Buchi Neri – Il paradosso dell’informazione

Nonostante la loro popolarità li abbia quasi resi banali agli occhi del grande pubblico, i buchi neri continuano periodicamente a riservarci delle sorprese, come ultimamente è avvenuto nel caso del cosiddetto “paradosso dell’informazione”.

Relatività Generale

Il perché sia difficile anche solo descrivere e modellare teoricamente un buco nero deriva dal fatto che la nostra rappresentazione dei fenomeni naturali conosciuti si basa su due teorie fisiche sorte agli inizi del 1900: la teoria della Relatività Generale e la Meccanica Quantistica. La prima è in grado di spiegare i fenomeni governati dalla gravità nel macrocosmo, mentre la seconda descrive i fenomeni relativi al microcosmo come il moto di particelle atomiche e subatomiche e le loro interazioni non gravitazionali. Queste teorie spiegano con grande precisione i fenomeni che le riguardano, ma è un problema impiegarle assieme.

Meccanica quantistica

Il caso dei buchi neri è paradigmatico in questo senso, perché in maniera un po’ naïf li possiamo immaginare come oggetti la cui forza di gravità è elevatissima, ricadendo così nella “regione di competenza” della Relatività, ma che contemporaneamente diventano così piccoli da richiedere per alcuni aspetti un trattamento basato sui principi della Meccanica Quantistica. La questione nasce dal fatto che le due teorie si basano su presupposti non compatibili tra loro e quindi risultano inconciliabili. Perciò, nonostante nessuno degli esperimenti e delle osservazioni note abbia finora contraddetto né la Relatività né la Meccanica Quantistica, gli addetti ai lavori ritengono che questo prima o poi avverrà e che sia necessario trovare una nuova teoria che riesca a fonderle.

Teoria delle Stringhe

L’ipotesi di lavoro più “gettonata” è quella di trovare una teoria quantistica della gravità, e quella più promettente si chiama Teoria delle Stringhe. Ad ogni modo gli astrofisici si sono pure posti la questione se sia il buco nero eterno o meno. Detto in maniera estremamente sintetica, la risposta a questa domanda richiede di studiare l’evoluzione dell’informazione contenuta da tali oggetti e far riemergere il contrasto fra le due teorie: la meccanica quantistica richiede a priori che l’informazione venga sempre conservata, mentre la relatività generale afferma che questa venga distrutta dalla singolarità di un buco nero, da cui nasce il cosiddetto paradosso dell’informazione.

Se si ammette che il buco nero sia eterno il problema non sussiste dato che qualunque cosa s’intenda con informazione o qualunque sia la fine che essa potrebbe fare al suo interno, la teoria della relatività assicura che l’interno di un buco nero non è osservabile dall’esterno, e quindi non potremo mai sapere cosa potrebbe accadere dentro. Nulla c’impedirebbe allora di affermare che l’informazione venga conservata, sia pure in maniera inaccessibile a chiunque rimanga all’esterno del buco nero.

Buco Nero

La soluzione a questo problema ormai trentennale è stata annunciata nel luglio del 2004 proprio da Stephen Hawking, il fisico che l’aveva sollevato. La spiegazione, infatti, è stata illustrata durante un intervento predisposto all’ultimo momento nel corso della 17° Conferenza Internazionale di Relatività Generale e Gravitazione tenutasi a Dublino.

La vicenda ha anche un risvolto giocoso. Una decina di anni fa tre fisici si sono talmente appassionati di fronte al problema del paradosso dell’informazione contenuto nel buco nero tanto da fare una scommessa: Stephen Hawking e Kip Thorne, sostenevano che l’informazione contenuta nel buco nero dovesse andare persa tanto da contraddire le ipotesi della meccanica quantistica, mentre John Preskill affermava che era la relatività generale ad essere in errore e comunque si sarebbe trovato un meccanismo che avrebbe preservato l’informazione. In palio un’enciclopedia a scelta del vincitore dalla quale, come recitava il testo della scommessa, “si sarebbe potuto estrarre informazioni a piacimento.”

