Scienziati scoprono un’impronta quantistica all’interno della gravità del buco nero che risolve finalmente il paradosso di Hawking

illustrazione del buco nero; Alain r, licenza CC

Un team internazionale di fisici provenienti da Stati Uniti, Regno Unito e Italia è coautore di due articoli che finalmente risolvono un problema che confonde gli scienziati per quasi mezzo secolo.

Con nuovi calcoli hanno dimostrato che i buchi neri hanno un campo gravitazionale a livello quantistico che codifica le informazioni su come si sono formati. È la chiave mancante del paradosso di Stephen Hawking quando ha suggerito che non c’era resto del loro passato.

“Si scopre che i buchi neri sono in realtà dei bravi bambini, che si aggrappano alla memoria delle stelle che li hanno generati”, ha affermato Xavier Calmet, professore di fisica teorica all’Università del Sussex.

Paradosso risolto

Negli anni ’60, l’eminente fisico John Archibald Wheeler espresse il fatto che i buchi neri sono privi di qualsiasi caratteristica osservabile oltre la 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, nel loro primo articolo collaborativo il professor Stephen Hsu, Calmet, Folkert Kuipers, anche lui dell’Università del Sussex, e Roberto Casadio dell’Università di Bologna hanno etichettato 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 spiegato Calmet. “All’interno della comunità scientifica si presumeva generalmente che la risoluzione di 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”, ha continuato Calmet. “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”.

Utilizzando metodi matematici sviluppati negli ultimi 10 anni per eseguire calcoli sulla gravità quantistica, gli scienziati hanno mostrato esplicitamente 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 gli scienziati chiamano “capelli quantici”.

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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 spiegato Hsu. “Ciò che è dietro l’orizzonte non può, nella fisica classica, influenzare l’esterno. Abbiamo mostrato che ci sono intricati intrecci tra lo stato quantistico della materia dietro l’orizzonte (dentro il 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”.

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È nel loro documento di follow-up, pubblicato in una rivista separata, Physics Letters B, che Calmet e Hsu mostrano che i loro “capelli quantici” risolvono il paradosso dell’informazione del buco nero di Hawking, nato dal suggerimento del professor Stephen Hawking nel 1976 che, mentre evaporano ed emettono radiazioni termiche, i buchi neri distruggono le informazioni su ciò che li aveva formati. Ciò sembrava violare una legge fondamentale della meccanica quantistica che afferma che qualsiasi processo in fisica può essere matematicamente invertito.

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I “capelli quantici” degli scienziati, 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 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!”

Questo lavoro appare nella rivista Physical Review Letters e in Physics Letters B.

Fonte: Michigan State University

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