“Il destino dei buchi neri in una teoria quantistica della gravità è, a mio avviso, il problema più importante nella fisica teorica“, ha affermato Jorge Pullin, professore di fisica teorica Horace Hearne alla LSU.
I buchi neri creati dal collasso delle stelle sono oggetti misteriosi con un bordo esterno chiamato orizzonte degli eventi, che intrappola tutto, inclusa la luce.
La teoria della relatività generale di Einstein prevedeva che una volta che un oggetto cade all’interno di un orizzonte degli eventi, finisce al centro del buco nero, in un punto chiamato singolarità, dove la densità apparentemente diventa infinita. In questo punto, l’attrazione gravitazionale è infinita e tutte le leggi fisiche conosciute crollano, inclusa la teoria di Einstein.
Gravità quantistica: dubbi sulla singolarità centrale dei buchi neri
Negli ultimi decenni i fisici teorici hanno cercato di capire se le singolarità esistano davvero attraverso complesse equazioni matematiche ma con scarso successo.
Gli astrofisici della LSU e della Penn State hanno sviluppato equazioni matematiche che vanno oltre la teoria della relatività generale di Einstein, superando il suo limite chiave: la singolarità centrale dei buchi neri.
La rappresentazione artistica degli effetti della gravità quantistica ad anello in un buco nero. La metà inferiore dell’immagine raffigura il buco nero che, secondo la relatività generale, intrappola tutto, inclusa la luce. La gravità quantistica ad anello, una teoria che estende la relatività generale di Einstein usando la meccanica quantistica, supera questa tremenda attrazione e libera tutto ciò che è mostrato nella metà superiore dell’immagine, risolvendo così il problema fondamentale della singolarità del buco nero. (A. Corichi e JP Ruiz).
Gravità quantistica ad anello
Negli anni ’90 i fisici teorici hanno sviluppato una teoria chiamata gravità quantistica ad anello, una teoria che sposa le leggi della fisica microscopica, o meccanica quantistica, con la gravità, che spiega le dinamiche dello spazio e del tempo.
Le nuove equazioni di Ashtekar, Olmedos e Singh descrivono i buchi neri nella gravità quantistica ad anello e hanno mostrato che la singolarità dei buchi neri non esiste.
“Nella teoria di Einstein, lo spazio-tempo è un tessuto che può essere diviso in sezione tanto piccole quanto vogliamo. Questa è essenzialmente la causa della singolarità in cui il campo gravitazionale diventa infinito”.
“Nella gravità quantistica ad anello, il tessuto dello spazio-tempo ha una struttura simile a una tessera, che non può essere divisa oltre la tessera più piccola. I miei colleghi e io abbiamo dimostrato che questo è il caso all’interno dei buchi neri e quindi non c’è singolarità“, ha detto Singh.
Invece della singolarità, la gravità quantistica ad anello prevede un imbuto che sfocia verso un altro ramo dello spazio-tempo.
“Queste unità geometriche simili a tessere – chiamate “eccitazioni quantistiche” – che risolvono il problema della singolarità sono ordini di grandezza inferiori a quelli che possiamo rilevare con la tecnologia odierna, ma abbiamo equazioni matematiche precise che prevedono il loro comportamento“, ha affermato Ashtekar, che è uno dei padri fondatori della gravità quantistica a ad anello.
“Alla LSU, abbiamo sviluppato tecniche computazionali all’avanguardia per estrarre le conseguenze fisiche di queste equazioni utilizzando i supercomputer, avvicinandoci a testare in modo affidabile la gravità quantistica“, ha affermato Singh.
Fallimenti della teoria di Einstein
La teoria di Einstein fallisce non solo al centro dei buchi neri, ma anche per spiegare come l’universo sia stato creato dalla singolarità del Big Bang. Pertanto, un decennio fa, Ashtekar, Singh e collaboratori hanno iniziato a estendere la fisica oltre il Big Bang e a fare nuove previsioni utilizzando la gravità quantistica ad anello.
Usando le equazioni matematiche e le tecniche computazionali della gravità quantistica ad anello, hanno dimostrato che il Big Bang è sostituito dal “Big Bounce“. Ma il problema del superamento della singolarità del buco nero è eccezionalmente complesso.
Il buco nero si restringerà e scomparirà
L’integrazione della fisica quantistica dimostra anche che materia ed energia possono effettivamente sfuggire all’orizzonte degli eventi di un buco nero.
Poiché coppie virtuali di particelle di materia e antimateria vengono create spontaneamente tramite fluttuazioni quantistiche appena oltre l’orizzonte degli eventi, Stephen Hawking ha calcolato che alcune coppie vengono rapidamente annichilite mentre altre si separano. Una particella o un fotone cade nell’orizzonte degli eventi e il suo partner sfugge al campo gravitazionale del buco nero, portando a una diminuzione netta della massa del buco nero.
“Hawking ha mostrato che i buchi neri si irradiano. Il suo calcolo è solo approssimativo: il buco nero è statico e non percepisce la reazione di ritorno della radiazione emessa“, ha spiegato Jorge Pullin in un’intervista a The Daily Galaxy. “Si prevede che quando il buco nero si irradia, si ridurrà e forse alla fine scomparirà“.
“Penso”, ha aggiunto Pullin, “che sia il problema più importante nella fisica teorica fondamentale (è importante sottolineare qui “fondamentale” poiché ci sono molti altri problemi molto importanti nella fisica teorica nel suo insieme) perché coinvolge la relatività generale, la teoria quantistica e termodinamica nei loro regimi più estremi”.