Buco nero “da laboratorio” per studiare radiazione di Hawking: la proposta dello scienziato

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Si pensa che quando si arriverà ad una piena comprensione del funzionamento di un buco nero si potrà effettuare forse un passo importante verso la comprensione di molti altri fattori che determinano la natura dell’universo, un insieme di fattori che a loro volta potrebbero portare alla cosiddetta “teoria del tutto”.

Nessuna informazione dai buchi neri

Il problema è che non fuoriesce alcuna informazione da un buco nero: anche il fenomeno della cosiddetta “radiazione di Hawking”, che dovrebbe riguardare, almeno in parte, l’area esterna del confine dello stesso buco nero, e che quindi dovrebbe essere più “materialmente” visibile, risulta del tutto inaccessibile. Il fenomeno è troppo debole per essere percepito dai nostri strumenti e soprattutto c’è il “rumore di fondo” dell’universo stesso a creare problemi.

Che cos’è la radiazione di Hawking

La radiazione di Hawking, proposta a metà degli anni 70 per la prima volta da Stephen Hawking, è una delle teorie più importanti tra quelle che tentano di unire la teoria quantistica dei campi e la relatività generale. In sostanza la teoria suggerisce che un osservatore che si trova di fronte ad un buco nero potrebbe osservare una radiazione termica proveniente da quest’ultimo. A lungo andare l’emissione di questa piccola radiazione dovrebbe causare una sorta di “evaporazione” di buco nero stesso e, se quest’ultimo non guadagna massa in altro modo, alla fine scompare.
Non c’è alcun modo, ad oggi, di verificare questa teoria né di osservare l’emissione di questa radiazione.

Buco nero “da laboratorio”

Ci vorrebbe un buco nero “da laboratorio” per effettuare osservazioni del genere e, come è noto, non c’è alcun modo di “costruirne” uno. O forse sì. Uno studente di dottorato dell’Università di Hiroshima, Haruna Katayama, ha proposto un nuovo progetto che vede la costruzione di un circuito quantistico che dovrebbe funzionare come un “laser a buco nero”. Si tratterebbe dell’equivalente di un buco nero da laboratorio con diversi vantaggi rispetto ai modelli che sono già stati proposti da altri scienziati in precedenza.
Katayama descrive questo “buco nero da laboratorio” in un nuovo studio sui Scientific Reports.[1]

Buchi bianchi

Come spiega lo stesso ricercatore, nello studio viene descritta “una teoria del laser a circuito quantistico utilizzando un buco nero analogico e un buco bianco come risonatore”. Qui entra in gioco un’altra teoria molto interessante, quella dei buchi bianchi.
I buchi bianchi sono l’esatto opposto dei buchi neri: emettono materia ed energia (anche luce) così come il buco nero le inghiotte.
Quello che propone il ricercatore è una sorta di circuito elettrico in cui un metamateriale che simula una velocità più grande di quella della luce copre la distanza tra gli orizzonti degli eventi tra il buco nero e quello bianco.

Radiazione di Hawking va avanti indietro tra buco nero e buco bianco

Lo stesso Katayama così descrive lo speciale circuito: “La proprietà della velocità superluminale è impossibile in un mezzo normale stabilito in un circuito ordinario. L’elemento metamateriale consente alla radiazione di Hawking di viaggiare avanti e indietro tra gli orizzonti e l’effetto Josephson – che descrive un flusso continuo di corrente che si propaga senza tensione – svolge un ruolo importante nell’amplificare la radiazione di Hawking attraverso la conversione di modalità agli orizzonti, imitando il comportamento tra i buchi bianchi e neri”.

Cavità buco nero/buco bianco formata all’interno di un singolo solitone

La differenza con gli altri circuiti quantistici con laser a buco nero proposti in precedenza? Secondo il ricercatore sta nel fatto che questa nuova versione si serve di una “cavità buco nero/buco bianco formata all’interno di un singolo solitone, dove la radiazione di Hawking viene emessa al di fuori del solitone in modo che possiamo valutarla”.

L’emissione di una coppia di particelle entangled

La stessa radiazione di Hawking viene “simulata” in laboratorio con l’emissione di una coppia di particelle entangled: una che si trova all’interno dell’orizzonte degli eventi, un’altra all’esterno. Proprio quella all’esterno sarebbe quella osservabile che produrrebbe informazioni riguardanti anche quella all’interno. L’entanglement quantistico risulterebbe indispensabile per un dispositivo del genere tramite il quale si potrebbe confermare sperimentalmente la radiazione di Hawking.

Nuovo sistema di comunicazione che potrebbe sfruttare la radiazione di Hawking

Il ricercatore va anche oltre: in futuro potrebbe essere proposto un nuovo sistema di comunicazione che potrebbe sfruttare la radiazione di Hawking. Si tratterebbe di una comunicazione su base quantistica e tra spazi-tempo diversi ma per ottenere ciò dovrebbero essere superate ancora diverse difficoltà.

Note e approfondimenti

  1. Quantum-circuit black hole lasers | Scientific Reports (IA) (DOI: 10.1038/s41598-021-98456-0)

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