Foto: ESA/Hubble & NASA and S. Smartt (Queen's University Belfast)

Non esistono «censori cosmici». Non esistono cassini in grado di cancellare per sempre l’informazione dalla grande lavagna dell’universo. Neppure i buchi neri, gli oggetti cosmici più feroci che conosciamo, i candidati più autorevoli al ruolo di «cosmic eraser», di censore cosmico appunto, riescono a fare tanto. 

È questo che afferma Stephen Hawking, 74 anni, fisico teorico che ha occupato quella cattedra lucasiana di matematica a Cambridge che fu di Isaac Newton, a commento di un articolo che egli stesso e due suoi colleghi, Andy Strominger e Malcolm Perry, hanno pubblicato a giugno sulle Physical Review Letters.

Stephen Hawking è forse il fisico più conosciuto al mondo: una “pop icon”, come lo ha definito di recente The New York Times. Un’icona della scienza la cui popolarità è seconda, forse, solo a quella di Albert Einstein e che è dovuta alla sua bravura, indiscussa. Ma anche al fatto di aver scritto trent’anni fa o giù di lì un libro, Dal Big Bang ai buchi neri. Breve storia del tempo, diventato un best seller mondiale, come raramente capita ai libri di cultura scientifica. E al fatto di essere una sorta di miracolo della medicina: giunto a 74 anni, sia pure paralizzato su una sedia a rotelle e potendo parlare solo attraverso la voce artificiale di un computer, ma resistendo agli attacchi di una malattia, la sclerosi amiotrofica laterale, che prima di lui si pensava uccidesse sempre agli inizi  dell’età giovanile. 

Numerosi film sono stati dedicati a Hawking, molti di grande successo. Da ultimo, La teoria del tutto, di James Marsh, dove a incarnare il suo personaggio è Eddie Redmayne, che per questa interpretazione ha vinto l’Oscar.

Tutto questo fa sì che con Stephen Hawking il semplice annuncio di una notizia faccia notizia. Per tutto questo da almeno quarant’anni anche i giornali generalisti propongono al grande pubblico, spesso in prima pagina, la “nuova teoria sui buchi neri” del grande fisico teorico inglese. 

Ma cosa sono i buchi neri? E cosa hanno detto Hawking, Strominger e Perry nel loro ultimo articolo? Vale la pena cercare di rispondere a queste domande. E non solo perché i buchi neri, per ragioni diverse, sono oggetti che catturano l’attenzione e l’immaginazione sia dei fisici che del grande pubblico. Ma anche perché il comportamento dei buchi neri ha grosse implicazioni sulla conoscenza e sul destino dell’intero universo. Lungo l’orizzonte degli eventi di quei mostri cosmici si concentrano, infatti, molte questioni rilevanti e problemi irrisolti della fisica: dalla difficoltà di unificare meccanica quantistica e relatività generale alla validità del primo principio della termodinamica, secondo cui l’energia e, quindi, l’informazione dell’universo sono costanti.

  I buchi neri sono i figli naturali della relatività generale. Nel senso che sono previsti dalla grande teoria elaborata cento anni fa da Albert Einstein. Si trattata, infatti, di oggetti dotati di una forza di gravità così grande da riuscire a curvare lo spaziotempo fino a farlo chiudere su se stesso. In altri termini sono pozzi gravitazionali che inghiottono tutto e non lasciano scappare via da sé nulla, neppure la luce. Di qui il nome, buchi neri. 

