La Radiazione di Hawking riprodotta in laboratorio

Gli scienziati sono giunti più vicini che mai alla creazione di un’imitazione di laboratorio di un buco nero che emette la radiazione di Hawking, le particelle che si presuppone sfuggano i buchi neri a causa degli effetti meccanici di un quantum.

L’analogo del buco nero, è stato intrappolato grazie a onde sonore usando un fluido ultra freddo. Tale ricerca potrebbe un giorno aiutare risolvere il cosiddetto buco nero ‘paradosso di informazioni’, o meglio a rispondere alla domanda: se le informazioni che cadono in un buco nero scompaiono per sempre.

Il fisico Stephen Hawking ha sbalordito i cosmologi 40 anni fa, quando ha annunciato che i buchi neri non sono totalmente neri, calcolando che una piccola quantità di radiazioni sarebbe in grado di sfuggire l’attrazione di un buco nero. Ciò ha sollevato l’allettante questione se le informazioni potessero sfuggire, sarebbero codificate all’interno della radiazione?

La radiazione di Hawking si basa su un principio di base della teoria quantistica, grandi fluttuazioni di energia possono verificarsi per brevi momenti di tempo. Ciò significa che il vuoto dello spazio non è vuoto ma ribolle con particelle e gli equivalenti di antimateria. Coppie di particella-antiparticella scoppiano continuamente durante la loro esistenza, solo per poi annichilirsi nell’altro. Ma qualcosa di speciale si verifica quando coppie di particelle emergono in prossimità dell’orizzonte degli eventi – il confine tra un buco nero, la cui gravità è così forte che deforma lo spazio-tempo, e il resto dell’Universo. La coppia particella-antiparticella si separa, e il membro della coppia più vicina all’orizzonte degli eventi cade nel buco nero, mentre l’altro scappa.

La radiazione di Hawking, è il risultato di tentativi di combinare la teoria quantistica con la relatività generale, comprende queste particelle in fuga, ma i fisici devono ancora rilevare che venga emessa da un buco nero astrofisico. Un altro modo per testare la teoria di Hawking sarebbe quello di simulare un orizzonte degli eventi in laboratorio.

A tal fine, Jeff Steinhauer, un fisico presso il Technion-Israel Institute of Technology di Haifa, ha utilizzato un insieme di atomi di rubidio refrigerati a meno di 1 miliardesimo di un grado sopra lo zero assoluto. A tali temperature, gli atomi sono strettamente imballati e si comportano come un oggetto unico, un fluido quantico facilmente manipolabile. La temperatura fredda assicura anche che il fluido, conosciuto come il condensato di Bose-Einstein, fornisce un mezzo silenzioso per il passaggio delle onde sonore che sorgono da fluttuazioni quantistiche.

Utilizzando la luce laser, Steinhauer ha manipolato il fluido per farlo scorrere più velocemente della velocità del suono. Come un nuotatore che combatte contro una forte corrente, le onde sonore viaggiano contro la direzione del fluido diventato ‘intrappolato’. La condensa diventa così una controfigura per l’orizzonte degli eventi gravitazionale.

Coppie di onde sonore scoppiano dentro e fuori l’esistenza in un vuoto di laboratorio, che imita le coppie di particella-antiparticella nel vuoto dello spazio. Quelle che si formano a cavalcioni di questo orizzonte degli evento sonico, diventano l’equivalente della radiazione di Hawking. Per amplificare abbastanza queste onde sonore affinchè i suoi rivelatori le raccogliessero, Steinhauer ha istituito un secondo orizzonte degli eventi sonico all’interno del primo, regolando il fluido in modo che le onde sonore non potessero passare questo secondo orizzonte degli eventi e sono rimbalzate. Nel momento in cui le onde sonore colpiscono ripetutamente l’orizzonte esterno, creano più coppie di onde sonore, amplificando la radiazione di Hawking a livelli rilevabili.

Alcuni ricercatori dicono che non è ancora chiaro quanto questo modello di laboratorio, che Steinhauer ha impiegato cinque anni per perfezionare, imiti le radiazioni di Hawking. L’amplificazione, nel modello di Steinhauer permette di rilevare solo una frequenza della radiazione, quindi non può essere certo che rilevato l’intensità di Hawking a differenti frequenze che avrebbe la vera radiazione di Hawking.

Steinhauer sta lavorando per sviluppare la tecnologia per studiare il suo buco nero artificiale senza dover amplificare la radiazione sonica. Ciò potrebbe permettergli di utilizzare la sua ‘radiazione di Hawking’ per esplorare il “paradosso dell’informazione”.

Potrebbe anche aiutare fisici a rispondere alla loro domanda di conciliare la teoria quantistica con la gravità, l’unica forza in natura che non è stato ospitata nell’ambito della meccanica quantistica. Poiché la radiazione di Hawking attinge sia dalla meccanica quantistica che dalla relatività generale, si tratta di un primo passo per affrontare il modo di sposare entrambe – e un buco nero artificiale potrebbe fornire l’opportunità di studiare come si potrebbe ottenere tutto ciò.

Il fisico sperimentale Daniele Faccio della Heriot-Watt University di Edimburgo definisce lo studio: “forse la prova più robusto e più netta” che i modelli di laboratorio possono emulare fenomeni all’interfaccia fra relatività generale e meccanica quantistica. Nel 2010, Faccio e i suoi colleghi hanno segnalato che essi avevano rilevato un analogo della radiazione di Hawking, ma la squadra ha riconosciuto da allora che avevano rilevato un fenomeno diverso.

Tuttavia il fisico Ted Jacobson dell’Università del Maryland a College Park, ha suggerito nel 1999 che la radiazione analogica potrebbe essere vista in laboratorio, dice che la possibilità di avere nuovi approfondimenti circa i buchi neri dall’esperimento sonico sono “esagerate”, per ora. Per Jacobson, il valore dell’esperimento sta nell’esplorare la fisica degli atomi ultrafreddi.

Ma anche se la radiazione sonica così com’è non è una partita perfetta, William Unruh, un fisico teorico presso la University of British Columbia di Vancouver sottolinea che “è la più vicina cui qualcuno è arrivato” per rilevare la radiazione di Hawking. “Trovo che sia un esperimento molto eccitante e interessante”, dice.

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