Il paradosso dell’informazione dei buchi neri

In astrofisica un buco nero è un corpo celeste con un campo gravitazionale così intenso da non lasciare sfuggire né la materia, né la radiazione elettromagnetica, ovvero, da un punto di vista relativistico, una regione dello spaziotempo con una curvatura sufficientemente grande che nulla dal suo interno può uscirne, nemmeno la luce.

I buchi neri sono dunque il risultato dell’implosione di masse sufficientemente elevate. In astrofisica, uno dei più interessanti misteri irrisolti è il paradosso dell’informazione dei buchi neri, che occupa un posto centrale nella ricerca da circa quarant’anni.

Il paradosso dell’informazione dei buchi neri

Il paradosso dell’informazione dei buchi neri risulta dalla combinazione di meccanica quantistica e relatività generale. Implica che l’informazione fisica potrebbe “sparire” in un buco nero, permettendo a molti stati fisici di evolvere nello stesso identico stato. Questo è un argomento controverso poiché viola la dottrina comunemente accettata secondo la quale l’informazione totale riguardo a un sistema fisico in un punto temporale, determinerebbe il suo stato in ogni altro tempo.

Ma che cos’è un paradosso? Il termine paradosso deriva dal greco παρά (contro) e δόξα (opinione) ed è la descrizione di un fatto che contraddice l’opinione comune o l’esperienza quotidiana, riuscendo perciò sorprendente, straordinaria o bizzarra; più precisamente, in senso logico-linguistico, indica sia un ragionamento che appare invalido, ma che deve essere accettato, sia un ragionamento che appare corretto, ma che porta a una contraddizione.

Il più antico paradosso è quello del Cretese Epimenide. Egli affermava: “Tutti i cretesi sono bugiardi“. Poiché Epimenide era originario di Creta, la frase è paradossale.

La Radiazione di Hawking

Nel 1975, Stephen William Hawking e Jacob Bekenstein dimostrarono che i buchi neri irraggerebbero energia lentamente e ciò pose un problema. Dal teorema dell’essenzialità, ci si aspetterebbe che la radiazione di Hawking sia completamente indipendente dal materiale che entra nel buco nero. Ciò nondimeno, se il materiale che entra nel buco nero fosse uno stato quantistico puro, la trasformazione di questo stato nello stato eterogeneo della radiazione di Hawking distruggerebbe l’informazione riguardante lo stato quantistico originale. Questo viola il teorema di Liouville e presenta un paradosso.

Ma vediamo meglio in cosa consiste la radiazione di Hawking. I buchi neri non sono completamente bui, ma emettono una tenue luce, un’emissione termica definita, appunto, radiazione di Hawking. Questa radiazione è estremamente sottile, molti ordini di grandezza più bassa della radiazione cosmica di fondo (la radiazione che permea l’universo, ritenuta una conseguenza del Big Bang) e, in 50 anni di ricerca dedicata, non è mai stata rilevata.

Tuttavia, in un periodo sufficientemente lungo ogni buco nero è destinato a scomparire, poiché, a causa della radiazione di Hawking, perde gradualmente energia, che sappiamo essere legata alla massa del corpo grazie alla teoria della relatività.

Il problema della scomparsa del buco nero

La scomparsa di un buco nero non è in realtà un vero problema, l’informazione relativa ad esso potrebbe semplicemente cambiare forma, come quando un oggetto prende fuoco. Però, la radiazione di Hawking sembra non essere correlata all’informazione che il buco nero codifica.

Se lanciassimo una mela in un buco nero, quello accadrebbe alla mela è, ad oggi, un altro mistero, ma, dal punto di vista di un osservatore esterno, questa è come se si “incollasse alla superficie“, e l’informazione relativa alla mela va dunque a far parte di quella del buco nero.

Tuttavia, la radiazione di Hawking del nostro buco nero non aumenta in maniera proporzionale all’incremento complessivo di informazione, e, quando il buco nero scomparirà, parte dell’informazione relativa alla mela sarà svanita, in quanto “non facente parte della radiazione di Hawking”. Ecco quindi il paradosso.

Il paradosso de buchi neri è una nostra incomprensione

Richard Feynman, fisico e divulgatore scientifico statunitense, e Premio Nobel per la fisica nel 1965 per l’elaborazione dell’elettrodinamica quantistica, sui paradossi, affermava: “Ovviamente, in fisica non può esistere un paradosso vero e proprio, poiché deve esserci solo una risposta corretta; almeno noi crediamo che la natura agisca in una sola forma e che dunque questa sia la risposta giusta. In fisica, quindi, un paradosso è solamente il risultato di una nostra incomprensione“.

In teoria quindi dovremmo guardare anche all’interno del buco nero quando calcoliamo la radiazione uscente, e non preoccuparci solo dello spazio esterno. Infatti pare che, durante l’evaporazione del buco nero, la regione interna accumuli informazione relativa alla radiazione uscente in quantità non trascurabile, e, quindi, guardare solamente all’esterno del buco nero potrebbe essere non sufficiente.

Ad ogni modo non possiamo definire risolto questo paradosso quantistico. Sui buchi neri sappiamo ancora troppo poco, come del resto sull’intero universo. Dobbiamo attendere ulteriori studi, ma nel frattempo possiamo sempre guardare al cielo, che sia di giorno, ma soprattutto di notte, non smette mai di regalarci fantastiche emozioni.