L’interno dei buchi neri cresce (quasi) per sempre. Secondo una proposta recente, questi oggetti astronomici crescerebbero di volume perché sono sempre più complessi. Questa ipotesi, sebbene non dimostrata, sta alimentando una nuova riflessione sulla natura quantistica della gravità all’interno dei buchi neri.
Leonard Susskind, un pioniere della teoria delle stringhe, del principio olografico e di altre grandi idee fisiche dell’ultimo mezzo secolo, ha proposto una soluzione a un importante enigma sui buchi neri. Il problema è che, per quanto queste sfere misteriose e invisibili sembrino, dall’esterno, rimanere di dimensioni costanti, il loro interno continua a crescere di volume di fatto per sempre. Come è possibile?In una serie di articoli e conferenze recenti, il settantottenne professore della Stanford University e i suoi collaboratori ipotizzano che i buchi neri crescano di volume perché sono sempre più complessi: un’idea che, sebbene non dimostrata, sta alimentando una nuova riflessione sulla natura quantistica della gravità all’interno dei buchi neri.
I buchi neri sono regioni sferiche di gravità così elevata che neppure la luce può sfuggire. Scoperti per la prima volta un secolo fa come soluzioni alle equazioni della teoria generale della relatività di Albert Einstein, da allora sono stati rilevati in tutto l’universo. La teoria di Einstein equipara la forza di gravità alle curve nello spazio-tempo, il tessuto quadridimensionale dell’universo; ma nei buchi neri la gravità diventa così intensa che il tessuto dello spazio-tempo si ripiega verso un punto di rottura, la “singolarità” infinitamente densa al centro del buco nero.
Secondo la relatività generale, il collasso gravitazionale interno non si ferma mai. Anche se, dall’esterno, il buco nero sembra rimanere di dimensioni costanti, espandendosi leggermente solo quando vi cade nuova materia, il suo volume interno cresce sempre più via via che lo spazio si stira verso il punto centrale. Per farvi un’idea semplificata di questa crescita eterna, immaginate un buco nero come un imbuto che si estende verso il basso da un foglio bidimensionale che rappresenta il tessuto dello spazio-tempo. L’imbuto diventa sempre più profondo, e così quello che vi precipita dentro non raggiunge mai effettivamente la misteriosa singolarità sul fondo. In realtà, un buco nero è un imbuto che si estende verso l’interno da tutte e tre le direzioni spaziali, ed è circondato da un confine sferico, chiamato “orizzonte degli eventi”, che segna il punto di non ritorno.
A partire almeno dagli anni settanta, i fisici hanno riconosciuto che i buchi neri devono essere sistemi quantistici di qualche tipo, proprio come tutto il resto dell’universo. Quello che la teoria di Einstein descrive come spazio-tempo deformato al loro interno è presumibilmente uno stato collettivo di un gran numero di particelle di gravità chiamate “gravitoni”, descritte dalla teoria quantistica della gravità. Così, tutte le proprietà note di un buco nero dovrebbero risalire alle proprietà di questo sistema quantistico.
Infatti, nel 1972, il fisico israeliano Jacob Bekenstein capì che l’area dell’orizzonte degli eventi sferico di un buco nero corrisponde alla sua “entropia”. Questa rappresenta il numero di diverse possibili disposizioni microscopiche di tutte le particelle all’interno del buco nero, o, come direbbero i teorici moderni, la capacità del buco nero di immagazzinare informazioni.
L’intuizione di Bekenstein portò Stephen Hawking a rendersi conto, due anni dopo, che i buchi neri hanno una loro temperatura, e che quindi irradiano calore. Questa radiazione fa evaporare lentamente i buchi neri, dando origine al tanto discusso “paradosso dell’informazione dei buchi neri”, che si chiede che cosa succede alle informazioni che cadono nei buchi neri. La meccanica quantistica afferma che l’universo conserva tutte le informazioni sul passato. Ma come possono evaporare anche le informazioni su ciò che cade nel buco nero, che sembra scivolare per sempre verso la singolarità centrale?
