Una nuova legge sui buchi neri implica che all’interno il tempo termodinamico scorra all’indietro

In un nuovo articolo pubblicato su Physical Review Letters, due fisici hanno ottenuto una nuova legge dell’area per la relatività generale, basata su una interpretazione dei buchi neri come oggetti geometrici curvi chiamati “schermi olografici”.

La nuova legge dell'area afferma che l'area di uno schermo olografico futuro (indicata con la linea blu nel pannello a) è sempre crescente in una direzione, mentre l'area di uno schermo olografico passato, è sempre crescente in una direzione differente. Credit: Bousso and Engelhardt. ©2015 American Physical Society
La nuova legge dell’area afferma che l’area di uno schermo olografico futuro (indicata con la linea blu nel pannello a) è sempre crescente in una direzione, mentre l’area di uno schermo olografico passato, è sempre crescente in una direzione differente. Credit: Bousso and Engelhardt. ©2015 American Physical Society

I buchi neri sono noti per possedere molte strane proprietà, come quella per cui niente – nemmeno la luce – può sfuggire via dopo esservi finita dentro. Un’altra proprietà meno conosciuta ma altrettanto bizarra è che i buchi neri appaiono “conoscere” cosa avviene nel futuro per potersi prima di tutto formare. Tuttavia, questa strana proprietà emerge dal modo in cui i buchi neri vengono definiti, il che ha motivato alcuni fisici ad esplorare definizioni alternative.

In un nuovo articolo pubblicato su Physical Review Letters, Raphael Bousso, un professore presso la University of California, Berkeley, e il Lawrence Berkeley National Laboratory, e Netta Engelhardt, una studentessa di dottorato presso la University of California, Santa Barbara, hanno riportato una nuova legge dell’area per la relatività generale, basata su una interpretazione dei buchi neri come oggetti geometrici curvi chiamati “schermi olografici”.

“La cosìddetta teologia dell’orizzonte degli eventi di un buco nero è un artefatto nato dal modo in cui i fisici definiscono lo stesso orizzonte degli eventi: l’orizzonte degli eventi è definito rispetto ad un tempo futuro trascorso all’infinito, quindi per definizione esso “conosce” l’intero destino dell’Universo,” ha detto Engelhard. “In relatività generale, l’orizzonte degli eventi di un buco nero non può essere osservato da alcun osservatore fisico in un tempo finito, e non vi è un senso in cui il buco nero in quanto entità abbia conoscenza dell’infinito futuro. E’ semplicemente un modo conveniente di descrivere i buchi neri.”

Come spiegato da Engelhardt, una ragione per cui gli schermi olografici sono interessanti è che essi sono definiti in un modo che dipende maggiormente dalle proprietà locali e non richiede informazioni sull’infinito futuro.
“Questa proprietà che rende gli oggetti come schermi olografici è molto interessante: essi non sono soggetti alle bizarre proprietà dovute al modo in cui vengono definiti,” sostiene l’autrice.

Nel loro articolo, i fisici riportano una nuova legge dell’area che ci dice in quali direzioni l’area di uno schermo olografico può aumentare, il che dipende dal fatto che lo schermo sia uno “schermo olografico futuro” oppure uno “schermo olografico passato.”. Come gli scienziati spiegano, questi due tipi di schermi corrispondono a diverse tipologie di campi gravitazionali.

“Gli schermi olografici sono in un certo senso un confine locale a regioni in cui sono presenti forti campi gravitazionali,” dice Engelhardt. “Gli schermi olografici futuri corrispondono a campi gravitazionali che aggregano materia (ad esempio il buco nero, il big crunch), mentre gli schermi olografici passati corrispondono a regioni che disperdono materia verso l’esterno (ad esempio il big bang, i buchi bianchi).”

