Un recente articolo di Stephen Hawking ha suscitato grande scalpore, portando persino Nature News a dichiarare che non ci sono buchi neri. Come ho scritto in un post precedente, non è proprio quello che Hawking affermava. Ma ora è chiaro che l'affermazione di Hawking sui buchi neri è sbagliata perché il paradosso che cerca di affrontare non è un paradosso dopo tutto.
Tutto si riduce a quello che è noto come il paradosso del firewall per i buchi neri. La caratteristica centrale di un buco nero è il suo orizzonte degli eventi. L'orizzonte degli eventi di un buco nero è sostanzialmente il punto di non ritorno quando ci si avvicina a un buco nero. Nella teoria della relatività generale di Einstein, l'orizzonte degli eventi è dove lo spazio e il tempo sono così deformati dalla gravità che non puoi mai sfuggire. Attraversa l'orizzonte degli eventi e rimani intrappolato per sempre.
Questa natura a senso unico di un orizzonte degli eventi è stata a lungo una sfida per comprendere la fisica gravitazionale. Ad esempio, un orizzonte degli eventi del buco nero sembrerebbe violare le leggi della termodinamica. Uno dei principi della termodinamica è che nulla dovrebbe avere una temperatura di zero assoluto. Anche le cose molto fredde irradiano un po 'di calore, ma se un buco nero intrappola la luce, non emette alcun calore. Quindi un buco nero avrebbe una temperatura pari a zero, il che non dovrebbe essere possibile.
Quindi nel 1974 Stephen Hawking dimostrò che i buchi neri irradiano luce a causa della meccanica quantistica. Nella teoria quantistica ci sono limiti a ciò che si può sapere su un oggetto. Ad esempio, non puoi conoscere l'energia esatta di un oggetto. A causa di questa incertezza, l'energia di un sistema può fluttuare spontaneamente, purché la sua media rimanga costante. Ciò che Hawking ha dimostrato è che vicino all'orizzonte degli eventi di un buco nero possono apparire coppie di particelle, in cui una particella rimane intrappolata all'interno dell'orizzonte degli eventi (riducendo leggermente la massa dei buchi neri) mentre l'altra può sfuggire come radiazione (portando via un po 'di energia del buco nero).
Mentre la radiazione Hawking ha risolto un problema con i buchi neri, ha creato un altro problema noto come paradosso del firewall. Quando le particelle quantistiche appaiono in coppia, sono intrecciate, nel senso che sono collegate in modo quantico. Se una particella viene catturata dal buco nero e l'altra fugge, la natura intricata della coppia viene spezzata. Nella meccanica quantistica, diremmo che la coppia di particelle appare allo stato puro e l'orizzonte degli eventi sembrerebbe spezzare quello stato.
L'anno scorso è stato dimostrato che se la radiazione di Hawking è allo stato puro, allora non può irradiarsi nel modo richiesto dalla termodinamica, o creerebbe un firewall di particelle ad alta energia vicino alla superficie dell'orizzonte degli eventi. Questo è spesso chiamato paradosso del firewall perché, secondo la relatività generale, se ti trovi vicino all'orizzonte degli eventi di un buco nero non dovresti notare nulla di insolito. L'idea fondamentale della relatività generale (il principio di equivalenza) richiede che se cadi liberamente vicino all'orizzonte degli eventi non ci dovrebbe essere un firewall infuriato di particelle ad alta energia. Nel suo articolo, Hawking ha proposto una soluzione a questo paradosso proponendo che i buchi neri non abbiano orizzonti di eventi. Invece hanno orizzonti apparenti che non richiedono un firewall per obbedire alla termodinamica. Da qui la dichiarazione di "niente più buchi neri" nella stampa popolare.
Ma il paradosso del firewall sorge solo se le radiazioni Hawking sono allo stato puro e un documento del mese scorso di Sabine Hossenfelder mostra che le radiazioni Hawking non sono allo stato puro. Nel suo articolo, Hossenfelder mostra che invece di essere dovuta a una coppia di particelle intrecciate, la radiazione Hawking è dovuta a due coppie di particelle intrecciate. Una coppia impigliata viene intrappolata dal buco nero, mentre l'altra coppia impigliata fugge. Il processo è simile alla proposta originale di Hawking, ma le particelle di Hawking non sono allo stato puro.
Quindi non c'è paradosso. I buchi neri possono irradiarsi in un modo che concorda con la termodinamica e la regione vicino all'orizzonte degli eventi non ha un firewall, proprio come richiede la relatività generale. Quindi la proposta di Hawking è una soluzione a un problema che non esiste.
Quello che ho presentato qui è una panoramica molto approssimativa della situazione. Ho esaminato alcuni degli aspetti più sottili. Per una panoramica più dettagliata (e straordinariamente chiara), dai un'occhiata al post di Ethan Seigel sul suo blog Inizia con un botto! Dai un'occhiata anche al post sul blog di Sabine Hossenfelder, Back Reaction, in cui parla lei stessa del problema.