Proprio a causa di questa loro peculiare e tragica caratteristica, l’essere per definizione non visibili, i buchi neri sono stati per lungo tempo oggetti virtuali. Previsti dalla teoria fondamentale della fisica, nessuno poteva osservarli. Da un paio di decenni, tuttavia, gli astrofisici hanno iniziato a individuarli in maniera chiara anche se indiretta, “pesando” i loro tremendi effetti sull’ambiente che li circonda. Grazie poi a una serie di potenti strumenti collocati nello spazio, è stato possibile infatti individuare la presenza di buchi neri giganti (con una massa pari a centinaia di milioni di volte quella del nostro Sole) al centro della Via Lattea e in molti luoghi dell’universo, “ascoltando” il lancinante lamento che la materia si lascia sfuggire, sotto forma di raggi X caratteristici, mentre sta per cadere in uno di quei pozzi gravitazionali e scomparire “per sempre” dal nostro universo.

Il riferimento all’eternità lo mettiamo tra virgolette, perché dopo aver pensato a lungo il contrario, ora Hawking sostiene che neppure in un buco nero esiste il “per sempre”. Tutto, anche quel pozzo gravitazionale ha una storia. E la conserva.

Tra i grandi meriti del fisico inglese (e del suo amico e collega, Roger Penrose), c’è stato quello di aver dimostrato, una quarantina di anni fa, che in fondo quel “per sempre” non è poi così definitivo. E che i buchi neri non sono, poi, così neri.

Ma è meglio procedere con ordine. E ricordare come Hawking e Penrose abbiano dimostrato che, in un buco nero come nell’intero universo, la relatività generale è costretta a rinnegare se stessa. Nell’ambito della teoria di Einstein, infatti, non è possibile sfuggire al paradosso della “singolarità”. Precipitando senza fine su se stessa, infatti, la materia in un buco nero continua a piegare lo spaziotempo fino a fargli raggiungere una curvatura infinita. Detta in altri termini il cuore di un buco nero è un punticino in cui la densità, la pressione e la temperatura raggiungono valori, appunto, infiniti. Un punticino, quindi, previsto dalla fisica che non può essere descritto dalla fisica. 

È la meccanica quantistica che deve intervenire per salvare la fisica da questo paradosso. Quando, infatti, la curvatura dello spaziotempo è molto elevata, entrano in gioco le proprietà quantistiche a impedire la singolarità. Il guaio è che a tutt’oggi nessuno ha risolto il problema di come conciliare le due grandi teorie fondamentali della fisica elaborando una “Teoria del Tutto”. Non sappiamo ancora come le proprietà quantistiche della materia e dell’energia riescano ad evitare che un buco nero si trasformi in una singolarità. Fatto è, però, che lo studio teorico dei buchi neri ha reso più attuale che mai il progetto di Einstein: l’unificazione della fisica.

Hawking, che è un allievo di Denis Sciama, si è innamorato fin da giovanissimo dei buchi neri e ha avuto il grande merito di coltivare con determinazione questi suoi primi interessi, concentrandosi, in particolare, sulla linea di confine tra ciascuno di questi pozzi gravitazionali e il resto dell’universo. Per scoprire, verso la metà degli anni ’70 dello scorso secolo, che un buco nero non è poi così nero. E che quegli oscuri e onnivori oggetti, proprio a causa della meccanica quantistica, “evaporano”. Perdono materia ed energia. Il principio di indeterminazione della meccanica quantistica, infatti, si applica anche sulla linea di confine di un buco nero. E poiché tra le specialità del principio elaborato da Heisenberg vi è quello di scavare tunnel sotto qualsiasi ostacolo per quanto insormontabile, ecco che la meccanica quantistica scava dei tunnel che consentono alla materia/energia di «uscire» da ciò da cui, per definizione, non potrebbe uscire. Di scappare via da un buco nero. Il modo teorizzato da Hawking fa ricorso alle proprietà del vuoto quantistico, che non è così vuoto come quello classico. Brulica, infatti, di coppie di particelle virtuali, una di materia e l’altra di antimateria, che si formano per sparire subito dopo. Se una di queste coppie si forma lungo il confine degli eventi, può succedere che una particella di materia riesca a sottrarsi all’attrazione del buco nero, mentre quella di antimateria vi precipita dentro, scontrandosi con una qualche altra particelle di materia e annichilendosi. L’effetto netto è, appunto, l’evaporazione: il buco nero è più leggero e l’ambiente circostante si è arricchito.