La nuova legge dell’area afferma dunque che l’area di uno schermo olografico futuro è sempre crescente in una direzione, mentre l’area di uno schermo olografico passato è sempre crescente in una seconda direzione (differente dalla prima). Questa legge ha alcune interpretazioni intriganti quando analizzata da una prospettiva termodinamica ed utilizzando l’idea che lo spaziotempo sia un ologramma. Secondo il principio olografico, l’ammontare di informazione o entropia in una data area è collegato alla superficie della stessa. Pertanto interpretando l’area come legata all’entropia, la legge dell’area rivela la direzione del tempo termodinamico (il quale, come notano gli scienziati, non è lo stesso del tempo matematico). Il tempo termodinamico è dunque interpretabile come la direzione in cui l’entropia aumenta.
Siccome l’area degli schermi olografici futuro e passato cresce in direzioni differenti, la direzione del tempo è diversa per questi due tipi di schermo. Negli schermi passati, il tempo si muove in avanti. Universi in espansione, come il nostro, implicato schermi olografici passati, e quindi noi percepiamo naturalmente il tempo termodinamico scorrere in avanti. Per contro, il tempo scorre all’indietro negli schermi olografici futuri. In un certo senso, questa interpretazione ha il risultato bizzarro che il tempo termodinamico scorre all’indietro dentro i buchi neri e gli universi che collassano.

Gli scienziati notano inoltre nel loro articolo che questa è la nuova legge dell’area largamente applicabile in relatività generale dal 1971, quando Stephen Hawking ha mostrato che l’orizzonte degli eventi di un buco nero (e quindi la sua area superficiale totale) non decresce mai. Più tardi, però, Hawking ha mostrato che, in presenza di effetti quantici, i buchi neri emettono radiazione. Questa emissione fa si che l’orizzonte degli eventi di un buco nero, l’area superficiale, e la massa, decrescano con il tempo, così che il buco nero successivamente evapori. Nell’assenza di effetti quantici, tuttavia, la legge di Hawking dell’area continua a sussistere.

Questo è anche un ramo di ricerca futura per Bousso e Engelhardt — investigare come la nuova legge dell’area possa sussistere in presenza di effetti quantici.

“La nostra legge dell’area è valida in assenza di effetti quantici, we speriamo che in futuro riusciremo a dimostrare una legge dell’area più generalizzata che possa sussistere anche in presenza di determinati effetti quantici,” ha detto Engelhardt.

Più informazioni: Raphael Bousso e Netta Engelhardt. “A New Area Law in General Relativity.” Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.081301

L’articolo originale è reperibile QUI.

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17 Commenti    |    Aggiungi un Commento

  1. Articolo molto interessante. Non ho compreso però una cosa: quando viene affermato: " . Per contro, il tempo scorre all’indietro negli schermi olografici futuri.*" Questo viene affermato solo in funzione del fatto che negli schermi olografici passati il tempo termodinamico scorra in avanti? E dunque solo perché negli schermi futuri la direzione è opposta agli schermi olografici passati?

  2. La puoi vedere come una condizione "invertita". Cambiando il tipo di campo gravitazionale in azione, anche la direzione temporale in cui evolve l'entropia, e quindi l'area dello schermo olografico, si inverte.

  3. Il contenuto dell articolo è interessante... Questi fisici sono degli autentici visionari...
    Però non spiega... qual è la definizione di schermo olografico e perché è diversa da quella di buco nero?

  4. Non capisco come si possano portare a "prova" da una parte il Big Crunch e dall'altra il Buco Bianco (ancora,entrambi, da dimostrare)! Quanto devono essere importanti queste persone per potersi permettere di spararle così grosse? Non ho , comunque, capito se si parla anche di inversione della freccia del tempo.

