Il dott. Stephen Hawking ha presentato una teoria inquietante nel 1974 secondo cui i buchi neri evaporano. Ora, 40 anni dopo, un ricercatore ha annunciato la creazione di una simulazione della radiazione Hawking in un ambiente di laboratorio.
La possibilità di un buco nero venne dalla teoria della relatività generale di Einstein. Karl Schwarzchild nel 1916 fu il primo a rendersi conto della possibilità di una singolarità gravitazionale con un confine che la circonda a cui la luce o la materia che entrano non possono sfuggire.
Questo mese, Jeff Steinhauer del Technion - Israel Institute of Technology, descrive nel suo articolo, "Osservazione della radiazione Hawking auto-amplificante in un laser analogico buco nero" sulla rivista Nature, come ha creato un orizzonte degli eventi analogico usando una sostanza raffreddato quasi allo zero assoluto e l'utilizzo di laser è stato in grado di rilevare l'emissione di radiazioni Hawking. Potrebbe essere questa la prima prova valida dell'esistenza delle radiazioni di Hawking e di conseguenza sigillare il destino di tutti i buchi neri?
Questo non è il primo tentativo di creare un analogo della radiazione Hawking in un laboratorio. Nel 2010, è stato creato un analogo da un blocco di vetro, un laser, specchi e un rivelatore freddo (Phys. Rev. Letter, settembre 2010); nessun fumo accompagnava gli specchi. L'impulso ultra-corto di intensa luce laser che attraversa il vetro ha indotto una perturbazione dell'indice di rifrazione (RIP) che ha funzionato come un orizzonte degli eventi. La luce è stata vista emettere dal PIR. Tuttavia, i risultati di F. Belgiorno et al. rimanere controverso. Altri esperimenti erano ancora garantiti.
L'ultimo tentativo di replicare le radiazioni Hawking di Steinhauer ha un approccio più tecnologico. Crea un condensato di Bose-Einstein, uno stato esotico della materia a temperatura zero assoluta molto vicina. I confini creati all'interno della condensa funzionavano come un orizzonte degli eventi. Tuttavia, prima di entrare in ulteriori dettagli, facciamo un passo indietro e consideriamo ciò che Steinhauer e altri stanno cercando di replicare.
La ricetta per produrre la radiazione Hawking inizia con un buco nero. Sarà adatto a qualsiasi dimensione del buco nero. La teoria di Hawking afferma che i buchi neri più piccoli si irradieranno più rapidamente di quelli più grandi e in assenza della materia che cade in essi - l'accrescimento, "evaporerà" molto più velocemente. I buchi neri giganti possono impiegare più di un milione di volte l'attuale età dell'Universo ad evaporare per mezzo della radiazione Hawking. Come un pneumatico con una perdita lenta, la maggior parte dei buchi neri ti porta alla stazione di riparazione più vicina.
Quindi hai un buco nero. Ha un orizzonte degli eventi. Questo orizzonte è anche noto come raggio di Schwarzchild; la luce o la materia che si verificano nell'orizzonte degli eventi non possono mai essere verificate. Almeno così questa era la comprensione accettata fino a quando la teoria del dottor Hawking non l'ha ribaltata. E fuori dall'orizzonte degli eventi c'è lo spazio ordinario con alcuni avvertimenti; consideralo con alcune spezie aggiunte. All'orizzonte degli eventi la forza di gravità dal buco nero è così estrema che induce e ingrandisce gli effetti quantistici.
Tutto lo spazio - dentro di noi e che ci circonda fino alle estremità dell'Universo include un vuoto quantico. Ovunque nel vuoto quantico dello spazio, le coppie di particelle virtuali appaiono e scompaiono; immediatamente annientandosi a vicenda su scale temporali estremamente brevi. Con le condizioni estreme all'orizzonte degli eventi, si stanno materializzando coppie di particelle virtuali e anti-particelle, come un elettrone e un positrone. Quelli che appaiono abbastanza vicini a un orizzonte degli eventi possono avere l'una o l'altra particella virtuale incastrata dalla gravità dei buchi neri lasciando solo una particella che di conseguenza è ora libera di aggiungere alla radiazione che emana intorno al buco nero; la radiazione che nel suo insieme è ciò che gli astronomi possono usare per rilevare la presenza di un buco nero ma non osservarlo direttamente. È il Disaccoppiare di particelle virtuali dal buco nero al suo orizzonte degli eventi che provoca la radiazione Hawking che da sola rappresenta una perdita netta di massa dal buco nero.
Quindi perché gli astronomi non cercano solo nello spazio le radiazioni Hawking? Il problema è che la radiazione è molto debole ed è sopraffatta dalle radiazioni prodotte da molti altri processi fisici che circondano il buco nero con un disco di accrescimento. La radiazione viene soffocata dal coro dei processi energetici. Quindi la possibilità più immediata è replicare la radiazione di Hawking usando un analogo. Mentre la radiazione di Hawking è debole rispetto alla massa e all'energia di un buco nero, la radiazione ha essenzialmente tutto il tempo nell'Universo per sgretolarsi sul suo corpo genitore.
È qui che la convergenza della crescente comprensione dei buchi neri ha portato al lavoro fondamentale del Dr. Hawking. I teorici, incluso Hawking, si resero conto che, nonostante la teoria quantistica e gravitazionale necessaria per descrivere un buco nero, anche i buchi neri si comportano come corpi neri. Sono governati dalla termodinamica e sono schiavi dell'entropia. La produzione di radiazioni Hawking può essere caratterizzata come un processo termodinamico e questo è ciò che ci riporta agli sperimentatori. Altri processi termodinamici potrebbero essere utilizzati per replicare l'emissione di questo tipo di radiazione.
Usando il condensato di Bose-Einstein in una nave, Steinhauer diresse i raggi laser nella delicata condensa per creare un orizzonte degli eventi. Inoltre, il suo esperimento crea onde sonore che rimangono intrappolate tra due confini che definiscono l'orizzonte degli eventi. Steinhauer ha scoperto che le onde sonore nel suo orizzonte degli eventi analogici sono state amplificate come accade alla luce in una comune cavità laser ma anche come previsto dalla teoria dei buchi neri del Dr. Hawking. La luce fuoriesce dal laser presente all'orizzonte degli eventi analogici. Steinhauer spiega che questa luce che fuoriesce rappresenta la radiazione Hawking a lungo cercata.
La pubblicazione di questo lavoro su Nature è stata accettata da una considerevole revisione tra pari, ma questo da solo non convalida le sue scoperte. Il lavoro di Steinhauer ora resisterà a un controllo ancora maggiore. Altri tenteranno di duplicare il suo lavoro. La sua configurazione di laboratorio è un analogo e resta da verificare che ciò che sta osservando rappresenti veramente la radiazione Hawking.
Riferimenti:
"Osservazione della radiazione Hawking autoamplificante in un laser analogico buco nero", Nature Physics, 12 ottobre 2014
"Hawking Radiation from Ultrashort Laser Pulse Filaments", F. Belgiorno, et al., Phys. Lettera, settembre 2010
"Esplosioni del buco nero?", S. W. Hawking, et al., Natura, 01 marzo 1974
“The Quantum Mechanics of Black Holes”, S. Hawking, Scientific American, gennaio 1977
