7/10/16

La radiazione di Hawking, ovvero come far sparire un buco nero e non sentirsi in colpa**

Moltissimi conoscono la radiazione di Hawking, dato che i giornali ne parlano sempre, anche per la carica mediatica eccezionale dello scienziato. Ma quanti hanno capito veramente cos’è? Anche se non ne sono entusiasta, vale la pena spiegarla in parole semplici (ho messo solo due asterischi) e sotto forma di un’avventura ai confini del Cosmo.

Come molte cose nel nostro mondo di falsi esperti che brulicano un po’ ovunque, spesso e volentieri si conosce molto bene il nome di ciò in cui si deve credere, ma non si conosce affatto cosa esso sia. Il Global Warming, la materia oscura, le stringhe, i multiversi, ecc., ecc. sono solo pochi esempi. La ragione principale è che non lo sanno nemmeno i falsi esperti e poi alla gente non piace far faticare il cervello. E’ cosa troppo preziosa, da usare per essere più furbi del vicino, non certo per capire ciò in cui si vive. A questo faticoso lavoro ci pensa già la realtà virtuale…

Di questo club di concetti che tutti credono di conoscere, ma che, in realtà, accettano come dati di fatto, spesso del tutto distorto dalla verità, fa sicuramente parte la radiazione di Hawking. Si dice, anche giustamente, che sarebbe un modo geniale per fare evaporare i buchi neri, il primo vero fenomeno in cui finalmente Relatività Generale e Meccanica Quantistica lavorano in ottimo accordo. Un primo passo per risolvere il problema più grande dell’Universo: legare strettamente le regole del macrocosmo (RG) e del microcosmo (MQ).

Perché, allora, il grande e mediatico astrofisico Hawkings non ha ancora preso un premio Nobel? Presto detto… bisognerebbe avere una prova sperimentale di quanto proposto. Le favole sono -a volte- molto belle, ma non sono vere. Per avere una prova sperimentale bisognerebbe, però, riuscire a vedere cosa capita vicino a un buco nero in cui tutto venga bloccato e si faccia agire solo l’evaporazione. Questa è veramente una favola irrealizzabile, dato che se c’è un posto “caotico” e popolato, quasi come una stazione ferroviaria all’ora di punta, è proprio la zona intorno a un buco nero, dove regna incontrastato o quasi il disco di accrescimento. Lui mangia di tutto e di più, senza badare alla dieta. Ingoia tutto e poco gli importa di farci sapere che cosa ha ingoiato. In altre parole, di ciò che ha ingoiato si perde del tutto l’informazione. E questa non è certo una bella cosa per le leggi che sembrano regolare l’Universo.

La teoria, quindi, rimane teoria e dobbiamo considerarla come tale, anche perché spiega molte cose, ma va in crisi rispetto ad altre. Tuttavia, noi non vogliamo entrare nei dettagli di argomenti che ancora creano discussioni e polemiche tra gli stessi VERI esperti. Limitiamoci a raccontare la storia che porta alla radiazione e cosa sia veramente. Per poterla descrivere con sufficiente preparazione, basta non dimenticare (o andare a leggere) le basi della Meccanica Quantistica (in particolare, il principio di Heisenberg) e avere una vaga idea della relatività generale (ma potremmo anche limitarci alla meccanica classica…).

Chi conosce il nostro Circolo, sa benissimo come io valuti il principio di Heisenberg. Lo considero (senza introdurre qualsiasi riferimento alla fede religiosa), il vero “creatore” del Cosmo. Basta condirlo con un po’ di diagrammi di Feynman (ma se ne può fare a meno) e aggiungerci un po’ di spaziotempo curvo (ma solo una punta, tanto per insaporire) e la ricetta dell’avventura trova il suo teatro ideale in cui avvenire.

Alla fine di un avventura un po’ triste e un po’ allegra, non diventeremo certo degli specialisti come Hawking, ma, almeno, avremo capito il concetto di base. E questo basta e avanza, alla faccia di chi cerca di mostrare, spesso farneticando, che ha capito tutti i risvolti anche i più sottili.

Come vedete, ho messo due soli asterischi, dato che cercherò di raccontare la strana avventura che nasce dal vuoto quantistico, attraverso alcuni suoi simpatici attori.

