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Come Stephen Hawking ha rivoluzionato i buchi neri
Nel 1915, Albert Einstein pubblicò la sua teoria generale della relatività, sostituendo la nostra vecchia visione del mondo newtoniano con un concetto unificato di spaziotempo. Da un lato delle equazioni di Einstein, la materia e l’energia nell’universo dicevano allo spaziotempo come curvare; dall’altra parte, il tessuto curvo dello spaziotempo raccontava alla materia e all’energia come muoversi. La natura complicata di queste equazioni assicurava che sarebbe difficile trovare soluzioni esatte, poiché Einstein stesso ne ha trovate solo due: una per lo spazio completamente vuoto e una per una singola massa nel limite del campo debole. L’anno successivo, Karl Schwarzschild trovò la prima soluzione interessante, per una massa puntuale su tutto lo spazio. Ora riconosciamo questo come la soluzione per un buco nero, una delle poche soluzioni esatte conosciute ancora oggi. Mentre nella formulazione di Schwarzschild i buchi neri erano oggetti statici, Hawking fu il primo a dimostrare che non era così. I buchi neri si irradiano nel tempo e, in quanto tali, non sono nemmeno completamente neri.
È risaputo da molto tempo che ci sono solo alcune proprietà che possono descrivere un buco nero. Nel caso di Schwarzschild, ha semplicemente assegnato la massa e risolto la curvatura dello spaziotempo. È stato dimostrato da altri che è possibile aggiungere una carica (buchi neri di Reissner-Nordström) o un giro (buchi neri di Kerr), ma era così. Ciò che non si poteva fare era aggiungere informazioni in un buco nero: un essere umano elettricamente neutro e non rotante conteneva tante informazioni quante una nuvola equivalente di gas idrogeno una volta entrato in un buco nero. Da un punto di vista termodinamico, questo è stato un disastro. Potresti lanciare una nuvola di gas idrogeno con una temperatura dello zero assoluto, e quindi un’entropia di zero, nel buco nero, e avrebbe lo stesso effetto sul buco nero come lanciando un essere umano di energia equivalente lì dentro. Questo semplicemente non aveva senso.
Significava che, contrariamente alla seconda legge della termodinamica, significava che improvvisamente avevamo un modo per diminuire arbitrariamente l’entropia dell’Universo. Un buco nero, classicamente, dovrebbe avere un’entropia pari a zero. Se tu potessi gettare oggetti con quantità reali, positive e grandi di entropia in un buco nero, avresti un modo per violare quella legge. L’entropia aumenta sempre, per quanto ne sappiamo, e questa era una delle cose a cui stava pensando Hawking quando stava prendendo in considerazione ciò che era sconcertante sui buchi neri. Ci deve essere un modo per definirlo per i buchi neri, e quel valore dovrebbe essere sia positivo che ampio. Aumentare l’entropia, nel tempo, dovrebbe essere ok, ma diminuirlo dovrebbe essere proibito. L’unico modo per assicurarlo sarebbe forzare un aumento della massa del buco nero per far salire l’entropia almeno della quantità maggiore che si possa immaginare.
Il modo in cui le persone che hanno lavorato su questo problema – tra cui Hawking – ha assegnato una risposta è stato quello di rendere l’entropia proporzionale alla superficie di un buco nero. Maggiore è il numero di bit di informazione che puoi inserire su un buco nero, maggiore è stata l’entropia. Ma questo ha sollevato un nuovo problema: se hai entropia, significa che hai una temperatura. E se hai una temperatura, devi irradiare energia. Originariamente chiamato “nero” perché nulla, nemmeno la luce, può sfuggire, ora è diventato chiaro che doveva emettere qualcosa dopo tutto. Tutto ad un tratto, un buco nero non è più un sistema statico; è uno che cambia nel tempo.
Quindi se un buco nero non è così nero, e se si irradia, la grande domanda ora diventa come. Come si irradia un buco nero? Capire la risposta a questo enigma fu il più grande contributo di Hawking alla fisica. Sappiamo come calcolare, nella teoria dei campi quantici, come si comporta il vuoto dello spazio vuoto quando lo spazio è piatto. Cioè, possiamo dirti le proprietà dello spazio vuoto quando sei molto lontano da qualsiasi massa, come un buco nero. Quello che Hawking ha mostrato, per la prima volta, è come farlo nello spazio curvo: entro pochi raggi dell’orizzonte degli eventi. E ciò che scoprì fu che c’era una marcata differenza nel comportamento del vuoto quantistico quando una massa era vicina.
