I vincoli della comprensione dei buchi neri
Cos’hanno in comune i buchi neri e la teoria delle stringhe? A quanto pare, molto. Prima di tutto, sono entrambi piuttosto caotici. «Nella teoria delle stringhe, un enorme gomitolo di stringhe aggrovigliate può presentare una struttura molto complicata con un altissimo numero di stati quantomeccanici: una caratteristica che presenta molte somiglianze interessanti con i buchi neri, ritenuti i sistemi più caotici in natura», spiega Vasilis Niarchos, fisico dell’Università di Creta(si apre in una nuova finestra). La teoria delle stringhe rappresenta dunque una strada promettente per svelare uno degli enigmi fondamentali della fisica teorica moderna: l’origine microscopica e meccanica quantistica dell’entropia corrispondente dei buchi neri nella gravità quantistica. Secondo Niarchos, poiché gli stati di stringa altamente eccitati sono stati quantistici complessi con elevata entropia in una teoria quantistica della gravità, forniscono un’arena naturale per tali interrogativi. «È estremamente interessante studiare come interagiscono gli stati di stringa altamente eccitati, come assorbono ed emettono radiazioni, come la loro complessità influisce sulla loro dinamica e, in generale, fino a che punto si comportano come buchi neri», spiega l’esperto. Con il supporto del progetto BlackHoleChaos, finanziato dall’UE, Niarchos, insieme a Maurizio Firrotta, borsista delle azioni Marie Skłodowska-Curie(si apre in una nuova finestra), ha approfondito il caos delle interazioni delle stringhe.
Il legame tra le stringhe e la fisica dei buchi neri
Al fine di collegare le stringhe alla fisica dei buchi neri, il progetto ha concentrato l’attenzione sui processi di scattering, durante i quali gli stati di stringa altamente eccitati si trasmettono dall’uno all’altro emettendo o assorbendo radiazioni gravitazionali o elettromagnetiche. «Abbiamo attuato e sviluppato ulteriormente una serie di strumenti matematici che ci hanno permesso di studiare esplicitamente la diffusione di stati di stringa altamente eccitati nella teoria delle stringhe a debole interazione», osserva Niarchos. «Si tratta di processi estremamente complessi a livello matematico, che fino a poco tempo fa erano per lo più fuori portata.» Il progetto ha inoltre introdotto una nuova diagnostica basata sullo scattering per le interazioni tra stringhe, in grado di quantificare la complessità delle dinamiche sottostanti.
Nuovi approfondimenti sulla microfisica dei buchi neri
Sulla base di questo lavoro, i ricercatori non solo hanno derivato espressioni matematiche compatte per ampiezze complesse di stati di stringa altamente eccitati, ma hanno anche proposto misure specifiche del caos nelle ampiezze di scattering delle stringhe. Inoltre, il progetto ha sviluppato un nuovo calcolo delle probabilità di assorbimento e dei tassi di emissione degli stati di stringa altamente eccitati. Il calcolo ha rivelato come la nozione emergente di temperatura derivi dai microstati quantistici delle stringhe, nonché un modello approssimativo di emissione del corpo nero che ricorda quello della fisica dei buchi neri. «Questi risultati saranno utili per i tentativi futuri di approfondire i concetti della microfisica dei buchi neri e delle dinamiche complesse o caotiche nel contesto della gravità quantistica», osserva Niarchos. «Ci auguriamo che ispirino anche applicazioni interdisciplinari in altre aree della fisica in cui le tecniche di scattering sono utili, come l’analisi delle onde gravitazionali in astrofisica.»
Indagine di altri parallelismi nella fisica dei buchi neri
Il progetto ha prodotto risultati concreti relativi al comportamento statistico complesso degli stati di stringa altamente eccitati, ma il lavoro da fare è ancora molto. «Vorremmo usare i risultati e le tecniche che abbiamo sviluppato per capire meglio come interagiscono gli oggetti complessi altamente massivi nella teoria delle stringhe e quali altri parallelismi esistono con la fisica dei buchi neri, nonché per sviluppare un nuovo ponte verso la fenomenologia delle onde gravitazionali», conclude Niarchos.