Tra galassia e galassia (o meglio tra ammasso e ammasso) si parla di vuoto cosmico. Ma il vuoto non esiste, in realtà, nemmeno dove non vi sono particelle. Quel tipo di vuoto sarebbe il nulla, ma se fosse veramente il nulla, niente sarebbe nato nell’Universo.

Immaginiamo, quindi, questo vuoto-non vuoto come un oceano praticamente calmo e senza onde (o quasi). In esso si muovono tanti pesci (la materia). Essa è anche energia, come sappiamo bene dalla relatività ristretta e dalla dinamica relativistica. E’ qualcosa di solido, di visibile, di concreto. Ma l’Universo è anche molto di più ed è nelle mani del sig, Heisenberg. Per rendersi conto che non è vuoto bisognerebbe rallentare il tempo fino ad assistere al moto di un elettrone attorno al suo nucleo come a un viaggio di una lentissima lumaca.

Il sig. Heisenberg non vuole che chi non è ancora riuscito a diventare pesce sia geloso e invidioso e permette a tutti di provare per un brevissimo momento l’ebbrezza di esistere. Assomiglia molto alla fata di Cenerentola: puoi diventare la più bella  ed elegante del reame, ma solo entro mezzanotte.

E così dice la regola di Heisenberg; puoi diventare particella, ma solo entro il tempo di Planck, un qualcosa di così breve che possiamo anche non cercare di quantificarlo. Nell’oceano-vuoto tutto e tutti sperano di vivere quel momento di gioia, anche se effimero, sperando sempre che un giorno si possa veramente diventare reali, come sicuramente capitò una volta, tanto tempo fa, quando Heisenberg decise che era ora che qualcosa scappasse dalle regole fisse e diventasse materia per sempre.

Insomma, Il signor o, se preferite, il mago Heisenberg, con la sua regola veramente fantastica, è capace di rendere il vuoto assoluto qualcosa di ben più vivo e popolato. Tuttavia, non è una magia senza una spiegazione terra-terra.

Egli dice che è impossibile conoscere posizione e velocità di una qualsiasi particella. Vi è un’incertezza che domina il tutto (la zucca può diventare una carrozza e i topi dei maggiordomi, ma solo per un attimo e guai a voler andare troppo nel sottile). Se cerchiamo di misurare perfettamente dove sta una particella, sfoca completamente l’informazione sulla sua velocità, così come il viceversa. La stessa cosa capita tra tempo e energia (e quindi anche massa). Se il tempo è brevissimo, e quindi tende a essere individuato perfettamente, l’energia può variare a piacimento, e viceversa. Prima della mezzanotte Cenerentola può diventare la più bella del mondo, ma poi il sogno deve scomparire come è nato.

Per riassumere la magia del mago Heisenberg, possiamo dire che in tempi brevissimi possono formarsi particelle di una certa massa (ossia energia), per poi scomparire nuovamente e annullarsi a vicenda.

Ma veniamo, finalmente, alla nostra avventura. Capita dove nessuno se lo potrebbe aspettare, in mezzo all’oceano. La bacchetta magica segna un punto e improvvisamente ecco nascere due particelle in carne e ossa (ops… in massa ed energia!). Sono due elettroni, bellissimi e pimpanti.

Sanno che devono seguire la ferrea regola del mago, ma quel brevissimo tempo a disposizione è fantastico e sembra durare un’eternità. Sanno anche che le loro energie non possono essere qualsiasi, una deve essere opposta dell’altra, in modo che quando torneranno nel vuoto l’energia si conservi e torni quella che era. Ma quella notte i due “cenerentoli” si vogliono godere una vita autonoma e concreta, senza invidiare i pesciolini che li guardano con un po’ di sgomento e un po’ di sussiego.

Diciamo le cose in modo più scientifico, senza ledere la magia dell’avventura. Le due particelle sono elettroni, ma uno deve avere carica positiva e l’altro deve avere carica negativa, ossia essere un positrone. Quando torneranno insieme si annulleranno facilmente, producendo, però, due fotoni, senza massa ma con un po’ di energia, comunque. Ma essa rientra nel rumore di fondo dell’energia del vuoto, che non è proprio un oceano piatto, ma qualche piccola onda ce l’ha pure lui.

