Questo buco nero cancella il tuo passato e ti regala infiniti futuri

"In certi casi, si potrebbe vivere per sempre in un universo sconosciuto."
27 febbraio 2018, 12:03pm
Immagine: NASA 

Immagina, per un momento, che la nostra specie perfezioni il viaggio spaziale interstellare e che sia improvvisamente in grado di visitare qualsiasi luogo nell'universo. Ci sarebbero un sacco di posti interessanti da vedere e fenomeni astrofisici da indagare, ma, in cima alla lista, ci sarebbe di certo una gita in un buco nero. Perché, però, visitare un luogo a cui niente, neanche la luce, può sfuggire? Il motivo principale è che i fisici dibattono da decenni su cosa accadrebbe a una persona se finisse in un buco nero.

Un avvertimento: secondo la maggior parte degli scienziati, quasi sicuramente finiresti disintegrato ben prima di avvicinarti davvero a un buco nero anche piccolo (il termine tecnico è 'spaghettizzato,' ovvero: la forza di gravità estrema ti stirerebbe in una stringa di atomi). Ma — ma! — una ricerca recente prodotta da un team internazionale di matematici ipotizza l'esistenza di un tipo di buco nero in teoria accessibile a un osservatore, pur con conseguenze bizzarre.

Come spiegato nell'articolo pubblicato la settimana scorsa su Physical Review Letters, un osservatore che accedesse a un certo tipo — teorico — di buco nero non sarebbe per forza cancellato dall'esistenza — almeno non come immaginiamo. Invece, il suo passato sarebbe cancellato e si aprirebbe un numero infinito di futuri. Non tornerebbero mai indietro per raccontarcelo, ma non avrebbe comunque importanza — non esisterebbe nessuno del loro passato da cui tornare.

TEORIA DELLA RELATIVITÀ E BUCHI NERI

C'è un sacco da dire, quindi cominciamo dalle basi. C'era una volta Albert Einstein che, tra le altre cose, ha cambiato il modo in cui pensiamo a tempo e spazio, pubblicando la sua teoria sulla relatività generale circa un secolo fa.

La teoria della relatività generale di Einstein descrive la gravità come una proprietà dello spazio-tempo, la struttura a quattro dimensioni dell'universo intero. La curvatura dello spazio-tempo, secondo la teoria, è funzione di massa, energia e moto della materia — e noi la percepiamo come gravità.

Uno dei fenomeni predetti dalla teoria generale è l'esistenza di singolarità spaziotemporali nei buchi neri, masse così dense che niente può sfuggire dalla loro forza gravitazionale, neanche la luce. Possiamo immaginare un buco nero come un imbuto il cui becco si assottiglia fino a un punto di densità infinita, noto come singolarità.

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La struttura di queste singolarità è oggetto di disaccordo tra i fisici. Non possiamo vederle perché l'orizzonte degli eventi di un buco nero agisce da barriera tra le densità infinite e il resto dell'universo. Il che è un bene, perché se potessimo vedere le singolarità nel cuore di un buco nero — chiamate anche singolarità 'nuda' — distruggerebbe il determinismo che fonda la fisica.

Se la fisica può essere usata per predire eventi naturali è perché l'universo è deterministico. In altre parole, se sapessimo le esatte condizioni di partenza dell'universo, potremmo, in teoria, predire esattamente come si svilupperà nel tempo da quelle condizioni iniziali. Questo includerebbe anche pensieri e azioni di ognuno dato che, come sostengono alcuni scienziati cognitivi come Dan Dennett, la coscienza è determinata dalle interazioni materiali tra i neuroni. Per farla breve: il determinismo implica che il passato determina esattamente un futuro.

A questo punto, i fisici si trovano davanti a un problema: Le singolarità devono esistere in quanto conseguenza della teoria della relatività, ma osservarle pare impossibile. Per colmare questa discrepanza, gli scienziati si affidano a due congetture collegate ma distinte a livello logico, entrambe sviluppate dal fisico Roger Penrose quasi 50 anni fa: l'ipotesi di censura cosmica forte e debole:

Guarda il nostro documentario sul rilevatore di onde gravitazionali VIRGO a Pisa:

L'ipotesi di censura cosmica forte sostiene che esista un confine entro l'orizzonte degli eventi di un buco nero, noto come orizzonte di Cauchy, oltre il quale non si applica la teoria della relatività generale. Oltre l'orizzonte di Cauchy, il mondo della fisica deterministica si spezza nell'indeterminatezza. Di conseguenza, è impossibile per un osservatore trascendere l'orizzonte di Cauchy senza essere distrutto (approfondisco più avanti).

La teoria della censura cosmica debole, invece, ipotizza che non esistano singolarità nude nell'universo, tranne quella del Big Bang. Oggi, questa seconda teoria è considerata dai fisici condizione necessaria dell'universo secondo, per quanto la sua validità sia ancora un punto interrogativo.

L'ipotesi della censura forte è molto più controversa e la ricerca appena pubblicata offre la confutazione della sua validità più forte mai elaborata. Il paper di Peter Hintz — postdoc alla UC Berkeley — e colleghi suggerisce che ci siano alcuni tipi di buco nero nell'universo che permetterebbero a un osservatore di accedere all'universo non deterministico dall'altra parte dell'orizzonte di Cauchy di un buco nero.

