{"id":3079,"date":"2025-03-26T16:08:27","date_gmt":"2025-03-26T16:08:27","guid":{"rendered":"https:\/\/www.semidiscienza.it\/?p=3079"},"modified":"2025-03-26T16:08:27","modified_gmt":"2025-03-26T16:08:27","slug":"buchi-neri-e-capelli-soffici-a-spasso-tra-fisica-teorica-e-sperimentale","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.semidiscienza.it\/2025\/03\/26\/buchi-neri-e-capelli-soffici-a-spasso-tra-fisica-teorica-e-sperimentale\/","title":{"rendered":"Buchi neri e \u201ccapelli soffici\u201d: a spasso tra fisica teorica e sperimentale"},"content":{"rendered":"\n

di Luciano Celi – direttivo Semi di Scienza<\/em><\/p>\n\n\n\n

I buchi neri sono da sempre tra gli oggetti pi\u00f9 affascinanti e misteriosi dell’universo. Predetti dalla relativit\u00e0 generale di Einstein e osservati indirettamente attraverso i loro effetti gravitazionali, questi mostri cosmici continuano a sfidare la nostra comprensione della fisica. Uno dei problemi pi\u00f9 profondi legati ai buchi neri \u00e8 il cosiddetto paradosso dell’informazione<\/strong>, che mette in discussione la compatibilit\u00e0 tra la relativit\u00e0 generale e la meccanica quantistica. Negli anni scorsi un gruppo di scienziati, tra cui il compianto Stephen Hawking, ha proposto una soluzione innovativa a questo paradosso, introducendo il concetto di \u201csoft hair\u201d (letteralmente: capelli morbidi). Ma cosa significa tutto questo? E perch\u00e9 \u00e8 cos\u00ec importante?<\/p>\n\n\n\n

Il paradosso dell’informazione<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Secondo la relativit\u00e0 generale, un buco nero \u00e8 una regione dello spazio-tempo con un campo gravitazionale cos\u00ec intenso che nulla, nemmeno la luce, pu\u00f2 sfuggirgli. Quando la materia o la radiazione cadono in un buco nero, sembrano scomparire per sempre, portando con s\u00e9 l’informazione sul loro stato quantistico. Tuttavia, la meccanica quantistica afferma che l’informazione non pu\u00f2 essere distrutta. Questo conflitto \u00e8 noto come paradosso dell’informazione dei buchi neri<\/strong>.<\/p>\n\n\n\n

Gi\u00e0 negli anni ’70 del secolo scorso, Stephen Hawking dimostr\u00f2 che i buchi neri non sono completamente \u201cneri\u201d, ma emettono una radiazione termica, chiamata radiazione di Hawking<\/strong>, che fa s\u00ec che il buco nero perda gradualmente massa e, alla fine, evapori. Gi\u00e0 questo un po\u2019 ci getta nello scompiglio: un oggetto che ha una massa talmente concentrata che\u2026 pu\u00f2 evaporare. Vabb\u00e8, fidiamoci, perch\u00e9 le domande ancora pi\u00f9 interessanti devono ancora arrivare. Questa radiazione infatti sembra essere completamente casuale e non contenere alcuna informazione sulla materia che \u00e8 caduta nel buco nero. Questo ha portato alla domanda: dove va a finire l’informazione?<\/p>\n\n\n\n

L’entropia dei buchi neri e la formula di Bekenstein-Hawking<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Una delle intuizioni pi\u00f9 importanti di Hawking \u00e8 stata quella di collegare i buchi neri alla termodinamica. In particolare, ha dimostrato che l’entropia<\/strong> di un buco nero (una misura del disordine o dell’informazione contenuta) \u00e8 proporzionale all’area del suo orizzonte degli eventi, secondo una formula \u2013 chiamata formula di Bekenstein-Hawking \u2013 che qui non proporremo. Ci basti sapere che questa formula suggerisce che i buchi neri non sono semplici oggetti gravitazionali, ma sistemi complessi che contengono e processano informazione.<\/p>\n\n\n\n

I \u201csoft hair\u201d e i modi zero<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Nel 2018, Hawking e i suoi collaboratori (Malcolm Perry<\/strong>, Andrew Strominger<\/strong> e Sasha Haco<\/strong>) hanno pubblicato un articolo intitolato Black Hole Entropy and Soft Hair<\/em><\/strong>, in cui hanno proposto una soluzione innovativa al paradosso dell’informazione. L’idea \u00e8 che i buchi neri possano avere \u201csoft hair\u201d, ovvero sottili configurazioni di campi gravitazionali ed elettromagnetici vicino all’orizzonte degli eventi, che agiscono come una sorta di \u201cmemoria\u201d del buco nero.<\/p>\n\n\n\n

Questi \u201ccapelli morbidi\u201d sono associati ai modi zero<\/strong> dei campi, ovvero configurazioni che non trasportano energia ma possono comunque codificare informazione. In pratica, quando la materia cade in un buco nero, lascia delle tracce nei modi zero, che potrebbero conservare l’informazione senza violare i principi della meccanica quantistica.<\/p>\n\n\n\n