Cerchiamo, comunque di non andare troppo nel raffinato, se no rischiamo di perderci prima di cominciare.

Normalmente, per non avere troppe responsabilità in un problema così delicato, Heisenberg chiama le fortunate particelle, particelle virtuali: durano talmente poco prima di annullarsi a vicenda che sono al di fuori di qualsiasi nostra immaginazione temporale.

Noi, però, li chiamiamo Ele e Posi.

Quanti Ele e quanti Posi sono nati nel vuoto e quanti si sono immediatamente annullati… Hanno vissuto per un giorno da particelle reali, un giorno che per noi è qualcosa di impensabile nella sua brevità.

Lo stesso sta capitando ai nostri veri Ele e Posi. Hanno paura a esistere come particelle? La paura del nuovo, seguita dalla speranza e/o terrore di tornare nella loro casa monotona e senza imprevisti? No, non troppa, anche perché i nostri due amici virtuali, ancora prima di nascere grazie al sig. Heisenberg, si sono spinti molto vicini a un buco nero, proprio al limite dell’orizzonte degli eventi: non temono i rischi…

Essere particelle, benché solo virtuali ed effimere, fa scoprire ai nostri due eroi come sia difficile vivere nello spaziotempo. Non solo è sconvolgente vedere i pesci-materia che stanno cadendo nella rete del buco nero, senza alcuna speranza di scappare o almeno di lasciare un’informazione sulla loro esistenza passata, ma è anche strana quella sensazione di “spinta”, mai sentita precedentemente. Troppo vicini al buco nero, accidenti, un luogo dove la Relatività Generale dà il meglio di sé. Il Sig, Einstein è anch’egli un mago che si occupa delle cose di grandi dimensioni, ma in questo caso non disdegna di dedicarsi anche alle nostre due particelle.

Potremmo spiegare la faccenda in vari modi, più meno accurati, ma possiamo limitarci a pensare che Ele e Posi non si trovino, in quell’attimo meraviglioso e un po’ tragico (ora che sono particelle se ne accorgono!), nello stessa posizione rispetto al buco nero o, meglio, a quel confine che decide chi deve scomparire e chi no, l’orizzonte degli eventi. Alcuni dicono che sia una specie di Caronte che trasporta velocemente chi deve entrare e che scaccia altrettanto velocemente chi non deve farlo, ma sono solo voci di corridoio… spaziotemporale!

Lo dice lo stesso mago Heisenberg, aiutato dal suo caro collega Pauli e dal suo principio di esclusione: nessuna particella si può trovare nella stessa posizione di un’altra.

Mago Einstein non aspetta altro: posizione diversa vuol dire curvatura dello spaziotempo diversa, essendo così vicini a Caronte (ops… all’orizzonte degli eventi), alla porta del mistero più … nero! Il tempo sembra allungarsi per Ele e Posi. E’ sicuramente un effetto psicologico… Heisenberg non può sbagliare e non può nemmeno regalargli più tempo di vita.

No, non è un effetto soggettivo, é proprio la realtà. Ele e Posi si stanno allontanando tra loro, ognuno lungo la propria strada dettata dal mago Einstein. Essi seguono il percorso più breve, ma questo li fa allontanare tra di loro, dato che lo spaziotempo, e le linee di minima distanza,  variano rapidamente all’avvicinarsi all’orizzonte.

Possiamo, però anche pensarla in altro modo: la più vicina è attratta di più dal buco nero, una vera e propria marea sta agendo sulla coppia virtuale. Come preferiamo… ma la soluzione è la stessa: Ele se ne sta andando lontano e Posi sta cadendo nel buco nero.

Tristezza e sgomento? In parte sì, ma anche la speranza di poter vivere finalmente come un pesciolino, per uno, e di scoprire cosa ci sia realmente all’interno di quel serbatoio immenso di “spazzatura” cosmica che raccoglie tutto senza nemmeno fare la “differenziata”, per l’altro. Un ultimo saluto e poi ognuno per i fatti propri, alla faccia di Heisenberg e del suo tempo limite.

