Nascono dalla morte delle grandi stelle, inghiottono materia, sconvolgono il flusso del tempo e, secondo Stephen Hawking, emettono persino calore. Vi proponiamo di scoprire i buchi neri, questi oggetti cosmici dove le leggi della fisica raggiungono i loro limiti.
Un buco nero è ciò che resta di una grande stella che, dopo aver bruciato tutto il suo combustibile, è collassata su se stessa al punto da scavare un vero e proprio buco nello spazio. Il buco nero affascina perché è un luogo dell'universo dove le grandi teorie della fisica (la relatività generale, la meccanica quantistica e la scienza del calore) raggiungono i loro limiti e si trovano costrette a dialogare.
A lungo, i buchi neri sono stati solo una conseguenza teorica delle equazioni di Albert Einstein, una curiosità in cui poche persone credevano davvero. Oggi, gli astronomi ne osservano migliaia nel cielo e li studiano in dettaglio. La materia delle stelle che li hanno formati è precipitata all'interno ed è scomparsa dalla nostra vista... ma per andare dove? Questa è una delle grandi domande ancora aperte.
Il buco nero riserva altre sorprese. Il fisico inglese Stephen Hawking ha calcolato che un buco nero emette calore, un po' come un radiatore. E il tempo non scorre allo stesso ritmo di fuori, tanto che un evento molto breve all'interno può sembrare durare a lungo visto da fuori.
Da notare: per comprendere un buco nero, è necessario prima accettare un'idea poco intuitiva. Lo spazio non è una scatola vuota e immobile in cui gli oggetti si muovono, è una sorta di immenso mollusco flessibile, che ondeggia, si curva, si torce e può, nei casi estremi, scavarsi.
Un buco nero si forma a partire da una grande stella che ha bruciato tutto il suo combustibile, l'idrogeno, e che alla fine si spegne. Privato del calore della combustione che lo sosteneva, ciò che resta della stella collassa sotto il proprio peso, fino a curvare lo spazio al punto da scavare un buco.
La formazione di un buco nero può essere riassunta in cinque fasi:
la grande stella brucia il suo idrogeno, e il calore di questa combustione le impedisce di collassare,il combustibile si esaurisce e la stella si spegne,ciò che resta della stella non è più sostenuto dal calore e collassa sotto il proprio peso,la materia diventa sempre più densa e curva lo spazio sempre più fortemente,lo spazio finisce per scavarsi di un buco senza uscita: il buco nero è nato.
Per misurare la violenza di questo collasso, prendiamo l'esempio del nostro Sole. Se il Sole dovesse formare un buco nero quando smetterà di bruciare, questo buco nero avrebbe un diametro di circa un chilometro e mezzo soltanto. Tutta la materia della nostra stella, pur essendo gigantesca, sarebbe compressa in una sfera di un chilometro e mezzo di larghezza!
La nascita di un buco nero non passa forse sempre attraverso la morte di una stella. Alcuni fisici ipotizzano che buchi neri di dimensioni diverse si siano formati nel "crogiolo" dei primissimi istanti dell'universo, e che alcuni di essi stiano esplodendo oggi.
La relatività generale spiega i buchi neri con un'idea semplice: la materia curva lo spazio, e una materia estremamente concentrata può curvarlo al punto da scavare un buco. Nella teoria che Albert Einstein ha completato nel novembre del 1915, il campo gravitazionale non è diffuso nello spazio, è lo spazio stesso.
Prima di Einstein, Newton spiegava la caduta dei corpi e il moto dei pianeti attraverso una "forza di gravità" che agiva a distanza, in uno spazio visto come un immenso contenitore vuoto. La relatività generale sostituisce questa forza misteriosa con una curvatura. L'immagine più eloquente è quella di una biglia che rotola in un imbuto: nulla la attrae verso il centro, è la pendenza delle pareti che la fa girare. Allo stesso modo, la Terra ruota attorno al Sole perché avanza dritta in uno spazio che il Sole inclina attorno a sé.
Per descrivere questa curvatura, Einstein si è servito della matematica delle superfici curve inventate da Carl Friedrich Gauss, poi estese agli spazi tridimensionali e oltre dal suo allievo Bernhard Riemann. L'equazione di Einstein dice che la curvatura di Riemann, indicata con R, è proporzionale all'energia della materia. In parole semplici: lo spazio si curva dove c'è materia (e l'equazione si esprime in mezza riga, il che non ha impedito al fisico russo Lev Landau di vedere nella relatività generale "la più bella delle teorie scientifiche").
Anche il tempo si curva: passa più velocemente in alta quota e più lentamente vicino alla Terra, una differenza minuscola ma misurata. Il buco nero è il caso estremo della relatività generale, quello in cui la curvatura diventa tale che lo spazio si scava di un buco senza uscita e che il tempo, all'interno, non scorre più affatto allo stesso ritmo di fuori.
