I buchi neri sono tra i luoghi più misteriosi dell'universo; luoghi in cui il tessuto stesso dello spazio e del tempo sono deformati così gravemente che nemmeno la luce può sfuggire da essi. Secondo la teoria della relatività generale di Einstein, al loro centro si trova una singolarità, un luogo in cui la massa di molte stelle è schiacciata in un volume di dimensioni esattamente zero. Tuttavia, due recenti articoli di fisica, pubblicati il 10 dicembre sulle riviste Physical Review Letters e Physical Review D, potrebbero far riconsiderare gli scienziati su ciò che pensiamo di sapere sui buchi neri. I buchi neri potrebbero non durare per sempre, ed è possibile che abbiamo frainteso completamente la loro natura e il loro aspetto al centro, secondo i documenti.
Il limite della fisica di Einstein
Astronomi e fisici hanno a lungo sostenuto che l'idea di una singolarità debba semplicemente essere sbagliata. Se un oggetto con massa non ha dimensioni, ha una densità infinita. E, per quanto i ricercatori lancino la parola "infinito", infiniti di quel tipo non esistono in natura. Invece, quando incontri un infinito in una situazione reale, fisica, scientifica, ciò che significa veramente è che hai spinto la tua matematica oltre il regno in cui si applicano. Hai bisogno di nuova matematica.
È facile fare un esempio familiare di questo. La legge di gravità di Newton afferma che la forza dell'attrazione gravitazionale cambia come una sopra la distanza quadrata tra due oggetti. Quindi se prendessi una palla situata lontano dalla Terra, subirebbe un certo peso. Quindi, quando l'avrai avvicinato alla Terra, il peso aumenterebbe. Portando quell'equazione all'estremo, mentre avvicinavi l'oggetto al centro della Terra, sperimenterebbe una forza infinita. Ma non lo fa.
Invece, quando avvicini l'oggetto alla superficie della Terra, la semplice legge di gravità di Newton non si applica più. Devi prendere in considerazione l'effettiva distribuzione della massa terrestre e questo significa che devi usare equazioni diverse e più complesse che prevedono comportamenti diversi. Allo stesso modo, mentre la teoria della relatività generale di Einstein prevede che al centro dei buchi neri esiste una singolarità di densità infinita, ciò non può essere vero. A dimensioni molto ridotte, deve entrare in gioco una nuova teoria della gravità. Abbiamo un nome generico per questa nuova teoria: si chiama gravità quantistica.
Il nome gravità quantistica significa semplicemente "gravità alle scale più piccole", ma la frase non implica una teoria specifica. Tuttavia, sono state fatte specifiche proposte teoriche che descrivono la gravità così com'è nel microcosmo. Una proposta si chiama gravità quantistica ad anello.
La gravità quantistica del loop è ben definita matematicamente ed esprime il tessuto dello spazio-tempo come un reticolo di reti di spin, che si evolvono nel tempo. Le reti di spin sono solo una formulazione matematica che descrive il modo in cui particelle e campi interagiscono. Da un punto di vista più pratico, la gravità quantistica ad anello prevede che lo spazio-tempo sia quantizzato, con un'unità o un pezzo più piccolo possibile di spazio e tempo, oltre il quale lo spazio-tempo non può essere ulteriormente suddiviso.
La gravità quantistica del loop è una teoria matematica difficile che ha resistito alla realizzazione di previsioni verificabili all'interno dei buchi neri. Tuttavia, Abhay Ashtekar e Javier Olmedo della Pennsylvania State University e Parampreet Singh della Louisiana State University hanno applicato la gravità quantistica ad anello al centro dei buchi neri. Sostengono che il risultato non è una singolarità.
Il loro calcolo prevede che lo spazio-tempo sia curvo molto fortemente vicino al centro del buco nero. Il risultato è che lo spazio-tempo continua in una regione in futuro che ha la struttura di un buco bianco. Un buco bianco è come un buco nero al contrario, il che significa che a differenza di un buco nero, che attira la materia, un buco bianco espelle la materia.
C'è forse un altro modo per immaginare ciò che prevedono. È risaputo che nei forti campi gravitazionali il tempo rallenta. E i buchi neri contengono i campi gravitazionali più forti dell'universo. Per questo motivo, una possibile interpretazione di questo nuovo lavoro è che la materia cade in un buco nero e poi "rimbalza", sparando alla massa attraverso il cosmo. Poiché il tempo è così lento vicino al centro di un buco nero, quel processo richiede semplicemente un'enorme quantità di tempo. Se i ricercatori hanno ragione, in un futuro molto lontano, dove ora ci sono buchi neri, la materia esploderà, diffondendo la materia in tutto il cosmo.
Come sempre nella scienza teorica, ci sono molte idee interessanti e provocatorie che non sono vere, e questa potrebbe essere una di queste. Quindi è importante vedere se esiste un supporto sperimentale per idee teoriche come queste.
Ci sono alcune possibilità Gli scienziati hanno osservato fenomeni di energia molto elevata nello spazio che non sono stati completamente spiegati. Uno è l'esistenza di raggi cosmici ad altissima energia che colpiscono l'atmosfera terrestre. Un altro è quello che vengono chiamati "scoppi radio veloci", ovvero quando si osserva una grande quantità di energia radio in un tempo molto breve. Entrambi questi fenomeni potrebbero, almeno in linea di principio, essere la firma di un buco nero che passa a un buco bianco.
È certamente prematuro accettare questa nuova interessante idea. Invece, sarebbe prudente vedere come si svolgono i calcoli in corso utilizzando la gravità quantistica del loop. Se le previsioni migliorano e iniziano ad assomigliare ad alcuni dei fenomeni astronomici osservati inspiegabili, potrebbe essere che questo nuovo risultato spiegherà sia il funzionamento della gravità quantistica sia rimodellerà la nostra comprensione sia del passato che del futuro del nostro universo.
Don Lincoln è un ricercatore di fisica presso Fermilab. È autore di "The Large Hadron Collider: la straordinaria storia del bosone di Higgs e altre cose che ti lasceranno a bocca aperta"(Johns Hopkins University Press, 2014), e produce una serie di educazione scientifica video. Seguilo su Facebook. Le opinioni espresse in questo commento sono le sue.
Don Lincoln ha contribuito con questo articolo a Live Science Voci di esperti: Op-Ed e approfondimenti.