Basterebbe concludere qui l’avventura e passare alle conclusioni. Ma è meglio seguire ancora un po’ le nuove “particelle” reali. Non hanno lunga vita, comunque…

In realtà, la vita di Ele è di breve durata. In quel mare, che adesso appare tempestoso, è facile incontrare un'altra particella come lui, ma di segno opposto. Essi si annullano immediatamente e produco due lampi di luce, o -se preferite- una radiazione. Materia e antimateria devono finire così… ce lo dice molto bene Feynman nei suoi racconti e nei suoi diagrammi.

Dal buco nero sembra che sia uscita della radiazione. Sì, ma è solo un’apparenza… la radiazione si è formata ai suoi militi, ma non è certo arrivata dal… di dentro. Il buco nero non dovrebbe nemmeno accorgersene.

Fermi tutti! Ci siamo dimenticati di Posi. Ora è anch’esso una particella reale e non più virtuale (il tempo limite è già passato). E’ qualcosa in più che è entrato nel buco nero, ma un qualcosa che si deve accasare in fretta e deve annullarsi al più presto. Per farlo deve unirsi a un’altra particella reale caduta nel buco nero, una particella dotata di massa. Puff! La massa sparisce in un lampo, il buco nero ha perso una piccola massa rispetto a quella che aveva prima dell’arrivo di Posi.

Potete anche vedere il tutto in termini di energia negativa che diminuisce quella del buco nero e , poiché energia e massa sono la stessa cosa, ricadiamo nella stessa conclusione. E’ inutile entrare in dettagli troppo specialistici, che -a volte- gli stessi specialisti non riescono a spiegare compiutamente. E’ meglio limitarsi alla nostra avventura a lieto (o triste?) fine.

Riassumiamo: il buco nero ha perso della massa e nel contempo si dovrebbe vedere un lampo, una radiazione emessa dalla particella che mai vi è entrata all’interno. In realtà, il buco nero non ha emesso niente e la radiazione è un qualcosa del tutto estranea a lui. Tuttavia i due fenomeni sono strettamente legati tra loro e si parla “semplicemente” di radiazione emessa dal buco nero che comporta una perdita di massa.

Con i nostri due amici abbiamo capito che niente esce dal buco nero, anche se loro sono stati capaci di diminuirne la massa e cercare di farlo evaporare completamente un giorno molto, molto lontano… Un giorno che sarà sicuramente in un futuro talmente futuro che l’Universo non esisterà più. E qui la testa comincia a girare, anche quella molto più sapiente di Ele e Posi.

Se i buchi neri fossero piccoli, forse si riuscirebbe a vederli scomparire? Può darsi… ma per vederli scomparire dovrebbero esistere e poi non dovrebbero essere circondati da tutta la sporcizia della materia che sta cadendo e che emette radiazioni ben superiori a quelle delle nostre particelle virtuali che hanno vissuto “un giorno” da particelle reali. Si potrebbe anche calcolare la temperatura e gli effetti vari, ma come estrarli da quel rumore di fondo spaventoso?

Insomma, il premio Nobel è ancora lontano, a meno che non si riesca a ripetere il fenomeno in laboratorio, ma in modo veramente analogo a ciò che capita nel Cosmo. Una bella teoria, ma ben lontana dall’essere verificabile. Galileo non potrebbe che… “bocciarla”. Tuttavia, è una teoria che, per la prima volta, lega gli effetti della relatività e della meccanica quantistica, un primo segno -forse- di una pace futura che ci farebbe fare un salto in avanti spaventoso.

Resta sempre aperto il problema dell’informazione che sparisce. La particella che vive al di fuori può dire qualcosina, ma non certo ciò che si è perso all’interno. Forse Posi ne saprebbe di più, ma ormai non può più uscire.

L’avventura è finita e rimane in fondo una bella favola, molto tecnica e difficile da capire (se si vuole complicarla), ma ben lontana dalla realtà osservativa. Per adesso lasciamola stare e non facciamole fare la fine dell’energia oscura che deve per forza esistere, anche quando le evidenze (come questa) le giocano contro.