Gli astronomi osservano oggi migliaia di buchi neri nel cielo e li studiano in dettaglio. Questi buchi neri osservati sono nati da stelle collassate su se stesse, la cui materia è precipitata all'interno ed è scomparsa dalla nostra vista.
Questo numero di diverse migliaia sorprende quando si considera da dove si parte. Non molto tempo fa, gli studenti di fisica imparavano che i buchi neri erano solo previsioni poco credibili di una teoria esoterica, la relatività generale. Pochissimi immaginavano che un giorno se ne sarebbero contati così tanti!
La storia dei buchi neri assomiglia a quella delle altre previsioni della relatività generale, che inizialmente sembravano deliri di un scienziato pazzo prima di essere verificate una a una:
la deviazione della luce a causa della curvatura dello spazio attorno a una stella, osservata nel 1919,il tempo che passa più velocemente in alta quota rispetto al livello del mare, misurato e constatato,l'espansione dell'universo, osservata nel 1930,le onde gravitazionali, queste increspature dello spazio i cui effetti sulle stelle binarie confermano la teoria con una precisione di uno su cento miliardi,e i buchi neri, passati dallo status di ipotesi dubbiosa a quello di oggetti osservati per migliaia.
Una limitazione, tuttavia: vedere migliaia di buchi neri non significa sapere cosa succede al loro interno. L'interno di un buco nero sfugge alla nostra vista e il destino della materia che vi è caduta rimane una questione aperta della fisica.
L'equazione di Einstein prevede che lo spazio non possa rimanere immobile: l'universo deve essere in espansione, e questa espansione dell'universo è stata effettivamente osservata nel 1930. La stessa equazione indica che l'espansione deve essere stata innescata dall'esplosione di un universo giovane, molto piccolo e molto caldo: è il Big Bang.
Come per i buchi neri, la previsione del Big Bang da parte dell'equazione di Einstein ha inizialmente lasciato tutti scettici. Nessuno ci credeva davvero. Poi le prove si sono accumulate, fino all'osservazione nel cielo della radiazione cosmica, quella luce diffusa che è il resto del calore dell'esplosione iniziale.
Perché parlare del Big Bang in relazione ai buchi neri? Perché entrambi i fenomeni derivano dalla stessa equazione della relatività generale e perché pongono lo stesso enigma: in entrambi i casi, della materia si trova compressa in uno spazio minuscolo, dove la relatività generale da sola non basta più e dove deve entrare in gioco la meccanica quantistica.
Nota Bene: la gravità quantistica a loop, una pista di ricerca che tenta di coniugare relatività generale e meccanica quantistica, suggerisce che il Big Bang potrebbe essere stato in realtà un "Big Bounce", cioè un grande rimbalzo. Il nostro universo sarebbe nato da un universo precedente che si contrarre sotto il proprio peso, fino a raggiungere la dimensione di un guscio di noce, prima di rimbalzare e ricominciare a espandersi. Un meccanismo di rimbalzo che alcuni fisici immaginano anche nel cuore dei buchi neri.
Stephen Hawking ha dimostrato, basandosi sulla meccanica quantistica, che i buchi neri sono sempre "caldi": emettono calore, una radiazione paragonabile a quella di un radiatore. Questo risultato del fisico inglese è il primo indice concreto di cos'è uno "spazio caldo".
Per misurare l'importanza del calcolo di Hawking, bisogna sapere cos'è il calore. Fino alla metà del XIX secolo, i fisici lo immaginavano come una sorta di fluido, il "calorico". Maxwell e Ludwig Boltzmann hanno capito che non è così: un corpo caldo è semplicemente un corpo i cui atomi e molecole si muovono più velocemente. L'aria calda è un'aria in cui le molecole corrono veloci, l'aria fredda è un'aria in cui corrono più lentamente, è così semplice.
I fisici sanno descrivere un campo elettromagnetico caldo, come la radiazione che regna in un forno: si può immaginare come un gas di fotoni che vibrano a caso. Ma secondo la relatività generale, il campo gravitazionale è lo spazio stesso, e anche lo spazio-tempo. Un campo gravitazionale caldo è quindi uno spazio e un tempo che vibrano... e nessuno ha ancora le equazioni per descrivere un tale spazio-tempo caldo.
Il buco nero caldo di Hawking è prezioso proprio per questo motivo: è un effetto quantistico che si verifica su un oggetto di natura gravitazionale. Il calcolo è stato ripreso in modi diversi, e molti fisici oggi considerano il calore dei buchi neri come reale. Da notare: Stephen Hawking è rimasto famoso anche per aver portato avanti i suoi lavori nonostante gravi problemi medici che lo avevano costretto su una sedia a rotelle e privato della parola.