BLACK HOLES, SON!

Da un secolo a questa parte, la teoria della relatività di Einstein è riuscita a predire i risultati di tutti i test a cui l'abbiamo sottoposta. Forse il successo più grande è stato nel 2016, quando i fisici dell'osservatorio LIGO sono riusciti a misurare per la prima volta le onde gravitazionali prodotte da due buchi neri in collisione, esattamente come la teoria Einstein prediceva. Eppure, la capacità della relatività generale di descrivere la gravità vacilla davanti alle singolarità, in cui la curvatura dello spazio tempo diventa infinita.

Immaginiamo per un attimo di essere esploratori spaziali che si avvicinano al tipo di buco nero teorico studiato da Hintz e colleghi: un buco nero non-rotante dotato di una carica elettrica, noto come buco nero di Reissner-Nordström-de Sitter. Stando alla teoria generale, man mano che ci avviciniamo, il tempo rallenta per via del campo gravitazionale sempre più forte. Nel frattempo, vediamo luce e materia cadere verso l'interno a loro volta. A un certo punto, arriviamo all'orizzonte di Cauchy.

L'orizzonte di Cauchy, abbiamo detto, è una sorta di barriera tra l'universo deterministico e non-deterministico. Superata la soglia, il passato non determina più il futuro per l'osservatore. Quest'ultimo, di conseguenza, vedrebbe tutta l'energia che il buco nero abbia mai incontrato o che incontrerà nel corso dell'esistenza dell'universo, colpire l'orizzonte di Cauchy nello stesso momento. Ecco perché l'ipotesi della censura cosmica forte sostiene che sia impossibile per un osservatore passare oltre l'orizzonte di Cauchy — sarebbe obliterato dall'energia.

Eppure, Hintz e colleghi hanno capito che non è necessariamente così, dato che l'universo è anche in espansione a una velocità che accelera. Questo significa che per quanto lo spazio-tempo condensi all'infinito in un buco nero, è anche tirato e stirato dall'espansione dell'universo. Per cui, l'orizzonte di Cauchy non sarebbe colpito da tutta l'energia dell'universo nello stesso momento, ma solo da una porzione relativamente piccola, perché quell'energia non può viaggiare dagli angoli remoti dell'universo fino al buco nero più velocemente della luce.

Come spiegano Hintz e colleghi, la quantità di energia che cadrebbe nel buco nero è solo pari all'energia contenuta nell'orizzonte visibile dalla prospettiva del buco nero. Questo orizzonte osservabile è 'più piccolo' dell'intero universo perché l'universo si espande accelerando.

Per capire perché, prendiamo in considerazione la nostra prospettiva sulla Terra. Benché possiamo vedere 13.8 miliardi di anni nel passato, il nostro orizzonte osservabile è, in realtà, di circa 46 miliardi di anni luce, dato che include anche tutto ciò che vedremo anche nel futuro. Non saremo mai in grado di vedere 'più in là' di questo perché l'universo si espande a una velocità maggiore della velocità della luce, per cui la luce proveniente dagli oggetti oltre questo orizzonte cosmologico non ci raggiungerà mai e gli oggetti sul 'bordo' di questo orizzonte finiranno per svanire dalla nostra prospettiva.

La stessa cosa è vera per il teoretico buco nero di Reissner-Nordström-de Sitter che stiamo visitando. L'espansione accelerata dell'universo, in pratica, 'cancella' la dilatazione temporale esperita mentre cadiamo nel buco nero in determinate condizioni. Questo, in teoria, permetterebbe all'osservatore di attraversare l'orizzonte di Cauchy ed esistere in un mondo non-deterministico dove il passato non determina più il suo futuro. A tutti gli effetti, attraversare questa soglia oblitera il passato dell'osservatore, aprendo al contempo un numero infinito di futuri possibili.

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"Esistono alcune soluzioni esatte delle equazioni di Einstein che funzionano perfettamente, senza problemi, senza inceppi, senza forze che procedono all'infinito, dove ogni cosa si comporta come deve, fino a questo orizzonte di Cauchy e oltre," ha detto Hintz. "Dopodiché, è tutto una scommessa; in certi casi, si potrebbe evitare del tutto la singolarità e vivere per sempre in un universo sconosciuto."

È un discorso completamente teoretico, ovviamente. Hintz e colleghi non ritengono possibile per un fisico viaggiare all'interno di uno di questi buchi neri usati nel modello, che, anzi, potrebbero non esistere affatto, ha detto Hintz. La ragione è che un buco nero carico potrebbe attirare materia con carica opposta e, alla fine, diventare neutro. Eppure, il modello matematico è un modo utile per studiare i buchi neri rotanti, che, ha detto Hintz, sono probabilmente la norma.

"Nessun fisico viaggerà mai dentro a un buco nero per misurarlo," ha detto Hintz. "È una domanda che può essere studiata davvero solo da un punto di vista matematico ma che ha implicazioni fisiche, se non addirittura filosofiche. Da questo punto di vista, non fa che rendere ancora più interessanti le equazioni di Einstein."

Questo articolo è apparso originariamente su Motherboard US.