28 Dic 2018 Oltrepassando la Singolarità
Coniugando le leggi della meccanica quantistica con la gravità, gli scienziati hanno sviluppato nuove equazioni matematiche che vanno al di là della singolarità dei buchi neri. In quelle estreme condizioni la gravità diviene infinita e le leggi della Relatività Generale non funzionano più. Superando questo scoglio irritante per i fisici teorici, il nuovo studio prevede, invece della singolarità, un imbuto verso un altro ramo dello spazio-tempo.
Quando una stella massiccia esplode in supernova giungendo alla fine della sua vita, collassa in buco nero, un misterioso oggetto definito da un orizzonte degli eventi, che intrappola tutto ciò che gli capita a tiro, inclusa la luce. Secondo la Teoria della Relatività Generale di Einstein, una volta che un oggetto cade all’interno all’orizzonte degli eventi, va a finire al centro del buco nero in una “singolarità”, venendo totalmente distrutto. In quel punto l’attrazione gravitazionale è infinita e tutte le leggi note della fisica non funzionano più. I fisici teorici hanno discusso a lungo per capire se le singolarità esistano davvero, attraverso complicate equazioni matematiche. Ora Parampreet Singh, Javier Olmedo e Abhay Ashtekar della Penn State hanno sviluppato nuove equazioni che vanno al di là della Relatività Generale di Einstein, sorpassando la sua limitazione fondamentale, la singolarità centrale dei buchi neri. Lo studio è pubblicato su Physical Review Letters.
Negli anni ’90 scienziati avevano sviluppato una teoria chiamata gravità quantistica a loop, che coniuga le leggi della meccanica quantistica con la gravità. Le nuove equazioni del team descrivono i buchi neri in questo ambito, dimostrando che la singolarità del buco nero non esiste. “Nella teoria di Einstein, lo spazio-tempo può essere diviso fino a diventare piccolo quanto si vuole. Questo è essenzialmente il motivo per cui nella singolarità il campo gravitazionale diventa infinito. Nella gravità quantistica a loop la fabbrica dello spazio-tempo ha una struttura “a tessera”, che non può essere suddivisa oltre la tessera più piccola. I miei colleghi e io abbiamo dimostrato che questo avviene all’interno dei buchi neri, e pertanto non c’è singolarità”, spiega Singh. Invece della singolarità, la teoria prevede un passaggio a un altro ramo dello spazio-tempo. “Queste unità geometriche simili a tessere, chiamate eccitazioni quantistiche, in grado di risolvere la questione della singolarità, sono ordini di magnitudine più piccole di ciò che possiamo rilevare con l’attuale tecnologia, ma noi abbiamo precise equazioni matematiche che prevedono questo comportamento”, spiega Ashtekar.
La teoria di Einstein fallisce non solo al centro dei buchi neri, ma anche nello spiegare come si sia formato l’universo dalla singolarità del Big Bang. Un decennio fa Ashtekar, Singh e altri collaboratori iniziarono a estendere la fisica al di là del Big Bang, e a fare nuove previsioni utilizzando la gravità quantistica a loop. Grazie a equazioni matematiche e tecniche computazionali, dimostrarono che il Big Bang può essere sostituito dal Big Bounce, secondo cui il cosmo attraverserebbe, alternativamente, periodi di espansione e contrazione. In pratica il nostro Universo sarebbe nato in seguito alla contrazione di un Universo precedente, un processo che potrebbe ripetersi ciclicamente. Ma il problema di superare la singolarità del buco nero si era rivelato eccezionalmente complesso.
Secondo la Relatività Generale, al centro di un buco nero la gravità diviene infinita, tanto che ogni cosa che ricade all’interno, compresa l’informazione, viene perduta. Questo ha portato al celebre “paradosso dell’informazione”, su cui i fisici teorici dibattono da oltre 40 anni. Tuttavia le correzioni quantistiche della gravità quantistica a loop prevedono una forza repulsiva che può sopraffare persino l’azione più forte della gravità classica: così la fisica continuerebbe a funzionare e non ci sarebbe perdita di informazione al centro di un buco nero.
È interessante notare che, anche se la gravità quantistica a loop continua ad essere efficace laddove cessa di funzionare la Relatività Generale, le sue previsioni coincidono con quelle della Relatività piuttosto precisamente in circostanze meno estreme. “Una serie di ricercatori ha esplorato nell’ultimo decennio la natura quantistica della singolarità del buco nero, ma ha prevalso la singolarità oppure i meccanismi che l’hanno risolta si sono portati dietro effetti innaturali. Il nostro lavoro è libero da tutte queste limitazioni”, conclude Singh.
[ Barbara Bubbi ]
Rappresentazione artistica degli effetti della gravità quantistica a loop in un buco nero.
https://eurekalert.org/pub_releases/2018-12/lsu-be122018.php
http://science.psu.edu/news-and-events/2018-news/Ashtekar12-2018
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