Nonostante il trionfale annuncio, tuttavia, la soluzione proposta è risultata alquanto ostica anche per gli specialisti del settore ed in sintesi sfrutta un meccanismo di “tunnelling”; questo concetto, familiare in meccanica quantistica, afferma che particelle intrappolate in una barriera energetica che la fisica classica vieterebbe di attraversare, hanno in realtà una probabilità non nulla di riuscire a superarla come, appunto, se “si scavassero un tunnel” al di sotto di questa barriera.

Grazie ad esso la radiazione emessa non è più di tipo termico, e ciò significa che porta con se dell’informazione che in questo modo non andrebbe persa.

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14 Commenti

  1. Complimenti per il sito; molto ben organizzato, esaustivo e chiaro, fornisce tutte le informazioni necessarie per osservare consapevolmente la volta celeste!!! 😆

  2. Stephen Hawking è un mito! Inoltre dei tre sopra citati è l’unico che conosco… 😳 comunque la concezione di eterno in riferimento ai buchi neri mi suona male, infatti credo che tutto si evolva, compresi i buchi neri (che se non sbaglio hanno un disco di accrescimento), quindi nulla è eterno per definizione: un buco nero completerà un processo evolutivo diventando qualcos’altro. La mia domanda a questo punto sarebbe: come può l’evoluzione di un oggetto finito essere infinita?
    Probabilmente un’oggetto può evolversi all’infinito.
    Gabriella, illuminami please!!!

  3. Ciao Marizio,
    per rispondere brevemente alla tua questione: sì, i buchi neri non sono eterni. 😐
    Infatti, lo stesso Hawking negli anni ’70 aveva proposto un modello (come accennavo in
    http://www.astronomia.com/2007/06/05/alla-scoperta-dei-buchi-neri/) di buchi neri che emettono energia sotto forma di radiazione termica (calore).

    In pratica vuol dire che col tempo “evaporano” fino a sparire. 🙄

    Le tempistiche variano con la massa (puoi trovare una risposta più dettagliata su http://it.wikipedia.org/wiki/Radiazione_di_Hawking) però si può dire che i buchi neri stellari, quindi con masse paragonabili a quelle del Sole, hanno una vita così lunga da sfuggire alla nostra comprensione: si parla di 10^67 anni ovvero 1 seguito da 67 zeri o altrimenti 10.000 miliardi di miliardi di miliardi di miliardi di miliardi di miliardi di miliardi di anni 😯

    Ricordo che l’età dell’Universo è circa 15 miliardi di anni 😕

  4. Grazie Gabriella,
    le tue risposte sono sempre molto chiare ed esaustive (e se le capisco io… 😎 ). Appena possibile visiterò i link che mi hai segnalato! Trovo che i buchi neri siano tra gli “elementi” più interessanti che si possano studiare in astronomia, anche se presentano ancora tantissime incognite, ma forse è proprio questo a renderli così affascinanti.
    Grazieee!!!

  5. Ciao Gabriella, è decisamente un argomento molto ostico quello dei buchi neri, io poi non conosco la materia, ho solo qualche nozione dilettantistica, ma se ho capito bene le tue spiegazioni precedenti, un buco nero stellare con una massa simile a quella del sole può avere una vita evolutiva di 10^67 anni e/o oltre.
    Ma se la teoria del big crunch (se fosse vera) prevede che ad un certo punto l’universo inizi ad invertire la marcia e a collassare che senso ha che un buco nero possa avere una vita così lunga o al limite tendente all’infinito? E’ una contraddizione questa oppure la vita dell’universo, che alla fine inizierà a collassare, è indipendente dalla vita “presunta” dei buchi neri e alla fine coinvolga tutto ciò che contiene e ne segni il destino finale? Oppure la vita dell’universo è infinita e continuerò ad evolvere? Non so se mi sono espresso bene e se le cose che ho scritto siano sensate…mah! se così fosse ti chiedo scusa 😳
    Complimenti per il tuo articolo molto esauriente! 😛
    Giorgio

