I fisici trovano un modo per ottenere informazioni da un buco nero

Cosa succede all’informazione che cade dentro un buco nero? Il ben noto problema dell’informazione è un grattacapo su cui gli scienziati hanno dibattuto a lungo, e continuano a dibattere ancora oggi. La stessa esistenza della radiazione di Hawking sembrerebbe non risolvere il problema. Oggi però, un gruppo di ricerca di fisici teorici sembra aver trovato una soluzione, quantomeno parziale, che sfrutta due particolari effetti quantistici, il teletrasporto e l’entanglement.

Occorrerebbero tecnologie oltre ogni nostra più remota immaginazione per estrarre anche solo il più minuscolo ammontare di informazione quantistica da  un buco nero come quello raffigurato in questa immagine. Credit: NASA; M. Weiss/Chandra X-Ray Center
Occorrerebbero tecnologie oltre ogni nostra più remota immaginazione per estrarre anche solo il più minuscolo ammontare di informazione quantistica da un buco nero come quello raffigurato in questa immagine.
Credit: NASA; M. Weiss/Chandra X-Ray Center

I buchi neri sono così chiamati poichè la loro forza di gravità è talmente forte da impedire anche alla luce di sfuggirgli. Stranamente però, mediante un pò di abilità teoriche, i fisici hanno trovato un modo di ricavare un granello di informazione che riesce a sfuggire al buco nero. Il calcolo coinvolge uno dei più grandi misteri della fisica: come può tutta l’informazione intrappolata in un buco nero disperdersi durante la sua evaporazione? Molti teorici ritengono che ciò debba avvenire, ma non sanno ancora come.

Sfortunatamente per loro, il nuovo schema potrebbe aggravare ulteriormente la difficoltà del grande “paradosso dell’informazione dei buchi neri” piuttosto che risolverlo di fatto. “Forse altri saranno capaci di andare oltre sfruttando questo risultato, ma non è affatto ovvio il modo in cui questo ci gioverà,” dice Don Page, un teorico alla University of Alberta in Edmonton, Canada, che non è stato coinvolto nel lavoro.

Puoi distorcere e sbrandellare qualche pezzo di informazione prima di poterla ritrovare, ma non dovresti essere in grado di distruggere informazione semplicemente gettandola dentro un buco nero. Questo perchè, sebbene la meccanica quantistica abbia a che fare con le probabilità — come quella per cui un elettrone si possa trovare in una posizione o in un’altra– le onde quantistiche (funzioni d’onda) che danno queste probabilità devono comunque evolversi in modo prevedibile, così che sappiamo la forma d’onda in un dato momento predetto in un qualunque istante futuro. Senza tale “unitarietà” la teoria quantistica produrrebbe risultati senza senso come probabilità che non si cumulano fra loro fornendo il 100%.

Ma supponiamo che immettiamo delle particelle quantistiche in un buco nero. A primo acchito le particelle e l’informazione che esse codificano sarà perduta. Questo è un problema, poichè adesso parte dello stato quantistico che descrive il sistema combinato buco nero-particelle è stato cancellato, rendendo dunque impossibile predire la sua esatta evoluzione e la violazione dell’unitarietà.

I fisici ritengono ci sia una via d’uscita. Nel 1974, il teorico britannico Stephen Hawking ha sostenuto che i buchi neri possano emettere particelle ed energia. Grazie alla incertezza quantistica, lo spazio vuoto produce continuamente coppie di particelle che appaiono e si volatilizzano nel nulla. Hawking ha quindi ritenuto che se una coppia di particelle apparsa dal vuoto si fosse formata in prossimità (transzonalmente) dell’orizzonte di un buco nero allora una di esse avrebbe potuto sfuggire via, mentre l’altra sarebbe caduta dentro il buco nero. Portando via energia dal buco nero, la radiazione di Hawking in uscita causerebbe la lenta evaporazione del buco nero stesso. Alcuni teorici sospettano che l’informazione inizialmente perduta riemerga dal buco nero codificata in questa radiazione– sebbene il modo in cui ciò avvenga rimane inspiegato poichè tale radiazione è supposta avere una natura casuale (dunque non prevedibile).

Adesso Aidan Chatwin-Davies, Adam Jermyn, e Sean Carroll del California Institute of Technology in Pasadena, hanno trovato una via esplicita per ottenere informazione da una particella quantistica persa da parte di un buco nero, utilizzando la radiazione di Hawking e il bizarro concetto di teletrasporto quantistico.

Il teletrasporto quantistico consente a due partner, Alice e Bob, di trasferire il delicato stato quantico da una particella come un elettrone ad un’altra. In teoria quantistica, un elettrone può ruotare (spin) secondo due configurazioni (up e down, cioè o verso l’alto o verso il basso), o letteralmente in entrambi i modi allo stesso momento. Infatti, il suo stato può essere descritto da un punto in un globo, in cui il polo nord significa stato up e il polo sud stato down. Le linee di latitudine denotano differenti misture dei due stati up e down, e le linee di longitudine denotano la “fase”, cioè il modo in cui gli stati up e down si mescolano. Comunque, se Alice prova a misurare quello stato, esso collasserà in una direzione o nell’altra (up oppure down), nullificando dunque l’informazione contenuta ad esempio nella fase. Pertanto Alice non potrà misurare lo stato vero e proprio e non potrà dunque inviare l’informazione a Bob, non potendola quindi trasferire in modo integro.