No, il calore dei buchi neri non è mai stato osservato. Per i buchi neri reali che gli astronomi vedono nel cielo, questo calore previsto da Stephen Hawking è troppo debole per essere rilevato.
Questa è la grande debolezza del dossier: il calore dei buchi neri si basa su un calcolo, non su una misura. Il calcolo è considerato convincente, è stato ripetuto attraverso altri metodi, e molti fisici considerano il fenomeno come reale. Ma una previsione, per quanto elegante, rimane una previsione finché l'esperimento non ha deciso.
La prudenza è ancora più necessaria poiché la fisica ha già conosciuto teorie seducenti smentite dai fatti. Una teoria degli anni '70 chiamata SU(5) prevedeva che il protone alla fine si disintegrasse: fisici hanno circondato tonnellate d'acqua con rivelatori, che contengono miliardi di protoni, e alcuni hanno dedicato la loro vita a questo... senza mai vedere un solo protone disintegrarsi. Le particelle dette "supersimmetriche", attese con fiducia per decenni, non si sono manifestate.
In mancanza della possibilità di misurare il calore dei buchi neri, i fisici cercano altri modi per testare la fisica quantistica di questi oggetti, ad esempio osservando nei raggi cosmici ad alta energia i segnali di eventuali piccoli buchi neri in fase di esplosione. Nulla è acquisito: la questione rimane aperta, ed è proprio questo a renderla appassionante.
Gli atomi di spazio sono, secondo la gravità quantistica a loop, i grani elementari di cui sarebbe costituito lo spazio: lo spazio non sarebbe né continuo né divisibile all'infinito, ma formato da minuscoli quanta. Questi atomi di spazio sarebbero anche quelli che, vibrando, riscaldano la superficie di un buco nero.
La gravità quantistica a loop parte da due constatazioni molto semplici. La relatività generale insegna che lo spazio è un campo, qualcosa di dinamico che può essere compresso e torcere. La meccanica quantistica insegna che ogni campo è fatto di quanta, con una struttura fine a grani. Se si prendono entrambe sul serio contemporaneamente, senza aggiungere nulla, lo spazio stesso deve essere "fatto di quanta".
Questi grani di spazio sono di una piccolezza che fa girare la testa:
un miliardo di miliardi di volte più piccoli del più piccolo dei nuclei atomici,milioni di miliardi di volte più piccoli della più piccola distanza che riescono a sondare i nostri strumenti più potenti, come il grande acceleratore di particelle di Ginevra.
Si parla di "loop" perché ogni atomo di spazio è collegato ad altri e forma con essi una rete, alla maniera degli anelli di ferro di una maglia. Dove si trovano questi atomi di spazio? Da nessuna parte: non sono nello spazio, sono lo spazio. Da notare: la gravità quantistica a loop, sviluppata da team di diversi paesi (la Francia ha un ruolo di primo piano), non ha ancora ricevuto una verifica sperimentale, e ci sono altre piste di ricerca accanto a essa.
Nessuno sa ancora con certezza cosa diventi la materia che cade in un buco nero, ma un'ipotesi audace propone una risposta: questa materia finirebbe per formare una "stella di Planck". Secondo la gravità quantistica a loop, la materia di un buco nero non può collassare in un punto infinitamente piccolo, semplicemente perché lo spazio non ha punti infinitamente piccoli, solo regioni di dimensioni finite.
Lo scenario della stella di Planck si svolge in quattro fasi:
la materia della stella collassa sotto il proprio peso e diventa sempre più densa,arrivata a un certo grado di compressione, la meccanica quantistica genera una pressione contraria,questa pressione, nata dalle fluttuazioni quantistiche dello spaziotempo, finisce per bilanciare il peso della materia: è la stella di Planck,la stella di Planck non è stabile, una volta compressa al massimo rimbalza, il che porta all'esplosione del buco nero.
Facciamo un esempio. Se il Sole un giorno formasse un buco nero di circa un chilometro e mezzo di diametro, la sua materia continuerebbe a collassare all'interno fino a formare una stella di Planck delle dimensioni di un atomo: tutto il Sole starebbe nello spazio di un atomo! E se i buchi neri sembrano durare così a lungo, è perché il tempo non scorre alla stessa velocità dentro e fuori (un po' come passa più veloce in montagna che sulla spiaggia, ma con una differenza enorme). Il rimbalzo, molto breve per un osservatore immaginario seduto sulla stella di Planck, appare estremamente lento visto dall'esterno.
Un buco nero sarebbe quindi una stella che rimbalza su se stessa al rallentatore. Se piccoli buchi neri nati all'inizio dell'universo esplodono oggi, i loro segnali potrebbero apparire nei raggi cosmici ad alta energia, o addirittura nei lampi radio veloci (Fast Radio Bursts, o FRB) già captati da radiotelescopi. L'idea potrebbe anche non funzionare: potrebbe non essersi formata abbastanza buchi neri nell'universo primordiale, e questi lampi radio potrebbero avere un'altra origine.