  6. Ciao Giorgio,
    hai capito bene: secondo il modello di Hawking un buco nero può durare per il tempo detto o anche di più (o di meno) a seconda della sua massa.
    Questa non è una contraddizione. Semplicemente le due cose sono indipendenti. Se dovesse effettivamente esserci un big crunch, e questo avvenisse prima dell’evaporazione del buco nero, questo finirebbe nel big crunch con tutto il resto dell’Universo.
    Grazie mille per i complimenti, comunque! 😳
    Gabriella

  7. Salve,
    È bello trovare un sito scientifico scritto in modo così comprensibile.
    Tempo fa riflettevo sui buchi neri e se questi potessero essere essi stessi degli universi. Proprio perchè non possiamo sapere niente del loro interno e forse dall’interno non si può sapere niente dell’esterno potrebbero essere isolati come lo è il nostro. Ciò implicherebbe la perdita dell’informazione, ma non la perdita dell’energia. Cioè, tutta la materia che entra nel buco nero si trasformerebbe in energia all’orizzonte degli eventi perdendo così informazione. Dall’interno si vedrebbe soltanto un aumento dell’energia totale senza alcuna spiegazione. Mi chiedo, se il nostro universo è un buco nero in un altro universo la sua energia totale dovrebbe aumentare? Potrebbe questo spiegare l’energia oscura? Cosa ne pensano gli astrofisici a riguardo?

    Silvio

  8. Caro Silvio,
    la tua domanda è molto interessante, spero quindi di riuscire a rispondere in modo adeguato, anche se è parecchio complicata e non sono sicura di poter dire una parola definitiva sull’argomento. 😕

    Prima di tutto, nel tuo ragionamento la perdita dell’informazione è una conseguenza dell’isolamento del buco nero rispetto al nostro Universo. Cioè, se non ho capito male, interpreti il verbo “perdere” come una questione di inaccessibilità. Però in questo caso sarebbe una cosa diversa e te lo spiegherò con l’esempio che tempo fa mi disse un astrofisico: se io butto la cattedrale di Notre Dame in un buco nero, dentro mi arriva una marmellata informe; sarei in grado, nel buco nero, di ricostruire la cattedrale dalla marmellata? 🙄

    Ecco, l’informazione è ciò che mi permetterebbe di fare questo passaggio, indipendentemente dal fatto che questo venga fatto dentro o fuori dal buco nero.

    In secondo luogo, parli anche di perdita dell’energia. In realtà sono stati proposti diversi meccanismi di scambio dell’energia tra il buco nero e il resto dell’Universo. Uno è quello che prevede l'”evaporazione” del buco nero, di cui ho già parlato poco sopra. Se non ricordo male, inoltre, il fisico Roger Penrose aveva ipotizzato anche un meccanismo per estrarre energia da un buco nero, anche se questo veniva fatto a spese del suo moto di rotazione su se stesso. 😉

    Queste due osservazioni per dire che la tua conclusione sul fatto che l’energia del nostro universo dovrebbe aumentare non è necessariamente corretta. 🙁

    Infine l’energia oscura. 😎
    Anche ammettendo il meccanismo che illustri, per spiegare l’energia oscura questo dovrebbe riprodurre i fenomeni che la caratterizzano. Quindi prima di tutto dovrebbe causare un’accelerazione dell’espansione dell’universo/buco nero, in secondo luogo, come minimo, dovrebbe anche avere un meccanismo per spiegare il rapporto tra la quantità di energia oscura, quella di materia oscura e quella di materia barionica. 😛