La scoperta (teorica) di questa “radiazione di Hawking” ha due implicazioni. Una riguarda il destino dell’universo. L’altra quello dell’informazione. La prima implicazione consiste nel fatto che c’è un futuro cosmico fuori da un buco nero. Nel futuro remoto, anzi, se l’universo continuerà a espandersi tutti i buchi neri evaporeranno e l’intera materia/energia cosmica esisterà in uno spaziotempo estremamente rarefatto ma fuori da quegli orribili pozzi di gravità.

L’altra implicazione ci riporta in un paradosso. Quando evapora da un buco nero, la materia/energia perde ogni informazione sul suo stato precedente. Cosicché un buco nero, ormai non più così nero, si comporta come un censore cosmico. Inghiotte e restituisce materia/energia. Ma inghiotte informazione senza poterla restituire. L’informazione è cancellata per sempre. Dall’istante in cui finiremo in un buco nero di noi l’universo perderà ogni traccia. E ciò è difficile da accettare, sia pure per ragioni diverse, sia da noi, ingenui non esperti, sia dai fisici più esperti. Se per noi la perdita di ogni nostra sia pur tenue traccia è uno scenario da incubo, per i fisici è un paradosso che non può essere spiegato con le leggi note della fisica.

Da una decina di anni, Hawking è alla ricerca di una strada per risolvere il “paradosso dei buchi neri”. E ora sembra averla trovata. Secondo quanto ha scritto con Malcom Perry e Andrew Strominger, infatti, l’informazione trasportata da un qualsiasi oggetto cosmico è mantenuta parzialmente sotto forma di particelle a due dimensioni che si fermano sull’orizzonte degli eventi. 

Diceva John Archibald Wheeler, uno dei pionieri di questi studi, che “i buchi neri non hanno capelli”. Sono, appunto, del tutto neri. Seguendo un’idea di Strominger, ora Hawking sostiene che i buchi neri invece i capelli li hanno: si tratta di “soft hair”, di peli soffici. In particolare, quando una particella carica entra in un buco nero aggiunge un fotone all’orizzonte degli eventi. Questo è un “soffice capello”. Ebbene, secondo Hawking, Strominger e Perry questi “capelli” possono essere osservati pur essendo molto piccoli e privi di massa. I “soft hair” consentono al buco nero di conservare la stessa energia ma di variare il suo momento angolare. Misurando questa variazione sarebbe possibile risalire alla storia che l’ha determinata. E, dunque, recuperare l’informazione. 

Se ci è concesso tradurre ulteriormente il gergo fisico-matematico in linguaggio comune, possiamo dire che alcune particelle quando precipitano in un buco nero lasciano un’impronta sull’orizzonte degli eventi. In questo modo l’informazione, sia pure in maniera confusa, può sopravvivere all’orrido pasto e tornare indietro con la “radiazione di Hawking” senza violare né la relatività generale, né la meccanica quantistica, né la legge di conservazione dell’energia. 

Inutile dire che, finora, nulla di tutto questo è stato osservato. Ma se Hawking dovesse avere ancora una volta ragione, allora ci saranno implicazioni cosmologiche profonde. Potremo, per esempio, cercare in giro per quel buco nero che è il nostro universo tracce di altri universi/buchi neri. Magari di quell’universo che, dicono alcuni, ha preceduto il nostro nel viaggio senza fine della materia/energia dall’eternità all’eternità.

Ma per concludere, è meglio lasciargli la parola. “Abbiamo scoperto che non ci sono quelle “prigioni eterne” che una volta pensavamo dovessero esserci”», ha dichiarato a The New York Times. “Se un giorno cadrete in un buco nero e vi sentirete intrappolati, ebbene sappiate che c’è una via per uscire”. Tutto sta a trovarla.

Pietro Greco