Quando ha corso attraverso la matematica, ha trovato le seguenti proprietà:
Quando sei lontano dal buco nero, sembra che tu abbia l’emissione termica della radiazione di corpo nero.
La temperatura dell’emissione dipende dalla massa del buco nero: minore è la massa, maggiore è la temperatura.
Quando il buco nero emette radiazioni, diminuisce in massa, in perfetto accordo con E = mc2 di Einstein. Maggiore è il tasso di radiazioni, più rapida è la perdita di massa.
E mentre il buco nero perde massa, si restringe e si irradia più velocemente. Il tempo in cui un buco nero può vivere è proporzionale alla sua cubatura di massa: il buco nero al centro della Via Lattea vivrà circa 1020 volte di più di un buco nero della massa del Sole.
Originariamente, Hawking lo visualizzava come coppie di particelle / antiparticelle che esplodevano dentro e fuori dall’esistenza, annientando per produrre radiazioni. L’immagine semplificata è stata qualitativamente abbastanza buona da descrivere la radiazione lontana dal buco nero, ma risulta errata vicino all’orizzonte degli eventi. È più accurato pensare al cambiamento del vuoto e alla radiazione emessa da qualsiasi parte la curvatura dello spazio sia relativamente grande: entro pochi raggi del buco nero stesso. Una volta che sei lontano, però, tutto sembra essere questa radiazione termica, nera.
Tutto in una volta, c’è stata una rivoluzione nei buchi neri e nella comprensione di come i campi quantici si comportano in uno spazio altamente curvo. Ha aperto il paradosso delle informazioni sul buco nero, poiché ora stiamo chiedendo dove vanno le informazioni codificate sull’orizzonte degli eventi del buco nero quando un buco nero evapora? Apre il problema (correlato) dei firewall del buco nero, chiedendo perché gli oggetti non vengono fritti dalle radiazioni mentre attraversano l’orizzonte degli eventi o se effettivamente lo fanno? Ci dice che esiste una relazione tra ciò che accade all’interno di un volume (nello spazio racchiuso dall’orizzonte degli eventi) e la superficie che lo incapsula (l’orizzonte degli eventi stesso), che è un potenziale esempio del principio olografico nella vita reale. E apre la porta a ulteriori sottigliezze che potrebbero consentirci, per la prima volta, di sondare gli effetti della gravità quantistica se ci sono delle deviazioni dalle predizioni della Relatività Generale.
Il documento che ha portato a tutto questo è stato semplicemente intitolato Black Hole Explosions? e fu pubblicato su Nature nel 1974. Sarebbe stato il coronamento di una vita di ricerca, e Hawking lo pubblicò quando aveva solo 32 anni. Aveva ricercato singolarità, buchi neri, universi per bambini e il Big Bang per molti anni, avendo collaborato con titani come Gary Gibbons, George Ellis, Dennis Sciama, Jim Bardeen, Roger Penrose, Bernard Carr e Brandon Carter, per citare un pochi. Il suo brillante lavoro non è venuto fuori dal nulla, ma è nato da una combinazione di una mente brillante che prospera in un fertile ambiente accademico. E ‘una lezione per tutti noi di quanto sia importante, se vogliamo avere questi titanici progressi teorici, per creare (e finanziare) questi ambienti di qualità dove la ricerca come questa può prendere vita.
Quasi mezzo secolo dopo, il mondo piange la sua scomparsa, ma l’eredità delle sue ricerche sopravvive. Forse questo sarà il secolo in cui si risolvono i paradossi, e il prossimo titanic balza in avanti in fisica. Indipendentemente da ciò che riserva il futuro, l’eredità di Hawking è sicura, e la maggior parte dei teorici può sperare sia che le loro teorie saranno migliorate nel tempo. Come affermava lo stesso Hawking:
Ogni teoria fisica è sempre provvisoria, nel senso che è solo un’ipotesi: non si può mai provarlo. Non importa quante volte i risultati degli esperimenti siano in accordo con alcune teorie, non puoi mai essere sicuro che la prossima volta il risultato non sia in contraddizione con la teoria.
Mentre il mondo può aver perso uno dei suoi grandi luminari scientifici con la morte di Hawking, il suo impatto sulla nostra conoscenza, comprensione e curiosità risuonerà attraverso i secoli.
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