Simulato un buco nero in laboratorio che ha iniziato a brillare

Un modello analogo a un buco nero potrebbe dirci qualcosa su una radiazione sfuggente emessa teoricamente dall’oggetto reale.

Il buco nero simulato in laboratorio potrebbe aiutare a risolvere gli enigmi della fisica

Utilizzando una catena di atomi in fila indiana per simulare l’orizzonte degli eventi di un buco nero, un team di fisici ha osservato l’equivalente di quella che chiamiamo radiazione di Hawking : particelle nate da perturbazioni nelle fluttuazioni quantistiche causate dalla rottura dello spaziotempo da parte del buco nero.

Questo, hanno affermato gli studiosi, potrebbe aiutare a risolvere la tensione tra due quadri attualmente inconciliabili per descrivere l’Universo: la teoria generale della relatività, che descrive il comportamento della gravità come un campo continuo noto come spaziotempo e la meccanica quantistica, che descrive il comportamento di particelle discrete utilizzando la matematica della probabilità.

Per una teoria unificata della gravità quantistica che possa essere applicata universalmente, queste due teorie immiscibili devono trovare un modo per andare d’accordo.

È qui che entrano in gioco i buchi neri, forse gli oggetti più strani ed estremi dell’Universo. Questi oggetti massicci sono così incredibilmente densi che, entro una certa distanza dal centro di massa del buco nero, nessuna velocità nell’Universo è sufficiente per la fuga, nemmeno la velocità della luce.

Lo studio

Questa distanza, che varia a seconda della massa del buco nero, è chiamata orizzonte degli eventi. Una volta che un oggetto attraversa il suo confine, possiamo solo immaginare cosa succede, poiché nulla torna con informazioni vitali sul suo destino. Ma nel 1974, Stephen Hawking ha proposto che le interruzioni delle fluttuazioni quantistiche causate dall’orizzonte degli eventi si traducano in un tipo di radiazione molto simile alla radiazione termica.

Se questa radiazione di Hawking esiste, è troppo debole perché possiamo ancora rilevarla. È possibile che non riusciremo mai a separarla dal sibilo statico dell’Universo, ma possiamo sondarne le proprietà creando analoghi di buchi neri in ambienti di laboratorio.

Questa iniziativa era già stata sperimentata in passato, ma nel novembre 2022 un team guidato da Lotte Mertens dell’Università di Amsterdam nei Paesi Bassi ha tentato qualcosa di nuovo.

Una catena unidimensionale di atomi fungeva da percorso per gli elettroni per “saltare” da una posizione all’altra. Regolando la facilità con cui questo salto può verificarsi, i fisici potevano far svanire certe proprietà, creando di fatto una specie di orizzonte degli eventi che interferiva con la natura ondulatoria degli elettroni.

L’effetto di questo falso orizzonte degli eventi ha prodotto un aumento della temperatura che corrispondeva alle aspettative teoriche di un sistema di buchi neri equivalente, ha affermato il team, ma solo quando una parte della catena si estendeva oltre l’orizzonte degli eventi.

Questo potrebbe significare che l‘ intreccio di particelle che attraversano l’orizzonte degli eventi è determinante nella generazione della radiazione di Hawking.

La radiazione di Hawking simulata era solo termica per un certo intervallo di ampiezze di salto e, in simulazioni che hanno iniziato imitando un tipo di spaziotempo considerato “piatto“. Questo ha indicato che la radiazione di Hawking potrebbe essere termica solo entro un intervallo di situazioni e quando c’è un cambiamento nella curvatura dello spazio-tempo dovuto alla gravità.

Non è chiaro cosa significhi per la gravità quantistica, ma il modello offre un modo per studiare l’emergere della radiazione di Hawking in un ambiente che non è influenzato dalle dinamiche selvagge della formazione di un buco nero. E, poiché è così semplice, può essere messo in funzione in un’ampia gamma di configurazioni sperimentali.

Conclusioni

“Quest’ può aprire le porte all’esplorazione di aspetti fondamentali della meccanica quantistica, insieme alla gravità e allo spaziotempo curvo in vari contesti di materia condensata“, hanno concluso i ricercatori.

La ricerca è stata pubblicata su Physical Review Research.