Per fare ciò Alice e Bob possono condividere una coppia aggiuntiva di elettroni collegati tra loro da un particolare legame quantistico noto come entanglement. Lo stato di ciascuna delle due particelle (presa individualmente) in entanglement è incerto — esso punta simultaneamente ovunque nel globo che avevamo considerato — ma gli stati sono correlati fra loro così che se Alice misura la sua particella dalla coppia trovando che il suo spin, diciamo, è in uno stato up, allora  saprà istantaneamente che l’elettrone di Bob ha uno spin down, proprio grazie al particolare legame quantistico. Alice possiede così un totale di due elettroni — uno di questi il cui stato vuole teletrasportare e l’altro che costitusce metà della coppia in entanglement. Bob ha invece solo l’altra metà della coppia di elettroni in entanglement.

Per realizzare il teletrasporto, Alice sfrutta un’altra strana proprietà della meccanica quantistica: il fatto che la misura non solo rivela qualcosa sul sistema, ma anche che la misura cambia lo stato del sistema stesso. Alice quindi prende i suoi elettroni in entanglement e esegue una misura che li “proietta” in uno stato di entanglement. Questo tipo di misura rompe l’entanglement tra la coppia di elettroni che lei e Bob condividono. Allo stesso tempo però, la misura forza l’elettrone di Bob ad assumere lo stato in cui si trovava l’elettrone che Alice vuole teletrasportare. In pratica dunque, con un modo opportuno di realizzare la misura, è un pò come se Alice spremesse l’informazione quantistica da un lato all’altro del sistema.

Chatwin-Davies e colleghi si sono dunque resi conto che è possibile teletrasportare anche l’informazione di uno stato di un elettrone che è finito dentro ad un buco nero, facendola fuoriuscire da esso. Supponiamo che Alice stia fluttuando al di fuori del buco nero con il suo elettrone. A questo punto Alice cattura un fotone da una coppia nata dalla radiazione di Hawking. Proprio come nel caso dell’elettrone, anche il fotone può avere uno spin in due diverse direzioni, e sarà in una condizione di entanglement con il suo fotone compagno che è invece caduto dentro il buco nero. Successivamente, Alice misura il momento angolare totale, o lo spin, del buco nero –sia il modulo del momento angolare che l’angolo di inclinazione rispetto ad un particolare asse di riferimento. Con questi due pezzi di informazione in mano, Alice quindi manda il suo elettrone nel buco nero, perdendolo per sempre.

Tuttavia, Alice può ancora recuperare l’informazione sullo stato dell’elettrone, come afferma il gruppo di ricerca di questo nuovo articolo in stampa su Physical Review Letters. Tutto ciò che deve fare è ancora una volta misurare lo spin e l’orientamento del buco nero. Queste misure poi creano un entanglement tra il buco nero e il fotone che vi sta cadendo dentro. Allo stesso tempo, esse teletrasportano lo stato dell’elettrone al fotone che invece Alice ha catturato. Quindi, l’informazione dall’elettrone perduto è trasferita nuovamente all’universo osservabile, e non viene perduta.

Chatwin-Davies sottolinea che questo schema non è di fatto utilizzabile ai fini di un esperimento. Dopotutto, questo richiederebbe che Alice possa misurare in modo quasi istantaneo sia lo spin di un buco nero con una massa pari a quella del Sole che quello di un singolo atomo. “Ci piace giocare sul fatto che Alice sia la scienziata più avanzata esistente nell’Universo,” egli afferma.

Lo schema ha anche dei limiti principali. In particolare, come fanno notare gli autori, esso funziona per una particella quantica alla volta, e non per due o più. Questo è dovuto al fatto che la ricetta sfrutta la conservazione del momento angolare da parte del buco nero, quindi il suo spin finale deve essere uguale allo spin iniziale più quello dell’elettrone. Questo stratagemma consente ad Alice di estrarre due porzioni di informazione — lo spin totale e la sua proiezione lungo un particolare asse — e questa è proprio l’informazione sufficiente per specificare la latitudine e la longitudine sul globo che rappresenta lo stato quantico di una particella. Ma certamente non è ancora abbastanza per ricostruire tutta l’informazione intrappolata in un buco nero, il quale tipicamente si forma quando una stella collassa su se stessa.

Per poter risolvere a pieno il problema dell’informazione di un buco nero, i teorici dovrebbero anche tenere in considerazione gli stati complessi che si trovano all’interno di un buco nero, dice Stefan Leichenauer, un teorico della University of California, Berkeley. “Sfortunatamente, tutte le grandi domande che abbiamo sui buchi neri sono proprio relative ai loro meccanismi interni”, egli afferma. “Pertanto questo procedimento così pubblicato, sebbene di per sè interessante, probabilmente non ci insegnerà molto sul problema generale dell’informazione dei buchi neri.”

Comunque, scavare nell’interno di un buco nero richiederebbe una teoria quantomeccanica della gravità. Naturalmente sviluppare una teoria del genere è forse il più grande obiettivo di tutta la fisica teorica, un obiettivo che i fisici tentano di raggiungere già da decenni.

Articolo originale disponibile su Science News.

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