Calcoli mostruosi e il valore “12J”<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Uno degli aspetti pi\u00f9 affascinanti di questo lavoro \u00e8 la complessit\u00e0 dei calcoli coinvolti. Gli scienziati hanno dovuto affrontare equazioni con oltre 1.000 termini<\/strong>, che inizialmente producevano risultati incoerenti: l’entropia del buco nero risultava essere zero<\/strong> o infinita<\/strong>, il che non ha senso fisico. Dopo un lungo e laborioso processo, il team \u00e8 riuscito a trovare un valore chiave, indicato come “12J”, che ha permesso di risolvere queste incoerenze e ottenere un risultato fisicamente significativo. Un valore che, per i profani, ricorda un po\u2019 la risposta fornita dal super computer (per molti aspetti simili alle recenti intelligenze artificiali che popolano il nostro mondo) presente nel romanzo di Douglas Adams Guida galattica per autostoppisti<\/em> che, di fronte alla \u00abdomanda fondamentale sulla vita, l’universo e tutto quanto\u00bb, risponde semplicemente \u00ab42\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

Anche se il significato esatto del \u201c12J\u201d rimane un dettaglio tecnico, \u00e8 chiaro che rappresenta un passo importante nella comprensione di come l’informazione viene conservata nei buchi neri. Questo risultato suggerisce che i \u201csoft hair\u201d e i modi zero potrebbero davvero giocare un ruolo chiave nella risoluzione del paradosso dell’informazione.<\/p>\n\n\n\n

Il lavoro sperimentale di Silke Weinfurtner<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Mentre la fisica teorica avanza con idee audaci come i \u201csoft hair\u201d, c’\u00e8 anche un lato sperimentale che cerca di testare queste teorie in laboratorio. Una figura di spicco in questo campo \u00e8 Silke Weinfurtner<\/strong>, ricercatrice all’Universit\u00e0 di Nottingham, che guida un team che simula i buchi neri in laboratorio utilizzando modelli fisici in scala ridotta.<\/p>\n\n\n\n

Weinfurtner e il suo gruppo lavorano con una grande vasca d’acqua<\/strong> in cui creano vortici e onde per studiare il comportamento dello spazio-tempo vicino a un buco nero. In particolare, osservano come le onde si propagano in presenza di un flusso vorticoso, che pu\u00f2 essere paragonato all’orizzonte degli eventi di un buco nero. Quando le onde si avvicinano al vortice, alcune vengono “intrappolate” e non possono pi\u00f9 sfuggire, proprio come la luce o la materia che cadono in un buco nero.<\/p>\n\n\n\n

Questi esperimenti rientrano nel campo della gravit\u00e0 analogica<\/strong>, che esplora le somiglianze matematiche tra sistemi fisici apparentemente molto diversi, come i buchi neri e i fluidi in movimento. Anche se questi modelli non possono riprodurre esattamente i buchi neri reali, permettono di testare alcune previsioni teoriche in un contesto controllato.<\/p>\n\n\n\n

Punti di contatto tra teoria e esperimento<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Il lavoro di Weinfurtner e quello di Hawking e colleghi sono due facce della stessa medaglia. Da un lato, la teoria propone idee innovative come i \u201csoft hair\u201d per risolvere il paradosso dell’informazione; dall’altro, gli esperimenti di gravit\u00e0 analogica cercano di verificare se queste idee hanno un riscontro nella realt\u00e0 fisica.<\/p>\n\n\n\n

Ad esempio, i modi zero e i “soft hair” potrebbero avere analoghi nei sistemi fluidi studiati da Weinfurtner. Se questi effetti fossero osservati in laboratorio, ci\u00f2 fornirebbe un supporto indiretto alle teorie di Hawking e colleghi. Inoltre, gli esperimenti potrebbero aiutare a identificare nuove propriet\u00e0 dei buchi neri che non erano state previste teoricamente.<\/p>\n\n\n\n

Implicazioni per la fisica teorica e sperimentale<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Il lavoro di Hawking, Perry, Strominger, Haco e Weinfurtner non \u00e8 solo una curiosit\u00e0 accademica, ma ha implicazioni profonde per la fisica teorica e sperimentale. Se i \u201csoft hair\u201d possono davvero conservare l’informazione, questo potrebbe aprire la strada a una teoria pi\u00f9 completa della gravit\u00e0 quantistica<\/strong>, che unisca la relativit\u00e0 generale e la meccanica quantistica.<\/p>\n\n\n\n

Inoltre, questi studi potrebbero avere applicazioni in altri campi della fisica, come lo studio delle onde gravitazionali<\/strong> o della cosmologia<\/strong>. I buchi neri, infatti, non sono solo oggetti esotici, ma laboratori naturali per testare le leggi fondamentali dell’universo.<\/p>\n\n\n\n

In conclusione possiamo senz\u2019altro dire che il paradosso dell’informazione nei buchi neri rimane uno dei problemi pi\u00f9 profondi e affascinanti della fisica moderna. Grazie al lavoro pionieristico di Stephen Hawking e dei suoi collaboratori, siamo forse pi\u00f9 vicini a una soluzione. I \u201csoft hair\u201d e i modi zero rappresentano una proposta audace e innovativa, che potrebbe rivoluzionare la nostra comprensione dei buchi neri e dell’universo stesso.<\/p>\n\n\n\n

Allo stesso tempo, il lavoro sperimentale di ricercatori come Silke Weinfurtner dimostra che la fisica non \u00e8 fatta solo di equazioni complesse, ma anche di creativit\u00e0 e ingegno nel trovare modi per testare queste idee in laboratorio. Anche se molti dettagli tecnici rimangono da chiarire, una cosa \u00e8 certa: i buchi neri continuano a essere una fonte inesauribile di meraviglia e di domande, spingendo i confini della conoscenza umana sempre pi\u00f9 in l\u00e0.<\/p>\n\n\n\n

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