La relazione tra superficie di un buco nero e suo contenuto informativo ha tenuto occupati per decenni i ricercatori che studiano la gravità quantistica. Ma ci si potrebbe anche chiedere: a che cosa corrisponde, in termini quantistici, il volume crescente al suo interno? “Per qualche ragione, nessuno, me compreso per un certo numero di anni, ha davvero pensato molto al significato di questa cosa”, ha detto Susskind. “Che cos’è che sta crescendo? Questo avrebbe dovuto essere uno dei principali rompicapi della fisica dei buchi neri.”
Negli ultimi anni, con i progressi dell’informatica quantistica, i fisici hanno acquisito nuove conoscenze sui sistemi fisici come i buchi neri studiando le loro capacità di elaborazione delle informazioni, come se fossero computer quantistici. Questa prospettiva ha portato Susskind e colleghi a identificare un candidato per la proprietà quantistica in evoluzione dei buchi neri che è alla base della crescita del loro volume. Quello che sta cambiando, dicono i teorici, è la “complessità” del buco nero, che può essere in prima istanza descritta come una misurazione del numero di calcoli che sarebbero necessari per recuperare lo stato quantico iniziale del buco nero, nel momento in cui si è formato. Dopo la sua formazione, mentre le particelle all’interno del buco nero interagiscono tra loro, le informazioni sul loro stato iniziale diventano sempre più mescolate. Di conseguenza, la loro complessità cresce continuamente.
Usando modelli “giocattolo” che rappresentano i buchi neri come ologrammi, Susskind e colleghi hanno dimostrato che complessità e volume dei buchi neri crescono entrambi allo stesso ritmo, suffragando l’idea che l’una potrebbe essere alla base dell’altro. E, mentre Bekenstein ha calcolato che i buchi neri immagazzinano la massima quantità possibile di informazioni permessa dall’estensione della loro superficie, i risultati di Susskind suggeriscono che essi crescano anche in complessità al ritmo massimo permesso dalle leggi fisiche.
John Preskill, fisico teorico del California Institute of Technology che studia i buchi neri usando la teoria dell’informazione quantistica, trova molto interessante l’idea di Susskind. “È davvero fantastico – ha detto Preskill – che la nozione di complessità computazionale, qualcosa a cui potrebbe pensare un informatico ma che non fa parte del tipico armamentario di un fisico, potrebbe corrispondere a qualcosa di molto naturale per chi è esperto di relatività generale”, ovvero la crescita dell’interno dei buchi neri.
I ricercatori sono ancora sconcertati dalle implicazioni della tesi di Susskind. Aron Wall, un teorico di Stanford (che presto si trasferirà all’Università di Cambridge), ha detto: “La proposta, per quanto eccitante, è ancora piuttosto speculativa e potrebbe non essere corretta”. Una sfida è definire la complessità nel contesto dei buchi neri, ha detto Wall, in modo da poter chiarire come la complessità delle interazioni quantistiche possa dare origine al volume spaziale.
Una possibile interpretazione, secondo Douglas Stanford, specialista dei buchi neri all’Institute for Advanced Study a Princeton, in New Jersey, “è che i buchi neri abbiano una sorta di orologio interno che tiene il tempo per un tempo molto lungo. Per un sistema quantistico ordinario, questa è la complessità dello stato. Per un buco nero, è la dimensione della regione dietro l’orizzonte”.
Se la complessità fosse alla base del volume spaziale nei buchi neri, secondo Susskind ci sarebbero conseguenze per la nostra comprensione della cosmologia in generale. “Non sarebbe solo l’interno dei buchi neri a crescere con il tempo. Anche lo spazio della cosmologia crescerebbe con il tempo”, ha detto. “Penso che sia molto interessante chiedersi se la crescita cosmologica dello spazio sia collegata alla crescita di un qualche tipo di complessità. E se l’orologio cosmico, l’evoluzione dell’universo, sia connesso con l’evoluzione della complessità. Non conosco la risposta”.
(L’originale di questo articolo è stato pubblicato il 6 dicembre 2018 da QuantaMagazine.org, una pubblicazione editoriale indipendente online promossa dalla Fondazione Simons per migliorare la comprensione pubblica della scienza. Traduzione ed editing a cura di Le Scienze. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati)
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