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From fluid dynamics to quantum gravity

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Una migliore comprensione della radiazione di Hawking ora grazie a esperimenti in laboratorio

La radiazione dai buchi neri e la produzione di particelle in un Universo che si espande sono le pietre miliari delle attuali conoscenze sulla natura quantistica dello spazio-tempo. Ma il fatto che siano praticamente fuori portata in astrofisica significa che sono anche scarsamente comprese. Una soluzione per questo problema potrebbe essere fornita da buchi neri artificiali realizzati nell’ambito del progetto FDTOQG, che ha migliorato la nostra comprensione della radiazione di Hawking.

Spazio

Il secondo principio generalizzato (GSL) della termodinamica ci dice che un buco nero possiede una sua entropia, proprio come qualsiasi oggetto ordinario con una certa temperatura. Questo implica che un buco nero dovrebbe emettere una radiazione termica, e obbedire al principio di un buco nero come dettato dalla termodinamica. «Questo sembra contraddire la teoria classica dei buchi neri, dai quali non può fuggire nulla», afferma il dott. Antonin Coutant, borsista Marie Curie e ricercatore principale del progetto, «ma Hawking ha scoperto negli anni settanta che la teoria quantistica prevede in effetti un’emissione di radiazioni, e che questa radiazione segue la legge prevista per un corpo caldo». Tuttavia, anche se teorizzata, la radiazione dal buco nero è ancora scarsamente compresa, come spiega la dott.ssa Silke Weinfurtner, ricercatrice borsista all’Università di Nottingham: «Da un lato, stiamo ancora sviluppando il quadro in cui la relatività generale e la fisica quantistica si riconciliano, e dall’altro disponiamo di scarsissime indicazioni dalle osservazioni perché la temperatura di Hawking è così bassa da essere, per tutte le attuali osservazioni di buchi neri, trascurabile. Quanto più piccolo è il buco nero e tanto più elevata è la temperatura, ma sfortunatamente, i buchi neri nel nostro universo sono troppo grandi». Ed è qui che si manifesta la gravità analoga. Questo innovativo approccio ci dice che radiazione di Hawking, superradianza e produzione cosmologica di particelle sono processi universali che, sebbene siano troppo tenui per essere visti nei sistemi astrofisici, si possono trovare in una grande classe di altri sistemi come ad esempio quelli fluidi, superfluidi e ottici. «La gravità analoga rappresenta oggi la migliore opportunità che abbiamo di assistere a questi effetti in esperimenti di laboratorio», afferma il dott. Coutant. «L’analogia non è perfetta, ma il fatto che questi processi si verifichino in una grande classe di sistemi dimostra che sono resistenti alle modificazioni dipendenti dal sistema. Per esempio, se lo spazio-tempo fosse fondamentalmente discontinuo, una preoccupazione dovrebbe riguardare la capacità del processo di Hawking di accorgersi di questa discontinuità. Nei sistemi analoghi, abbiamo una qualche discontinuità fondamentale (per esempio il flusso di un liquido è formato da molecole d’acqua), ma l’effetto di Hawking si verifica comunque», afferma la dott.ssa Weinfurtner. La solidità del processo di superradianza in realtà ha superato le aspettative della scienziata, visto che tutto ciò di cui ha bisogno è un qualcosa che ruoti abbastanza velocemente e che possa assorbire una piccola quantità di energia. Dal momento che i buchi neri indubbiamente ruotano e assorbono la materia presente nelle loro vicinanze, la dott.ssa Weinfurtner è sicura che dovrebbero essere in grado di rallentare la loro rotazione attraverso questo meccanismo. L’estrapolazione verso l’astrofisica, tuttavia, non è così semplice come potrebbe sembrare. Vi è un’analogia dei modelli teorici del progetto che descrivono il modo in cui piccole fluttuazioni interagiscono con i buchi neri, ma non provano che un buco nero reale mostri lo stesso effetto. «Possiamo testare il nostro quadro teorico, ma non possiamo testare se il nostro quadro teorico riesce a descrivere la realtà. Tuttavia, la nostra ricerca ha sicuramente migliorato la nostra comprensione della radiazione di Hawking o superradianza (anche nota come meccanismo di Penrose), oltre che le difficoltà che il suo rilevamento comporta persino in un ambiente di laboratorio controllato», spiega la dott.ssa Weinfurtner. Adesso che il progetto FDTOQG (From fluid dynamics to quantum gravity) è giunto alla sua conclusione, il team è impaziente di vedere come reagirà la comunità scientifica. Sono sicuri che ci saranno ulteriori esperimenti in futuro, che useranno differenti sistemi per fornire un resoconto sul rilevamento della superradianza.

Parole chiave

FDTOQG, buco nero, radiazione di hawking, termodinamica, relatività generale, entropia, fisica quantistica, superradianza

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