Quando un buco nero incontra la meccanica quantistica si scopre che non è più così nero. Emette una debole radiazione che pian piano lo consuma. Il buco nero evapora.
Il vuoto in cui il buco nero è immerso, grazie alla meccanica quantistica, acquista vita: è tutto un ribollire di particelle virtuali che si creano e annichilano a velocità altissime. La formazione dell’orizzonte degli eventi riesce a separare particella e antiparticella che non riescono a ricongiungersi: una rimane intrappolata nel buco nero e viene perduta, mentre l’altra sfugge e ci appare come radiazione emessa dal buco nero.
“I buchi neri ci dicono che non solo Dio giocava a dadi, ma che a volte li getta dove non possiamo vederli.”
Questa frase di Stephen Hawking, che parte dalla più famosa di Einstein sulla mai accettata meccanica quantistica “Dio non gioca a dadi”, racchiude tutta la vertigine e lo sbigottimento per questo risultato, assieme ad una buona dose di ironia.
Ed è stato proprio lui, Hawking, ad avere previsto questo effetto per primo, e da allora quello che è stato chiamato “effetto Hawking” è uno dei risultati più sorprendenti e controversi, più dibattuti e allo stesso tempo straordinariamente solidi della fisica teorica. Resiste da 40 anni nonostante sia stato da subito bersaglio di critiche e dubbi, e nonostante da allora ancora non sia stato mai osservato, perchè troppo debole. Non è mai stato osservato e probabilmente non lo sarà mai, almeno non in buchi neri cosmologici. Si tratta di un effetto scandalosamente piccolo che viene coperto senza speranza dalla radiazione cosmica di fondo che permea tutto il cosmo.
Hawking è probabilmente lo scienziato moderno più famoso, anche perchè affetto da una malattia degenerativa che, stando al parere dei medici, lo avrebbe dovuto portare alla morte entro i 25 anni. Ora di anni ne ha 72, è totalmente immobilizzato su una sedia a rotelle e da anni comunica solo attraverso uno speciale congegno, messo a punto apposta per lui, in grado di leggere i movimenti del sopracciglio e associarli ai tasti di un computer. Un semplice saluto può durare molto tempo, una conversazione con lui può impiegare ore e ore.
Ma sarebbe fargli torto ritenere la sua malattia responsabile della sua celebrità: i suoi meriti scientifici sono all’altezza della sua fama. Anche senza riscontro sperimentale l’effetto Hawking attualmente è considerato un punto fondamentale e irrinunciabile per qualunque teoria che abbia l’ambizione di descrivere lo spazio-tempo oltre la Relatività generale.
Hawking non ha vinto il Nobel perchè per l’assegnazione sono necessarie solide osservazioni sperimentalli a conferma della teoria.
Più il buco nero è grosso e più lentamente si consuma. Più piccoli sono e più sono instabili e emettono grandi quantità di energia che li consuma molto velocemente.
In genere i buchi neri si formano per collasso gravitazionale di stelle abbastanza massive (almeno tre messe solari). In condizioni estreme come quelle del Big Bang possono essersi formati mini buchi neri, i quali però sarebbero ormai totalmente evaporati. Qualche teoria prevede che potrebbero formarsi anche nelle collisioni indotte negli acceleratori di particelle come l’LHC di Ginevra. Se ne è parlato a lungo con toni apocalittici alcuni anni fa alla vigilia dell’accensione del super-acceleratore. In pratica per l’enorme energia dello scontro le due particelle arriverebbero talmente vicine da finire oltre l’orizzonte degli eventi a loro associato. A parte che dubito che le energie dell’LHC siano in grado di far formare micro buchi neri, in ogni caso ogni preoccupazione di venire risucchiati da questi oggetti è totalmente infondata. Essi sarebbero molto instabili ed evaporerebbero in tempi brevissimi.
Alla stessa maniera mini buchi neri si dovrebbero formare ed evaporare continuamente nei raggi cosmici, dove collisioni tra particelle ad altissima energia sono continue.
Altra previsione in attesa di verifica sperimentale sono le onde gravitazionali. La Relatività generale prevede che masse in movimento siano in grado di emettere onde gravitazionali: piccole increspature dello spazio-tempo.
Hanno in realtà avuto una conferma indiretta. Registrando i movimenti di un sistema binario di stelle a neutroni per 20 anni, Russel Hulse e Joseph Taylor hanno verificato che la perdita di energia osservata è perfettamente compatibile con l’emissione di onde gravitazionali attesa. Hanno ottenuto il premio Nobel nel 1993.