  9. Grazie per i chiarimenti. Forse non ho capito l’esempio della marmellata. Intendi che la materia che entra rimane materia ma senza la sua forma originale? La mia idea è che viene trasformata in energia all’ingresso. Però il tuo commento mi ha fatto riflettere sul fatto che la mia comprensione della trasformazione della materia in energia possa essere confuso. Fino a ieri ero convinto che la materia annichilata diventasse una quantità informe di energia senza la possibilità di recuperare l’oggetto di partenza con una riconversione in materia. Poi ho ripensato a quello che hai detto riguardo la perdita di informazione e mi sono reso conto che ogni particella di materia annichilandosi da luogo ad un fotone di energia pari alla particella di materia, quindi abbiamo la possibilità di riottenere le stesse particelle di partenza. Non so se comunque si perdono le informazioni sulla struttura, quindi la marmellata. Forse ho capito meglio adesso?
    Silvio

  10. Ciao, il termine “marmellata” era solo una maniera un po’ pittoresca per dire che la cattedrale di Notre Dame viene distrutta cadendo nel buco nero… 😉
    Scusa il termine un po’ improprio. 😳

    Per quel che ne so io come la cattedrale venga distrutta (cioè se cada sotto forma di materia o di energia) è almeno parzialmente indipendente dal buco nero. Nel senso che, come hai fatto notare, la conversione da materia ad energia avviene con un processo di annichilazione (ma non solo, anche con decadimenti di altro genere o semplici “scontri” tra particelle) quindi penso possa succedere che una particella possa entrare nel buco nero “integra” se non le capita prima uno di questi eventi.

    La questione della perdita di informazione connessa al buco nero, invece, riguarda la dimostrazione fatta da Hawking (e altri) secondo la quale un buco nero “evapora” emettendo energia.

    In fisica la “quantità di informazione” presente in un sistema è misurata da una quantità chiamata entropia: maggiore è l’entropia e minore è l’ordine del sistema (e l’informazione in esso contenuta).

    L’energia termica è quella con la massima entropia, e quindi la minima informazione.
    Siccome pareva che il buco nero evaporasse emettendo energia termica, ecco che se ne deduceva che la quantità di informazione “estraibile” da un buco nero fosse la minima possibile.
    Hawking però, coinvolgendo meccanismi propri della meccanica quantistica, ha dimostrato, secondo lui, che una certa percentuale di particelle possono oltrepassare l’orizzonte degli eventi di un buco nero, uscendone sotto forma diversa da quella di energia termica, e quindi con un’entropia minore di quella che si dovrebbe avere se tutta l’emissione fosse di tipo termico.

    In questo senso quindi il contenuto di informazione di quello che “viene fuori” da un buco nero è maggiore del minimo possibile, cioè non tutta l’informazione viene “distrutta”. 😉

    Non penso comunque che Hawking volesse dire che si potrebbe ricostruire la cattedrale di Notre Dame solo a partire da quanto restituito da un buco nero… 😆

  11. @Lorenzo,
    oltre ad un buco nero probabilmente non c’è niente. KMa si pensa anche che i buchi neri possano connettere punti diversi dell’universo o essere delle specie di “ponti” tra universi diversi. Sono solo teorie e niente è ancora stato provato. Volevo ricordarti tra le tante suggestioni che un buco nero potrebbe anche fare entrare da una parte e fare uscire da un’altra. Ma qui siamo proprio nella fantascienza. Ti invito a leggere il mio raccontino di domani che sarà proprio su questo argomento. Ovviamente è solo … fantascienza!!! 😉

  12. e se l’energia oscura che a quanto pare accelera l’espansione dell’universo fosse il prodotto dell’evoluzione dei buchi neri? immagino che al loro interno si andrebbe oltre il plasma di quark e gluoni: questi possono decadere? e se decadessero realizzando un vuoto quantistico in continua evoluzione per l’incessante produzione e scomparsa di particelle e antiparticelle virtuali (o un “plasma di stringhe”)?

  13. Non mi è chiaro cosa sia l’informazione e cosa voglia dire che non la si può perdere; il sole, nel “bruciare” l’idrogeno e “trsformarlo” in elio, mangia una piccolissima parte di mateia per generare una grossa quantità di energia; questa è una perdita di informazione?
    Grazie