I buchi neri hanno una forma complessa. Dentro, la gravità esiste in tre dimensioni. Ma i buchi neri sono anche collegati a particelle esterne e campi magnetici che esistono solo in due dimensioni. Quindi, come può esistere un buco nero sia in due dimensioni che in tre dimensioni allo stesso tempo?
Gli scienziati affermano che qui è all’opera un fenomeno matematico, chiamato “teoria della dualità olografica”. Juan Maldacena, un fisico teorico argentino, ha scoperto il concetto nel 1997, che afferma che gli eventi all’interno di uno spazio con gravità (come un buco nero) sono matematicamente equivalenti a eventi privi di gravità sulla superficie di quello spazio che coinvolgono particelle.
In altre parole, la teoria della dualità olografica potrebbe contenere il legame segreto tra la fisica delle particelle – lo studio delle minuscole particelle che compongono tutta la materia – e la teoria della relatività generale di Einstein, che afferma che la gravità nasce dalla curvatura dello spazio e del tempo. In una nuova ricerca, pubblicata il mese scorso sulla rivista PRX Quantum, gli scienziati dell’Università del Michigan cercano supporto per questa teoria della dualità olografica all’interno dei buchi neri. Per capire, dobbiamo rivedere alcuni semplici calcoli matematici e quindi applicare la scienza.
Ripensa al calcolo di base. Ci sono linee, che sono rappresentate da x e y. Poi ci sono le curve, rappresentate da x² e y². E se aumentiamo quelle variabili di un’altra potenza, abbiamo superfici e forme tridimensionali. La relazione tra le dimensioni è la chiave del calcolo, così come la relazione dal finito all’infinito.
Come si collega ai buchi neri? Ebbene, un’espressione della teoria delle stringhe (un quadro teorico in fisica in cui le particelle puntiformi sono sostituite con oggetti unidimensionali chiamati stringhe) e la teoria quantistica mirano a unificare gli aspetti bidimensionali e tridimensionali del mondo reale come un modo per aiutare a calcolare e comprendere determinati fenomeni complessi. I risultati potrebbero sposare il modello standard della fisica delle particelle e la teoria della relatività generale, portandoci al punto di partenza: questa è la dualità olografica.
L’Università del Michigan spiega in un comunicato stampa:
Per immaginarlo, ripensate al buco nero, che deforma lo spazio-tempo a causa della sua immensa massa. La gravità del buco nero, che esiste in tre dimensioni, si collega matematicamente alle particelle che danzano sopra di esso, in due dimensioni. Pertanto, un buco nero esiste in uno spazio tridimensionale, ma lo vediamo proiettato attraverso le particelle. Alcuni scienziati teorizzano che il nostro intero universo sia una proiezione olografica di particelle e questo potrebbe portare a una teoria quantistica coerente della gravità.
In altre parole, le idee che non si coordinano bene quando tutto è tridimensionale possono funzionare meglio insieme quando cose come i buchi neri sono invece calcolate in due dimensioni. Ciò può trasformare un buco nero tridimensionale senza “particelle” standard in un’idea bidimensionale che può essere misurata utilizzando particelle.
“Nella teoria della relatività generale di Einstein, non ci sono particelle, c’è solo spazio-tempo. E nel modello standard della fisica delle particelle, non c’è gravità, ci sono solo particelle“, afferma il fisico dell’Università del Michigan Enrico Rinaldi nella dichiarazione. “Collegare le due diverse teorie è un problema di vecchia data in fisica, qualcosa che le persone hanno cercato di fare dal secolo scorso“.
La teoria delle stringhe è un modo in cui gli scienziati stanno cercando di unificare i due modelli del nostro universo. Nella teoria delle stringhe, le particelle come gli atomi sono rappresentate da “stringhe” unidimensionali che sono, a loro volta, compilate in enormi matrici bidimensionali (una matrice, in scienze e matematica, è una matrice n – per n di numeri o valori).
Quindi, mettendo insieme i pezzi, quello che abbiamo è una griglia bidimensionale di valori ponderati che descrivono la superficie del buco nero che si trova sotto. E da lì, gli scienziati possono usare idee matematiche per esplorare la griglia dei numeri nello stesso modo in cui farebbero qualsiasi altra cosa. In questo caso, hanno utilizzato operatori quantistici, chiamati qubit, e una rete neurale in esecuzione per identificare lo stato di minima energia di un dato modello a matrice.
Gli scienziati sperano che i modelli a matrice, che descrivono come potrebbe apparire un tipo di buco nero all’interno, aiuteranno a far luce, per così dire, sull’orizzonte degli eventi di questi buchi neri speciali e oltre. “Cosa c’è nell’orizzonte degli eventi per un buco nero? Da dove proviene? Rispondere a queste domande sarebbe un passo verso la realizzazione di una teoria quantistica della gravità“, spiega Rinaldi.