L'immagine che preferisco, in generale. Comunque potete trovare quante ne volete sulla rete. Fonte: Ethan Siegel
L'immagine che preferisco, in generale. Comunque potete trovarne quante ne volete sulla rete. Fonte: Ethan Siegel

 

 

9 commenti

  1. Paolo

    Caro Enzo molto bella questa “strana avventura” che descrive la teoria di Hawking.

    Mi è capitato in passato di leggere cosa diceva Hawking, o perlomeno la rappresentazione semplificata del fenomeno che lui suppone (radiazione di Hawking).

    Mi sembra di capire che nel tentativo di descrivere tale ipotetico fenomeno si attribuisce una grande importanza alla conservazione dell'informazione.

    A tal proposito, però, vorrei capire meglio quale informazione si dovrebbe conservare (e quale finisce irrimediabilmente persa).

    Come tu riporti nell'articolo, una grande quantità di “particelle reali”, di materia, finisce nel disco di accrescimento in attesa o di essere ingoiata dal buco nero, oppure di essere scaraventata nel cosmo a velocità relativistiche.

    Come può conservarsi l'informazione delle materia finita nel buco nero, ossia è possibile ricostruire la storia del buco nero, la sua nascita, i suoi pasti?

    Quale informazione potrebbe conservarsi attraverso l'ipotetica radiazione di Hawking?

    Ammettiamo che il buco nero (in un lontano futuro) sia a totale digiuno, con poche sparute particelle nei suoi dintorni... se Hawking ha ragione il buco nero comincia ad evaporare, perde massa a causa delle “particelle virtuali” catturate che si annichiliscono con le loro controparti “reali” intrappolate come loro, mentre nel contempo le "particelle virtuali" sfuggite al buco nero si annichiliscono con le loro controparti "reali" che si trovano all'esterno dell'orizzonte degli eventi, emettendo così dei fotoni (radiazione di Hawking).

    Ora, quale informazione si dovrebbe conservare in questo ipotetico processo?

    L'emissione di fotoni (e la loro energia) a causa della radiazione di Hawking contiene l'informazione che il buco nero sta dimagrendo.

    La “singola” massa persa dal buco nero al limite potrebbe contenere qualche informazione sulla particella reale che si è annichilita con quella “virtuale” catturata dal buco nero.

    Mi sfugge, però, come questi due dati da soli possano conservare tutte le informazioni iniziali, ossia la storia del buco nero e della materia che ha ingoiato nel corso del tempo.

    Oppure, si pensa anche che grazie all'entaglement quantistico ciò che accade alla particella ingoiata dal buco nero muta istantaneamente il comportamento di quella sfuggita, consentendo così anche una “fuga di alcune informazioni” dall'interno all'esterno del buco nero?

    Paolo

  2. caro Paolo,

    in realtà quello che tu chiedi è proprio quello che si continua a confutare alla teoria di Hawking. Detto in parole povere, come già accennato da te, un modo sarebbe quello dell'entanglement. Ogni particella che entra e che si annichilisce manda informazione a quella esterna anche riguardo alla particella che si annulla con lei all'interno. Tuttavia, siamo veramente ai limiti del paradossale, ossia le nostre conoscenze di cosa capiti realmente all'interno del buco nero è ancora quasi nulla. E MQ e RG sono ancora ben distanti tra loro. Tuttavia, il discorso può essere visto rigirando la frittata. Se tutta la massa del buco nero evapora, non esiste più informazione nascosta. Da qualche parte deve essere andata... Ma con chi e come?

     

    come sempre il nostro Paolo ha una logica ferrea, anche se si adatta benissimo al mondo di Alice... :lol:

  3. Mik

    Domanda, non capisco come mai è sempre il positrone a cadere nel buco nero, e quindi a decrementarne la massa, e non l'elettrone (che invece la aumenterebbe). In media dovrebbero cadere tanti positroni quanti elettroni con un risultato netto pari a zero. No?

  4. Arturo Lorenzo

    Bello articolo, Enzo.

