I buchi neri scompaiono, è un problema?

Hawking ha predetto che ogni buco nero è destinato a scomparire, questo crea un paradosso: il paradosso dell'informazione.

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I buchi neri sono oggetti tanto affascinanti quanto studiati, e molte scoperte li hanno fatti balzare in prima pagina su tutti i giornali del mondo, come accaduto quasi due anni fa con la prima immagine dell'orizzonte degli eventi di un buco nero. Uno dei più interessanti misteri irrisolti sui buchi neri è il paradosso dell'informazione, che occupa un posto centrale nella ricerca da circa quarant'anni, ma che non ha mai avuto forse l'attenzione che merita dalla stampa generalista.

Novalis, un poeta e filosofo esponente del romanticismo tedesco, definiva così i paradossi: Il filosofo vive di problemi come l'uomo di cibi. Un problema insolubile è un cibo indigesto. Quello che nei cibi è il condimento piccante, nei problemi è il paradosso. Se vogliamo però una definizione più tangibile e vicina all'argomento di questo articolo, si parla di "paradosso" in fisica quando incontriamo un' apparente contraddizione tra due affermazioni ritenute vere e coerenti dal punto di vista teorico.
Talvolta, in fisica, viene attribuito il nome "paradosso" anche a fenomeni che risultano contro intuitivi ma che hanno una solida spiegazione, come il paradosso dei gemelli, che è completamente giustificato dalla teoria della relatività. Il paradosso dell'informazione è invece del primo tipo, ovvero è dovuto a due affermazioni contradditorie, ma entrambe valide secondo la teoria moderna.

Informazione quantistica

Prima di venire al dilemma generante il paradosso dobbiamo però chiarire che l'informazione di cui stiamo parlando è la cosiddetta informazione quantistica. Questa è un concetto particolarmente complesso, ma, con qualche semplificazione, possiamo definire l'informazione quantistica di un sistema come l'insieme delle proprietà quantistiche di tutte le particelle che compongono il sistema stesso.
Per essere più chiari, nell'universo qualsiasi corpo è composto da particelle, ed ognuna di esse è descritta da un certo numero di proprietà quantistiche, come massa, carica, spin e molte altre ancora; l'informazione quantistica di un sistema è l'insieme di tali proprietà.
Se fossimo in grado di conoscere tutte queste proprietà, per tutte le particelle esistenti nell'universo, saremmo in grado di descrivere completamente lo stato attuale (e futuro, usando le equazioni del moto) dell'universo. Questo, per molte ragioni, è fisicamente impossibile.

La prima è sicuramente pratica: si stima che nell'universo osservabile (quindi una porzione finita dell'universo), siano presenti 1080 particelle. Se consideriamo poi che ogni atomo è formato da protoni, elettroni, neutroni il conteggio aumenta notevolmente, e non stiamo neanche contando tutte le particelle! Un'altra ragione è legata invece al noto principio di indeterminazione di Heisenberg, che impedisce di misurare con precisione arbitraria posizione e quantità di moto di una particella.
Nonostante non siamo in grado di descrivere completamente l'informazione quantistica dell'universo, ma neanche di una particella, una delle leggi fondamentali della fisica ci fornisce un po' di serenità. La conservazione dell'informazione quantistica, infatti, afferma che la quantità totale di informazione dell'universo si conserva, resta uguale. Se però mettiamo in gioco i buchi neri, il paradosso si manifesta.

Il paradosso dell'informazione

Negli anni '70, un appena trentenne Stephen Hawking pubblicava un articolo dal nome "Particle creation by black holes", scoprendo un fenomeno che avrebbe poi ereditato il suo nome, la radiazione di Hawking. I buchi neri, infatti, non sono completamente bui, ma emettono una tenue luce, un'emissione termica: la radiazione di Hawking appunto. Questa radiazione è estremamente sottile, molti ordini di grandezza più bassa della radiazione cosmica di fondo (la radiazione che permea l'universo, ritenuta una conseguenza del Big Bang) e, in 50 anni di ricerca dedicata, non è mai stata rilevata.
Tuttavia, in un periodo sufficientemente lungo ogni buco nero è destinato a scomparire, poiché, a causa della radiazione di Hawking, perde gradualmente energia, che sappiamo essere legata alla massa del corpo grazie alla teoria della relatività e alla celebre formula E=mc2.

La scomparsa di un buco nero non è un problema, l'informazione relativa ad esso potrebbe semplicemente cambiare forma, come quando un oggetto prende fuoco. Sorprendentemente però, la radiazione di Hawking sembra non essere correlata all'informazione che il buco nero codifica.
Immaginate quindi di lanciare una mela in un buco nero: cosa succede alla mela è un altro mistero, ma, dal punto di vista di un osservatore esterno, questa è come se si "incollasse alla superficie", e l'informazione relativa alla mela va dunque a far parte di quella del buco nero.

Tuttavia, la radiazione di Hawking del nostro buco nero non aumenta in maniera proporzionale all'incremento complessivo di informazione, e, quando il buco nero scomparirà, parte dell'informazione relativa alla mela sarà svanita, in quanto "non facente parte della radiazione di Hawking". Ecco quindi il paradosso.

Richard Feynman, sui paradossi, affermava: "Ovviamente, in fisica non può esistere un paradosso vero e proprio, poiché deve esserci solo una risposta corretta; almeno noi crediamo che la natura agisca in una sola forma (e che dunque questa sia la risposta giusta). In fisica, quindi, un paradosso è solamente il risultato di una nostra incomprensione".
Qual è quindi il problema nel nostro ragionamento? Ad oggi, non ci sono soluzioni globalmente accettate per risolvere quest'impasse, ma ci sono molte teorie su quali possano essere i problemi generanti dal paradosso.

Una delle più quotate indica che dovremmo guardare anche all'interno del buco nero quando calcoliamo la radiazione uscente, e non preoccuparci solo dello spazio esterno. Infatti, una serie di recenti sviluppi ha dimostrato che, durante l'evaporazione del buco nero, la regione interna accumula informazione relativa alla radiazione uscente in quantità non trascurabile, e, quindi, guardare solamente all'esterno del buco nero è insufficiente.

Tuttavia, come affermato da Juan Maldacena in un report su Nature, due fondamentali domande sono ancora irrisolte: cosa possiamo dire sull'osservatore che cade nella singolarità? Come descriviamo la fisica in quella regione? Molto probabilmente la risposta ad una di queste domande potrà risolvere il paradosso dell'informazione, quel che è certo è che i buchi neri hanno ancora tanto da raccontarci, e sono destinati ad essere al centro della ricerca ancora per molti anni.