all’interno del buco) e lo stato dei gravitoni all’esterno”.

“Questo entanglement rende possibile codificare le informazioni quantistiche sull’interno del buco nero nella radiazione di Hawking che sfugge all’infinito”.

“Si scopre che i buchi neri sono in realtà dei bravi bambini, che conservano il ricordo delle stelle che li hanno generati”, ha aggiunto il professor Calmet.

In un documento di follow-up, pubblicato sulla rivista Lettere di fisica Bil professor Calmet e il professor Hsu mostrano che i loro “capelli quantici” risolvono il paradosso dell’informazione del buco nero di Stephen Hawking.

Nel 1976, il professor Hawking ha affermato che i buchi neri fanno evolvere gli stati puri in stati misti.

In altre parole, le informazioni quantistiche che cadono in un buco nero non sfuggono sotto forma di radiazione; piuttosto, svanisce completamente dal nostro Universo, violando così l’unità nella meccanica quantistica.

I “capelli quantici”, tuttavia, forniscono il meccanismo mediante il quale l’informazione viene preservata durante il collasso di un buco nero e come tale risolve uno dei dilemmi più famosi della scienza moderna.

“Come sappiamo da Einstein, le forze gravitazionali derivano dalla stessa geometria dello spaziotempo stesso”, ha detto il professor Hsu.

“Quindi, quando quantizziamo la gravità, ci aspettiamo di scoprire nuove cose sullo spaziotempo quantistico”.

“In questo caso, apprendiamo che la radiazione di Hawking proveniente da un buco nero è intrecciata con lo stato quantistico dello spaziotempo stesso!”

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Saverio Calmet prendi la carne. 2022. Capelli quantistici dalla gravità. Phys. Rev. lett 128 (11): 111301; doi: 10.1103/PhysRevLett.128.111301

Xavier Calmet e Stephen DH Hsu. 2022. Informazioni sui capelli quantici e sui buchi neri. Lettere di fisica B 827: 136995; doi: 10.1016/j.physletb.2022.136995

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