Ma si aspetta la prova diretta, e a questo scopo sono stati progettati e creati laboratori fantascientifici con strumenti in grado di registrare oscillazioni di una parte su 1022 (1 seguito da 22 zeri). Attualmente questa la più elevata sensibilità di rilevazione, ed è quella fornita dal rilevatore LIGO installato dall’Università della California. Altri osservano l’interferenza tra laser riflessi, altri ancora utilizzano tecniche di ultracriogenica: NAUTILUS è raffreddato alla temperatura di 0.15 Kelvin sopra lo zero assoluto, una temperatura record per masse così grandi. Forse rimarrete sorpresi di sapere che è in funzione dal 1995 presso i Laboratori INFN di Frascati, Italia.
Tutti in attesa di un’esplosione, una supernova abbastanza vicina da inondarci di minuscole increspature dello spazio-tempo, così da poter oscillare, tutti assieme, e tutti assieme spartirsi il merito della scoperta e il successivo Nobel. Siccome l’evento non dipende soltanto dalla loro bravura ma da un evento esterno, hanno concordato di sospendere le rilevazioni tutti assieme per le ristrutturazioni periodiche per non affidare alla sola fortuna l’ottenimento di questo riconscimento che li consegnerebbe alla storia.
Al momento sono gli strumenti più sensibili mai costruiti, in perenne ascolto del silenzio più assoluto. Affascinante.
Un po’ frustrante.
A me fanno pensare all’ufficiale Drogo de Il deserto dei tartari di Buzzati, tutta una vita in attesa dell’arrivo dei nemici alla Fortezza Bastiani. Sperando che non siano piuttosto i personaggi di Beckett che aspettano Godot.
In ambito cosmologico siamo da oltre un decennio nel mezzo di un vero e proprio boom di osservazioni e dati da analizzare e interpretare, provenienti da nuovi telescopi a terra e nello spazio. Un’importante branca della ricerca riguarda lo studio delle disomogeneità della radiazione cosmica di fondo per cercare di ricostruire la genesi delle strutture cosmologiche (galassie, ammassi, cluster).
Si scandagliano poi i più profondi recessi del cosmo, in una sorta di macchina del tempo: più si osserva lontano più quello che si vede è lontano anche nel tempo. La luce impiega miliardi di anni per attraversare il cosmo. Si è arrivati a fotografare l’universo appena nato, dopo quanche migliaio di anni dopo il Big Bang. Se vi sembrano tanti pensate che si stima che l’Universo abbia circa 14 miliardi di anni.
La Relatività generale gode di ottima salute, ma tutti sanno che andrà superata.
Le galassie pare non si muovano come dovrebbero stando alle previsioni. Sembra manchi materia all’appello. Una enorme quantità di materia, stando alle stime circa l’80% del totale, sarebbe invisibile, buia. Qualcuno pensa di risolvere questo problema aggiungendo questa materia oscura al computo generale. Altri invece propongono di modificare le equazioni di Einstein su distanze cosmologiche lasciando invariato il contributo di materia.
In realtà potrebbero essere corrette entrambe le ipotesi.
Infine la gravità finora è stata l’unica delle interazioni fondamentali a non essere stata quantizzata. Questa refrattarietà alla quantizzazione è uno dei problemi aperti più vasti e complessi per la fisica teorica. La teoria delle stringhe da decenni si pone come possibile soluzione al problema, ipotizzando che lo spazio-tempo su distanze piccolissime non sia continuo, ma popolato da strighette che vibrano. Tuttavia le immense complicazioni di ordine matematico l’hanno fatta avviluppare su se stessa e ad oggi è più che altro una branca della matematica e largamente incompiuta.
Tanto rimane ancora da spiegare, tante le domande cui dare risposta nei prossimi decenni.
E questo è un sintomo di buona salute generale.
E così si conclude questa passeggiata nella Relatività generale, a quasi un secolo dalla sua nascita, che ci ha accompagnato nella scoperta della gravità. La prima forza ad essere descritta, la più debole, la meno conosciuta.
Probabilmente anche quella con maggior potere evocativo:
In rotta per Aldebaran
la vedetta gridò:
– Capitano, un uomo in cielo! –
L’astronave si fermò.
Fu ripescato il naufrago:
era una giovane idraulico
di Paderno Dugnano,
caduto all’insù
dal balcone del terzo piano
in una notte di luna
per il peso della testa
troppo gonfia di sogni.
Gli facemmo gran festa,
rispose a ogni domanda.
Dopo cena il nostromo
gli cedette la sua branda.
Gianni Rodari
“Un uomo in cielo”
Filastrocche in cielo e in terra
