I wormhole quantistici riempiono le lacune nell’entropia del buco nero – Physics World

Un nuovo modello teorico potrebbe risolvere un enigma vecchio di 50 anni sull’entropia dei buchi neri. Sviluppato da fisici negli Stati Uniti, in Belgio e in Argentina, il modello utilizza il concetto di wormhole quantomeccanici per contare il numero di microstati quantistici all’interno di un buco nero. I conteggi risultanti concordano con le previsioni fatte dalla cosiddetta formula entropica di Bekenstein-Hawking e potrebbero portare a una comprensione più profonda di questi oggetti astrofisici estremi.

Termodinamica del buco nero

I buchi neri prendono il loro nome perché la loro intensa gravità deforma così tanto lo spazio-tempo che nemmeno la luce può sfuggire dopo essere entrata in essi. Ciò rende impossibile osservare direttamente ciò che accade al loro interno. Tuttavia, grazie al lavoro teorico svolto da Jacob Bekenstein e Stephen Hawking negli anni ’1970, sappiamo che i buchi neri hanno entropia, e la quantità di entropia è data da una formula che porta i loro nomi.

Nella termodinamica classica, l’entropia nasce dal caos e dal disordine microscopico, e la quantità di entropia in un sistema è correlata al numero di microstati coerenti con una descrizione macroscopica di quel sistema. Per gli oggetti quantistici, anche una sovrapposizione quantistica di microstati conta come un microstato, e l’entropia è correlata al numero di modi in cui tutti i microstati quantistici possono essere costruiti da tali sovrapposizioni.

Le cause dell’entropia del buco nero sono una questione aperta e una descrizione puramente quantistica è finora sfuggita agli scienziati. A metà degli anni ’1990, i teorici delle stringhe hanno trovato un modo per contare i microstati quantistici di un buco nero che concorda con la formula di Bekenstein-Hawking per alcuni buchi neri. Tuttavia, i loro metodi si applicano solo a una classe speciale di buchi neri supersimmetrici con cariche e masse finemente sintonizzate. La maggior parte dei buchi neri, compresi quelli prodotti dal collasso delle stelle, non sono coperti.

Oltre l'orizzonte

Nel nuovo lavoro, i ricercatori dell'Università della Pennsylvania, della Brandeis University e del Santa Fe Institute, tutti negli Stati Uniti, insieme ai colleghi della Vrije Universiteit Brussel in Belgio e dell'Instituto Balseiro in Argentina, hanno sviluppato un approccio che ci consente di sbirciare all'interno di un buco nero interno. Scrivere dentro Physical Review Letters, notano che dietro l’orizzonte degli eventi di un buco nero – la superficie di confine da cui nessuna luce può fuoriuscire – esiste un numero infinito di possibili microstati. A causa degli effetti quantistici, questi microstati possono sovrapporsi leggermente attraverso tunnel nello spazio-tempo noti come wormhole. Queste sovrapposizioni rendono possibile descrivere gli infiniti microstati in termini di un insieme finito di sovrapposizioni quantistiche rappresentative. Queste sovrapposizioni quantistiche rappresentative possono, a loro volta, essere contate e correlate all'entropia di Bekenstein-Hawking.

Secondo Vijay Balasubramanian, fisico dell'Università della Pennsylvania che ha guidato la ricerca, l'approccio del team si applica ai buchi neri di qualsiasi massa, carica elettrica e velocità di rotazione. Potrebbe quindi offrire una spiegazione completa dell’origine microscopica della termodinamica del buco nero. A suo avviso, i microstati dei buchi neri sono “esempi paradigmatici di stati quantistici complessi con dinamiche caotiche”, e i risultati del team potrebbero anche contenere lezioni su come pensiamo a tali sistemi in generale. Una possibile estensione sarebbe quella di cercare un modo per utilizzare sottili effetti quantistici per rilevare i microstati del buco nero dall’esterno dell’orizzonte.

Giovanni Maldacena, teorico dell'Institute for Advanced Study di Princeton, negli Stati Uniti, che non è stato coinvolto in questo studio, definisce la ricerca una prospettiva interessante sui microstati dei buchi neri. Egli osserva che si basa sul calcolo delle proprietà statistiche della sovrapposizione degli stati puri del buco nero che vengono preparati tramite processi diversi; mentre non è possibile calcolare il prodotto interno tra questi diversi stati, la teoria della gravità, attraverso i contributi del wormhole, rende possibile calcolare le proprietà statistiche della loro sovrapposizione. La risposta, dice, è di natura statistica e nello stesso spirito di un altro calcolo dell’entropia del buco nero eseguito da Hawking e Gary Gibbons nel 1977, ma fornisce un quadro più vivido dei possibili microstati.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/quantum-mechanical-wormholes-fill-gaps-in-black-hole-entropy/