Buchi Neri e Hawking: Il paradosso dell’Informazione

I buchi neri sono degli oggetti astrofisici che si formano in condizioni estreme a causa del cosiddetto collasso gravitazionale. Per capire questo fatto, immaginiamo di essere in una qualche regione di universo e di avere una enorme quantità di materia a disposizione. Ogni componente si attrae a vicenda a causa della forza gravitazionale e quindi con il passare del tempo il tutto si accumula in una certa regione di spazio. Se la materia non è “troppa” allora si formano corpi celesti come pianeti, stelle ed altro. Se invece la quantità di materia che abbiamo a disposizione supera un certo limite, tutto si attrae sempre più forte e non c’è modo di bloccare questo collasso: un buco nero si forma.

I buchi neri sono chiamati così perché niente, nemmeno la luce, può scappare dalla loro attrazione gravitazionale. Infatti, la luce non può “rimbalzare” sul buco nero ed arrivare al nostro occhio perché non ha via d’uscita: rimane intrappolata all’interno del buco nero.

Un buco nero ha due regioni spaziali molto interessanti: l’orizzonte degli eventi e la singolarità. Il primo è quel confine che, se oltrepassato, non permette a nulla di tornare indietro. Infatti, è proprio così che si rimane intrappolati per sempre, senza speranza: da qui il nome molto suggestivo. La singolarità invece è il punto centrale del buco nero dove l’attrazione gravitazionale è infinita e ad oggi non è ancora ben chiaro cosa vi accada esattamente. Per capire un po’ di più la fisica dietro questi oggetti misteriosi, potete leggere il nostro articolo sull’argomento [link].

Gravità e Meccanica Quantistica

Tutte le proprietà di cui sopra sono dettate e regolate dalla Relatività Generale di Einstein. Infatti, a livello teorico, i buchi neri si ottengono risolvendo le cosiddette Equazioni di Campo di Einstein. In altre parole, la teoria stessa ci dice che questi oggetti esistono e ci spiega come sono fatti e quali sono le loro caratteristiche. La conferma diretta dell’esistenza dei buchi neri è stata resa pubblica il 10 Aprile 2019, grazie ai risultati dell’Event Horizon Telescope (EHT), il quale ha permesso di ottenere la prima foto di un buco nero.

In gergo tecnico si dice che la teoria di Einstein è una teoria “classica”, per sottolineare l’assenza di un’altra protagonista della fisica del secolo scorso: la Meccanica Quantistica. La Meccanica Quantistica e la Relatività Generale non vanno minimamente d’accordo: se si provasse a metterle assieme, si otterrebbero risultati insensati e inconsistenti. Questo fatto spinge tutt’ora moltissimi ricercatori a trovare una teoria di “Gravità Quantistica”, ovvero una teoria coerente che riesca a combinare armoniosamente le due. Ad oggi, una delle migliori candidate risulta essere la Teoria delle Stringhe, della quale abbiamo parlato qui.

Il Paradosso dell’Informazione dei Buchi Neri

Una manifestazione di queste inconsistenze è il cosiddetto Paradosso dell’Informazione. Tutto comincia attorno agli anni 1974 e 1975, quando il famoso fisico teorico Stephen Hawking si rende conto che se si fornisce una descrizione quantistica dei Buchi Neri, essi appaiono “grigi” e non propriamente “neri”: qualcosa può sfuggire da essi e i buchi neri evaporano! La radiazione che può sfuggire dai Buchi Neri è ad oggi nota come Radiazione di Hawking.

Il vero problema è che la presenza di questa radiazione implica un paradosso ancora ad oggi irrisolto. Per capire meglio, immaginate di essere arrabbiati e di prendere il vostro cellulare (o computer) e di buttarlo dentro al buco nero (non fatelo a casa). Il vostro telefono cade nel buco nero e lì vi rimane, per sempre. All’improvviso però vi ricordate che nel telefono avevate delle informazioni preziosissime (codici PIN, Password, foto o altro) e dunque vi pentite amaramente del brusco gesto fatto in preda alla rabbia. Risulta chiaro che ora il vostro obiettivo è di recuperare queste informazioni in qualche modo. Per riuscire nell’impresa chiedete aiuto a ogni fisico esistente al mondo ma ognuno di essi risponde: “Mi dispiace, ma sembra essere impossibile”. Qui ci si arrende.

Questo è il cuore del Paradosso dell’informazione dei Buchi Neri: non è possibile recuperare l’informazione contenuta nei buchi neri, in alcun modo. Questo viola uno dei principi fondamentali della Meccanica Quantistica la quale afferma che ogni processo in natura deve conservare l’informazione. I buchi neri sembrano essere oggetti che violano questo principio. Questo implica anche che non possiamo sapere cosa sia caduto esattamente nel buco nero nel momento della sua formazione.

Soluzioni?

Hawking, il quale si rese conto immediatamente di questo problema, pensò che fosse necessaria una modifica della Meccanica Quantistica per risolvere questo conflitto. Ad oggi invece ci sono evidenze teoriche del fatto che in teorie di Gravità Quantistica, come la Teoria delle Stringhe, questo paradosso non si presenti e che l’informazione possa essere recuperata. Questo è stato notato a seguito di un famoso lavoro del 1996 di due fisici teorici: Andrew Strominger e Cumrun Vafa. Inoltre, sembra che la Teoria delle Stringhe possa essere in grado di spiegare quali siano i costituenti microscopici dei Buchi Neri, i cosiddetti Microstati.

Una proposta ancora più ottimistica degli ultimi mesi, di altri fisici teorici come Juan Maldacena, Ahmed Almheiri e collaboratori, afferma che non c’è bisogno di scomodare una teoria di Gravità Quantistica per recuperare l’informazione, a patto di fare esperimenti molto complessi e creare dei cosiddetti Wormholes che connettono due regioni di spaziotempo tra loro sconnesse causalmente (ossia non possono essere in relazione di causa-effetto). È bene aggiungere che quest’ultimo risultato è stato ottenuto in un contesto estremamente semplificato di gravità a due dimensioni. Inoltre è doveroso notare che questa proposta è nata a seguito di alcuni risultati ottenuti a partire dalla Teoria delle Stringhe (come l’AdS/CFT e l’Entropia di Entanglement Olografica), anche se la soluzione proposta non dipende necessariamente da essa. Una recentissima review tecnica dell’argomento è presente qui.

Nonostante queste proposte molto promettenti, il Paradosso dell’Informazione non ha ancora visto una soluzione definitiva e accolta in maniera unanime dalla comunità scientifica. Nonostante siano passati cinquant’anni, Hawking e i suoi famosi conti fanno ancora parlare molto di sé. Chissà, forse tra qualche anno capiremo come poter recuperare le preziose informazioni contenute nel vostro cellulare e rendervi di nuovo felici.