Il legame tra gravità quantistica e termodinamica dei buchi neri passa attraverso il calore della loro superficie: sono i grani elementari di spazio, gli "atomi di spazio", che vibrando riscaldano la superficie di un buco nero. Il calore dei buchi neri riunisce così tre conoscenze fondamentali che la fisica non è ancora riuscita a fondere in un'unica teoria: i quanti, la gravità e la termodinamica.
La termodinamica è la scienza del calore e della temperatura. La sua origine probabilistica è stata compresa grazie alle idee del fisico austriaco Ludwig Boltzmann, idee ritenute assurde durante la sua vita (Boltzmann, che nessuno prendeva sul serio, si suicidò il 5 settembre 1906 a Duino, vicino a Trieste, senza vedere riconosciuti i suoi lavori). La termodinamica e la meccanica statistica sono state poi estese ai campi elettromagnetici e ai fenomeni quantistici. La loro estensione al campo gravitazionale, invece, si scontra ancora con un problema irrisolto.
Il nocciolo del problema è che i due pilastri della fisica moderna si contraddicono. Uno studente che seguisse al mattino un corso di relatività generale e nel pomeriggio un corso di meccanica quantistica sentirebbe descrivere due mondi incompatibili: al mattino, uno spazio curvo dove tutto è continuo, nel pomeriggio, uno spazio piatto dove saltellano quanti di energia. Eppure, le due teorie funzionano sorprendentemente bene. I fisici vi vedono un'opportunità, poiché è riconciliando due teorie che funzionavano che Newton ha trovato la gravitazione universale (combinando le parabole di Galilei e le ellissi di Keplero) e che Maxwell ha riunito elettricità e magnetismo.
Ecco perché il calore dei buchi neri può essere paragonato a una pietra di Rosetta: un testo scritto in tre lingue (Quanti, Gravità e Termodinamica) che attende di essere decifrato. La gravità quantistica inizia a collegare due di queste lingue, ma nessuno dispone ancora del minimo abbozzo di teoria capace di collegare le tre, né comprende davvero perché i buchi neri riscaldino. Il giorno in cui questo testo sarà letto, potrebbe dirci cosa sia realmente il fluire del tempo.
I buchi neri potrebbero aiutare a comprendere la natura del tempo che scorre, perché il loro calore collega lo spazio, i quanti e il calore, ed è proprio il calore che dà al tempo la sua direzione. In fisica, la differenza tra passato e futuro appare solo quando c'è calore.
Fate un esperimento mentale con un pendolo. Immaginatelo senza alcun attrito, filmatelo e riproducete il film al contrario: il movimento sembra altrettanto plausibile. Aggiungete attrito: il pendolo riscalda i suoi supporti, perde energia, rallenta, e distinguerete subito il film nella sua versione normale da quello al contrario (nessuno ha mai visto un pendolo fermo riprendere a oscillare da solo). Secondo Ludwig Boltzmann, il calore va dal caldo al freddo non per una legge assoluta ma perché è di gran lunga il più probabile: non è impossibile che il tè caldo si riscaldi ulteriormente a contatto con un cucchiaio freddo, è solo terribilmente improbabile.
Perché allora il tempo ci sembra "scorrere"? La relatività ha dimostrato che un presente comune a tutto l'universo è un'illusione (Einstein, alla morte del suo amico Michele Besso, scriveva alla sua famiglia che la distinzione tra passato, presente e futuro non è che un'illusione tenace), e le equazioni della gravità quantistica a loop non contengono nemmeno più la variabile tempo. Una possibile risposta: il fluire del tempo nascerebbe dalla nostra visione sfocata del mondo, dal fatto che interagiamo solo con una manciata di variabili, come la temperatura, tra le innumerevoli che descrivono la realtà. Alcuni filosofi, sulla scia di Martin Heidegger, per cui noi "abitiamo il tempo", ritengono che la fisica trascuri l'essenziale, e i fisici ricordano loro che le nostre intuizioni immediate ci hanno spesso ingannati, a cominciare da quella di una Terra piatta.
Per trattenere l'essenziale sui buchi neri: nascono dal collasso delle grandi stelle, la relatività generale li descrive come buchi scavati nello spazio, gli astronomi ne osservano migliaia, Stephen Hawking ha dimostrato che sono caldi, e la gravità quantistica immagina nel loro cuore una stella di Planck che rimbalza al rallentatore. La prossima volta che leggerete che un misterioso lampo radio è stato captato, o che un calcolo sui buchi neri è oggetto di dibattito, saprete quali domande si celano dietro... e perché i fisici non hanno finito di cercare.