  5. @Gaetano M., non esageriamo. Si tratta di un articolo di carattere teorico, e quanto a teoria è perfettamente ammissibile contemplare i casi inversi di buco bianco e Big Crunch. Gli autori hanno chiaramente utilizzato questi due casi come esempi di campo gravitazionale opposto a quello invece del buco nero e dell'Universo che conosciamo, secondo la formulazione adottata.
    E' una inversione non della freccia del tempo ma della evoluzione entropica del sistema. Per farla in breve, gli autori vogliono sottolineare come la scelta di utilizzare schermi olografici sia concorde con la direzione termodinamica per cui l'entropia del sistema aumenta (si parla cioè di tempo termodinamico e non di tempo come quarta dimensione dello spazio-tempo).
    @DarknessLight, la definizione di schermo olografico è piuttosto tecnica. E' data dalla curva in blu nella figura presente nell'articolo e corrisponde alla massima superficie dell'oggetto in questione che puoi identificare su ogni fetta di spazio-tempo di tipo nullo (cioè in cui si possono propagare solo i fotoni). Questa definizione è diversa nel senso che non stanno trattando il buco nero come un oggetto delimitato dall'orizzonte degli eventi ma come descritto in termini dell'evoluzione di questa area dello schermo olografico, non toccando quindi il problema della discontinuità dettato dalla presenza di un orizzonte. Per dirti ulteriori dettagli dovrei visionare bene l'articolo, ma si tratta pur sempre di un lavoro puramente teorico.

    E' comunque importante rendersi conto del fatto che alle volte è possibile riformulare localmente l'approccio utilizzato dalla relatività generale, senza cambiare la teoria si intende, per ottenere modi di descrivere ed interpretare lo stesso fenomeno che risultano essere molto diversi fra loro.

  6. @Enrico Corsaro
    sia nell articolo, sia tu rispondendomi, parlate di tempo termodinamico e di tempo matematico come fossero entità distinte.
    Il tempo termodinamico è rappresentato dall evoluzione di un sistema verso un maggior contenuto entropico, il tempo matematico è una coordinata dei quadrivettori.

    Non si tratta della stessa cosa vista da due punti di vista differenti (uno fisico e uno geometrico)? Perché il tempo termodinamico è diverso dal tempo matematico?

  7. Citazione Originariamente Scritto da DarknessLight Visualizza Messaggio
    Il tempo termodinamico è rappresentato dall evoluzione di un sistema verso un maggior contenuto entropico, il tempo matematico è una coordinata dei quadrivettori.

    Non si tratta della stessa cosa vista da due punti di vista differenti (uno fisico e uno geometrico)? Perché il tempo termodinamico è diverso dal tempo matematico?
    Si hai ragione a chiedere chiarezza in merito. Il tempo termodinamico è sostanzialmente il tempo fisico, la direzione che la natura segue in ogni processo che avviene. Il tempo matematico si distingue solitamente perchè di base è anche analizzabile in direzione opposta (ad esempio quando riavvolgiamo il nastro nello studio dell'evoluzione del nostro Universo), semplicemente perchè non ha una natura fisica, è appunto come dici una coordinata.

  8. Sì è vero! È vero! In realtà la differenza è evidente e già traspariva dal mio post precedente... non so come mai non ci ho fatto caso...

  9. Citazione Originariamente Scritto da Enrico Corsaro Visualizza Messaggio
    @Gaetano M., non esageriamo. Si tratta di un articolo di carattere teorico, e quanto a teoria è perfettamente ammissibile contemplare i casi inversi di buco bianco e Big Crunch. Gli autori hanno chiaramente utilizzato questi due casi come esempi di campo gravitazionale opposto a quello invece del buco nero e dell'Universo che conosciamo, secondo la formulazione adottata.
    E' una inversione non della freccia del tempo ma della evoluzione entropica del sistema. Per farla in breve, gli autori vogliono sottolineare come la scelta di utilizzare schermi olografici sia concorde con la direzione termodinamica per cui l'entropia del sistema aumenta (si parla cioè di tempo termodinamico e non di tempo come quarta dimensione dello spazio-tempo).
    Dopo essere, giustamente, stato ripreso mi sono riletto con più calma l'articolo. Avevo già letto qualcosa sull'orizzonte degli eventi come schermo olografico bidimensionale (solo due dimensioni spaziali!) come probabile spiegazione per poter salvare l'informazione che altrimenti andrebbe persa nel B.H. Mi sembra comunque un po' forzato l'inserimento del tempo termodinamico con tutto quello che si è detto sull'entropia e sulla freccia del tempo. Si supererebbe una delle contradizioni della fisica che nelle sue formule non fa differenza tra tempo positivo e tempo negativo.