I buchi neri stanno diventando ogni giorno più strani. Quando gli scienziati hanno confermato per la prima volta l’esistenza dei colossi negli anni ’70, abbiamo pensato che fossero cadaveri inerti molto semplici. Quindi, il famoso fisico Stephen Hawking ha scoperto che i buchi neri non sono completamente neri e che in realtà emettono calore. E ora, un paio di fisici si sono resi conto che anche gli oggetti oscuri premono sull’ambiente circostante.
La nostra conclusione che un tale semplice, non periodicobuchi neri “Avere pressione e temperatura è ancora più eccitante considerando che è stata una sorpresa completa”, ha detto in una nota il co-autore Xavier Calmette, professore di fisica all’Università del Sussex in Inghilterra.
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Calmette e il suo studente laureato Volkert Kuipers hanno studiato gli effetti quantistici vicino agli orizzonti degli eventi per i buchi neri, che sono estremamente difficili da determinare. Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica per semplificare i loro calcoli. Durante il loro lavoro, è apparso uno strano termine nella matematica della loro soluzione. Dopo mesi di confusione, si sono resi conto di cosa significasse questo termine appena scoperto: era l’espressione della pressione di un buco nero. Nessuno sapeva che questo fosse possibile prima, e sta cambiando il modo in cui gli scienziati pensano ai buchi neri e alle loro relazioni con il resto dell’universo.
Motore Hawking
Negli anni ’70, Hawking divenne uno dei primi fisici ad applicare Meccanica quantistica Per cercare di capire cosa sta succedendo all’orizzonte degli eventi, la regione attorno a un buco nero oltre la quale nulla, nemmeno la luce, può sfuggire. Prima di questo lavoro, tutti pensavano che i buchi neri fossero cose semplici. secondo relatività generale, la teoria gravitazionale che per prima ha proposto l’esistenza dei buchi neri, non c’è assolutamente nulla di straordinario nell’orizzonte degli eventi. L’orizzonte degli eventi è il “confine” del buco nero e definisce la regione in cui l’uscita del nero richiede un viaggio più veloce della luce. Ma era solo una linea immaginaria nello spazio: se l’avessi attraversata, non sapresti nemmeno di averlo fatto, finché non hai provato a voltarti e ad andartene.
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Hawking ha cambiato tutto questo. Si rese conto che la schiuma quantica, che si riferisce a un mare di particelle che appaiono costantemente nel vuoto dello spaziotempo, potrebbe influenzare quella visione semplificata dell’orizzonte degli eventi. A volte coppie di particelle appaiono spontaneamente dallo spazio vuoto di Tempo libero, per poi annichilirsi a vicenda in un lampo di energia, riportando il vuoto al suo stato originario. Ma quando questo accade vicino al buco nero, una coppia può rimanere intrappolata dietro l’orizzonte degli eventi e l’altra scappare. Il buco nero rimane aggrappato alla bolletta energetica della particella in fuga, e quindi deve perdere la sua massa.
Questo processo è ora noto come radiazione di Hawking e attraverso questi calcoli abbiamo scoperto che i buchi neri non sono completamente neri al 100%. Brillano un po’. Questo bagliore, noto come “radiazione del corpo nero”, significa che hanno anche calore, entropia (chiamata anche “turbolenza”) e tutti gli altri termini che di solito applichiamo a cose ordinarie come frigoriferi e motori di automobili.
Tecnologia efficace
Hawking si è concentrato su come la meccanica quantistica influenza i dintorni di un buco nero. Ma questa non è tutta la storia. La meccanica quantistica non include la forza gravità, e una descrizione completa di ciò che accade all’orizzonte degli eventi vicino dovrebbe includere la gravità quantistica, o una descrizione di come la gravità forte influenzi scale molto piccole.
Dagli anni ’70, molti fisici hanno tentato la fortuna nello sviluppo della teoria della gravità quantistica e nell’applicazione di tali teorie alla fisica dell’orizzonte degli eventi. L’ultimo tentativo arriva da questo nuovo studio di Calmet e Kuipers, pubblicato a settembre sulla rivista revisione fisica d.
“Sebbene la pressione esercitata dal buco nero che stavamo studiando sia minima, il fatto che esista apre molteplici nuove possibilità, incluso lo studio dell’astrofisica, della fisica delle particelle e della fisica quantistica”.
Xavier Calmette
“L’intuizione storica di Hawking che i buchi neri non sono neri ma hanno uno spettro di radiazione molto simile a un corpo nero rende i buchi neri un laboratorio ideale per studiare l’interazione tra meccanica quantistica, gravità e termodinamica”, ha detto Calmette.
Senza una teoria completa della gravità quantistica, il duo ha utilizzato una tecnica di approssimazione chiamata teoria del campo efficace, o EFT. Questa teoria presuppone che la gravità a livello quantistico sia debole – un’assunzione che consente di fare qualche progresso nei calcoli senza che tutto crolli, come accade quando la gravità in un sistema quantistico è troppo forte. Sebbene questi calcoli non rivelino il quadro completo dell’orizzonte degli eventi, possono fornire informazioni all’interno e all’interno del buco nero.
Calmette ha spiegato: “Se consideriamo i buchi neri solo all’interno della relatività generale, si può dimostrare che hanno singolarità nei loro centri in cui le leggi della fisica come le conosciamo dovrebbero essere interrotte”. “Si spera che quando la teoria quantistica dei campi sarà incorporata nella relatività generale, potremmo essere in grado di trovare una nuova descrizione dei buchi neri”.
Ecco la pressione
Calmet e Kuipers stavano esplorando la termodinamica dei buchi neri usando la trasduzione di elettroni in prossimità dell’orizzonte degli eventi quando hanno notato uno strano termine matematico che compare nelle loro equazioni. All’inizio, il termine li sconcertò completamente: non sapevano cosa significasse o come interpretarlo. Ma questo è cambiato durante una conversazione il giorno di Natale del 2020.
Si sono resi conto che il termine nelle equazioni rappresenta lo stress. Vera pressione reale. La stessa pressione esercitata dall’aria calda all’interno del pallone che sale, o la pressione su un pistone all’interno del motore della tua auto.
“Il momento in cui abbiamo lasciato cadere lo spillo quando ci siamo resi conto che il misterioso risultato nelle nostre equazioni ci stava dicendo che il buco nero che stavamo studiando era sotto pressione – dopo mesi di lotta con esso – era esilarante”, ricorda Kuipers.
Questa pressione è quasi minuscola, è inferiore a 10^54 volte dello standard Pressione Per terra. Ma è lì. Hanno anche scoperto che la pressione può essere positiva o negativa, a seconda della specifica miscela di particelle quantistiche vicino al buco nero. La pressione positiva è quella che mantiene gonfio il palloncino, mentre la pressione negativa è la tensione che si sente in un elastico teso.
Il loro risultato espande l’idea dei buchi neri come entità termodinamiche che contengono non solo temperatura ed entropia, ma anche pressione. Poiché il loro lavoro descrive solo la gravità quantistica debole e trascura la gravità forte, non può spiegare completamente il comportamento dei buchi neri, ma è un passo importante.
“Il nostro lavoro è un passo in questa direzione, e sebbene la pressione esercitata dal buco nero che abbiamo studiato sia minuscola, il fatto che esista apre molteplici nuove possibilità, incluso lo studio dell’astrofisica, della fisica delle particelle e della fisica quantistica”, ha concluso la calma.
Pubblicato originariamente su Live Science.
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