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Quantum Mechanical Nature of Black Holes

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Una nuova teoria potrebbe rivelare la natura microscopica dei buchi neri

Lo studio dei buchi neri è fondamentale per riconciliare la teoria della relatività generale con la meccanica quantistica e per capire meglio lo spazio e il tempo al loro estremo. Per farlo però è necessario guardare al di là delle caratteristiche macroscopiche che possiamo osservare. Il progetto QUNAT (Quantum Mechanical Nature of Black Holes) si propone di fare proprio questo, con una nuova teoria che intende svelare le caratteristiche microscopiche dei buchi neri.

Spazio

Nel 1975, Benkenstein e Hawking hanno trovato una formula per calcolare l’entropia dei buchi neri e cioè il numero di possibili stati microscopici coerenti con lo stato macroscopico osservato del buco nero. Questa scoperta però ha dato vita anche a uno dei più significativi problemi in sospeso nella fisica teorica dell’alta energia: il paradosso delle informazioni dei buchi neri. Anche se la teoria quantistica ci dice che le informazioni non possono uscire da un buco nero, questa informazione non si trova da nessuna parte, neanche nelle radiazioni che il buco nero rilascia quando evapora. Un buco nero può essere descritto solo dalla sua massa, dalla carica elettrica e dal momento angolare e questi non codificano alcuna informazione. In altre parole, attualmente non c’è modo di ottenere una comprensione microscopica di ciò di cui è fatto realmente un buco nero. “Possiamo confrontare questa situazione a quello che possiamo osservare con l’acqua,” dice Troels Harmark, professore di fisica teorica delle particelle e cosmologia presso l’Istituto Niels Bohr. “L’acqua a livello microscopico è fatta di molecole d’acqua (H20) che a loro volta sono fatte di altri atomi e particelle più elementari. Ma la nostra percezione dell’acqua ci fa vedere solo le sue caratteristiche macroscopiche come la temperatura e la pressione. Per i buchi neri, queste caratteristiche macroscopiche si conoscono abbastanza bene. Conosciamo per esempio la massa e la temperatura. Ma non capiamo molto bene gli elementi microscopici di cui sono costituiti.” Anche se sono stati fatti progressi significativi negli ultimi decenni, in particolare per categorie speciali di buchi neri nella teoria delle stringhe, una comprensione completa che includa i buchi neri astrofisici non è ancora stata raggiunta. Trovando un modo per contare tutti gli elementi costituenti microscopici, il prof. Harmark voleva rivelare la loro entropia. Il lavoro da lui svolto nell’ambito del progetto QUNAT ha cominciato dove aveva lasciato il principio olografico – che risolve il paradosso delle informazioni dei buchi neri ipotizzando che i buchi neri siano superfici bidimensionali proiettate in 3D. “L’idea del principio olografico è che alcune teorie quantistiche senza gravità, che non vivono nel nostro spazio-tempo, possono descrivere gli elementi costitutivi microscopici dei nostri buchi neri. Queste teorie quantistiche vivono in meno dimensioni. Questa idea ha tutte le caratteristiche qualitative giuste per funzionare,” spiega. Però, anche se pochi mettono in dubbio la validità del principio olografico, il suo funzionamento è comprensibile solo in situazioni altamente simmetriche e quando la forza di gravità è debole. I buchi neri e la loro gravità estrema sono tutta un’altra storia: per capire veramente la loro natura microscopica, il team del progetto doveva prendere l’accoppiamento della teoria quantistica formulata e aumentarlo in modo che fosse molto grande. Per fare ciò, hanno preso in considerazione un limite di gravità e di meccanica quantistica in cui entrambe erano semplificate così tanto da rendere possibile prendere questo grande limite di accoppiamento. “In questo limite, il buco nero dovrebbe essere descritto con una nuova teoria quantistica che abbiamo scoperto, chiamata teoria della matrice di spin,” spiega il prof. Harmark. Grazie a questa nuova teoria, il team è stato in grado di capire le cosiddette D-brane – oggetti non perturbativi simili ai buchi neri. I ricercatori hanno rivelato come queste D-brane, che sono descritte classicamente su uno sfondo gravitazionale, emergono da una teoria quantistica, così come le loro interazioni. “Questo ha permesso per la prima volta di andare oltre il limite supersimmetrico delle D-brane, poiché le interazioni introducono correzioni non-supersimmetriche,” dice il prof. Harmark. Poi hanno potuto trovare il tipo di geometria che emerge da una concreta teoria di matrice di spin. “Una parte della comprensione dei buchi neri è capire in che modo la geometria emerge da una teoria quantistica. In questo caso, siamo riusciti a capire l’emergenza della geometria da tutte le teorie di matrice dello spin. Questo mostra in particolare che la geometria emergente è un nuovo tipo di geometria che non è stata presa in considerazione prima.” Il prof. Niels Obers, vice direttore della ricerca presso l’Istituto Niels Bohr e scienziato incaricato del progetto, dice che queste scoperte contribuiscono alla nostra comprensione di come lo spazio e il tempo emergono da una teoria quantistica di fondo. “Questo potrebbe essere molto utile per capire la prima parte del Big Bang, dove sono emersi lo spazio e il tempo,” afferma con entusiasmo. Anche se il progetto si è adesso concluso, il team sta continuando il suo lavoro studiando le teorie della matrice di spin che possono essere usate per descrivere i buchi neri oltre a portare avanti l’idea generale che la teoria della matrice di spin possa fornire nuove corrispondenze olografiche che potrebbero aiutare a capire quantitativamente il modo in cui spazio e tempo emergono da una teoria quantistica.

Parole chiave

QUNAT, buco nero, caratteristiche microscopiche, relatività generale, meccanica quantistica, Hawking, Benkenstein, principio olografico, teoria della matrice di spin, D-brane

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