Per quasi un secolo, la fisica quantistica e la teoria della relatività generale sono state un come un matrimonio mal riuscito. Perfette quando prese singolarmente, apparentemente incompatibili quando si provava a metterle insieme.
Potrebbe però non essere così ancora a lungo; infatti una prova matematica sulla natura dei buchi neri quantistici potrebbe mostrarci come le due teorie possono conciliarsi, almeno abbastanza da produrre una nuova grande teoria su come funziona l’Universo su scala cosmica e microcosmica.
Un team di fisici ha dimostrato matematicamente una stranezza riguardo al modo in cui i buchi neri, oggetti così densi che è difficile il colo concepirli, potrebbero esistere in uno stato di sovrapposizione quantistica, occupando contemporaneamente un’intero spettro di possibili caratteristiche.
I calcoli del team hanno mostrato che le sovrapposizioni di massa in un tipo teorico di buco nero chiamato buco nero BTZ occupano contemporaneamente bande di masse sorprendentemente diverse.
Normalmente, qualsiasi particella può esistere in una sovrapposizione di stati, con caratteristiche come spin o quantità di moto determinate solo una volta che sono diventate parte di un’osservazione.
Laddove alcune qualità, come la carica, sono disponibili solo in unità discrete, la massa non è tipicamente quantizzata, il che significa che la massa di una particella non osservata può trovarsi ovunque entro un intervallo di probabilità.
Tuttavia, come mostra questa ricerca, la sovrapposizione delle masse detenute da un buco nero tende a favorire alcune misure rispetto ad altre in uno schema che potrebbe essere utile per modellare la massa in modo quantizzato. Questo potrebbe fornirci una stele di Rosetta che potrebbe permetterci di interpretare gli effetti gravitazionali quantistici dei buchi neri in sovrapposizione quantistica al fine di allentare la tensione tra la relatività generale e la teoria quantistica.
“Fino ad ora, non abbiamo studiato a fondo se i buchi neri mostrino alcuni dei comportamenti strani della fisica quantistica“, spiega il fisico teorico Joshua Foo dell’Università del Queensland in Australia.
“Uno di questi comportamenti è la sovrapposizione, in cui le particelle su scala quantistica possono esistere in più stati contemporaneamente. Questo stato viene comunemente illustrato con l’esperimento mentale del gatto di Schrödinger, che è contemporaneamente sia vivo che morto finché non si apre la scatola per osservarlo“.
“Ma, per quanto riguarda i buchi neri, volevamo vedere se potevano avere masse diverse allo stesso tempo, e abbiamo scoperto che è così. Immagina di essere sia largo che alto, ma anche basso e magro allo stesso tempo – è una situazione intuitivamente confusa dal momento che siamo ancorati al mondo della fisica tradizionale. Ma questa è la realtà per i buchi neri quantistici“.
L’estrema gravità che circonda i buchi neri costituisce un laboratorio eccellente per sondare la gravità quantistica: il continuum dello spaziotempo secondo la teoria della relatività generale unita alla teoria della meccanica quantistica, che descrive l’universo fisico in termini di quantità discrete, come le particelle.
I modelli basati su determinati tipi di buco nero potrebbero portare a un’unica teoria in grado di spiegare le particelle e la gravità. Alcuni degli effetti osservati attorno a un buco nero non possono essere descritti nella relatività generale, per esempio. Per questo, abbiamo bisogno della gravità quantistica, una teoria unificata che incorpori entrambi gli insiemi di regole e in qualche modo le faccia funzionare bene.
Quindi, Foo e i suoi colleghi hanno sviluppato una struttura matematica che consente ai fisici di osservare efficacemente una particella posta all’esterno di un buco nero che si trova in uno stato di sovrapposizione quantistica.
La massa è stata la proprietà principale che hanno sondato, poiché la massa è una delle poche proprietà dei buchi neri che possiamo misurare.
“Il nostro lavoro mostra che le primissime teorie di Jacob Bekenstein – un fisico teorico americano e israeliano che diede un contributo fondamentale alla fondazione della termodinamica dei buchi neri – erano giuste“, afferma la fisica quantistica Magdalena Zych, dell’Università del Queensland.
“[Bekenstein] ha postulato che i buchi neri possono avere solo masse che hanno determinati valori, cioè devono rientrare in determinate bande o rapporti: è così che funzionano i livelli di energia di un atomo, ad esempio. La nostra modellazione ha mostrato che queste masse sovrapposte hanno, infatti, determinate bande o rapporti determinati – come previsto da Bekenstein”.
“Non presumevamo che si verificasse alcun modello del genere, quindi il fatto di aver trovato questa prova è stato piuttosto sorprendente“.
I risultati, affermano i ricercatori, forniscono un percorso per future indagini sui concetti di gravità quantistica, come i buchi neri quantistici e lo spaziotempo sovrapposto. Per sviluppare una descrizione completa della gravità quantistica, l’inclusione di questi concetti è fondamentale.
La loro ricerca consente anche un’indagine più dettagliata su quello spaziotempo sovrapposto e sugli effetti che ha sulle particelle al suo interno.
“L’Universo si sta rivelando sempre più strano, misterioso e affascinante di quanto la maggior parte di noi avrebbe mai potuto immaginare“, afferma Zych.
La ricerca è stata pubblicata in Physical Review Letters.