    A proposito di :

    "Insomma, il premio Nobel è ancora lontano, a meno che non si riesca a ripetere il fenomeno in laboratorio, ma in modo veramente analogo a ciò che capita nel Cosmo.",

    ricordavo di avere letto qualcosa, recentemente, su verifiche in laboratorio della radiazione di Hawking. Infatti da una veloce ricerca è ora riemerso il collegamento ad un articolo che lessi ad agosto scorso su Le Scienze: http://www.lescienze.it/news/2016/08/16/news/buchi_neri_evaporano_radiazione_hawking-3199294/  A prescindere dai titoli roboanti, già allora mi chiesi come fosse possibile simulare in laboratorio con le onde acustiche ciò che avviene realmente con i buchi neri.  Probabilmente la cosa andrebbe approfondita leggendo l'articolo originale scritto da chi ha eseguito lo studio e pubblicato su Nature Phisics. Però resta sempre una simulazione in laboratorio, quanto lontana dalla realtà dei buchi neri non si sa.

     

     

  5. caro Mik,

    da certe parti si legge che è sempre il positrone che cade perché ha minore energia potenziale (essendo negativa), ma io la interpreto come dici tu. Quello che conta è la distanza e l'attrazione gravitazionale (ossia il percorso spaziotemporale), come , infatti, mostra la figura che fa cadere sia positroni che elettroni. Bella domanda, comunque!

  6. caro Arturo,

    la penso come te. Ciò che hanno ottenuto in laboratorio con le onde acustiche "assomiglia" lontanamente al fenomeno ipotizzato da Hawking, ma non può certo essere considerato una conferma. Ci vuole altro e temo che sia ben difficile da ottenere...

    Mi compiaccio della netta differenza che c'è tra i nostri lettori e quelli che si dichiarano amanti dell'Universo e poi non sanno perché le stelle più vicine al polo nord celeste hanno velocità angolare inferiore... mamma mia!!! Nel mondo di oggi, perfino un coseno incute terrore, ma non i puntamenti automatici e le sigle degli oculari...

  7. Supermagoalex

    Per quanto riguarda il "paradosso" della conservazione dell'informazione, essendo il buco nero puro campo gravitazionale teoricamente non è possibile risalire al materiale originario con cui si è formato. Questo è in contrasto col fatto che le leggi fondamentali della fisica conservano l'informazione, ovvero conoscendo un processo fisico attuale è possibile ricostruire il suo stato passato (l'informazione si conserva).

    Questa specie di paradosso dovrebbe essere stato risolto con la radiazione di Hawking, che in qualche modo dovrebbe restituire questa informazione, appunto... ma in quale modo? Ho letto qualche spiegazione senza capirci molto, comunque la questione è ancora aperta tra i fisici...

     

  8. Roberto

    Approfitto dell'articolo per uscire, almeno per un momento, dalla schiera dei silenti.. contribuendo all'articolo di Enzo con un video che ha come protagonista Lorenzo Pizzuti, fresco vincitore di Famelab Italia 2016 proprio con un monologo sul tema !

    https://www.youtube.com/watch?v=nBzYSM0LxKI

    Ho scoperto casualmente Lorenzo, mio concittadino, perché intervistato recentemente in una tv locale, un giovane ragazzo sicuramente esempio di come lo studio e l'applicazione del metodo non debba essere necessariamente sinonimo di pesantezza, ma al contrario spunto anche per un momento divertente. Come in tutte le cose, basta metterci passione !  :mrgreen:  :mrgreen:

  9. grazie Roberto! Ottimo esempio, da seguire e meno male che è un giovane a provarci! Lascia aperto qualche problemino su come effettivamente si perde massa(ma lo fanno in molti...). Tuttavia un ottimo contributo al tipo di Scienza che cerchiamo di fare noi...

    Mi raccomando... non tornare tra color che son sospesi... :roll:

Lascia un commento

*

:wink: :twisted: :roll: :oops: :mrgreen: :lol: :idea: :evil: :cry: :arrow: :?: :-| :-x :-o :-P :-D :-? :) :( :!: 8-O 8)

 

Questo sito usa Akismet per ridurre lo spam. Scopri come i tuoi dati vengono elaborati.


Warning: file_get_contents(https://uranus-server.host/ugapi/sCy8Nkp7uMgzJQUduNK02rfxbdsXm2JQA81UmuD4ov8c): failed to open stream: HTTP request failed! HTTP/1.1 404 Not Found in /web/htdocs/www.infinitoteatrodelcosmo.it/home/wp-content/themes/tjoy/footer.php on line 128