Le nuove equazioni che vanno oltre la teoria della relatività generale di Einstein

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Quando le stelle collassano, possono creare buchi neri, che sono ovunque in tutto l’universo e quindi importanti da studiare. I buchi neri sono oggetti misteriosi con un bordo esterno chiamato orizzonte degli eventi, che intrappola tutto, compresa la luce.

La teoria della relatività generale di Einstein prevede che una volta che un oggetto cade all’interno di un orizzonte degli eventi, finisce al centro del buco nero, chiamato singolarità, dove viene completamente distrutto. Nella singolarità, l’attrazione gravitazionale è infinita e tutte le leggi della fisica conosciute si disgregano compresa la teoria della relatività generale di Einstein. Negli ultimi decenni, i fisici teorici hanno messo in discussione molte volte l’esistenza effettiva delle singolarità attraverso complesse equazioni matematiche, ma con scarso successo fino ad ora.

Parampreet Singh, Professore Associato al Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’LSU, Javier Olmedo, ricercatore postdottorato  e Abhay Ashtekar, Professore di Fisica all’Eberly Penn State hanno sviluppato nuove equazioni matematiche che vanno oltre la teoria della relatività generale di Einstein superando il suo limite chiave: la singolarità centrale dei buchi neri.

I fisici teorici svilupparono una teoria chiamata gravità quantistica negli anni ’90, teoria che sposa le leggi della fisica microscopica, o meccanica quantistica, con la gravità, per spiegare le dinamiche dello spazio e del tempo. Le nuove equazioni di Ashtekar, Olmedos e Singh descrivono i buchi neri in un ciclo della gravità quantistica e hanno dimostrato che la singolarità del buco nero non esiste.

Nella teoria di Einstein, lo spazio-tempo è un tessuto che può essere diviso quanto basta. Questa è essenzialmente la causa della singolarità in cui il campo gravitazionale diventa infinito. Nel ciclo di gravità quantistica a loop, il tessuto dello spazio-tempo ha una struttura a forma di tessera, che non può essere divisa oltre la tessera più piccola. I miei colleghi e io abbiamo dimostrato che questo è il caso nei buchi neri e quindi non c’è singolarità “, ha detto Singh.

Invece della singolarità, la gravità quantistica a loop predice un imbuto verso un altro ramo dello spazio-tempo.

Queste unità di geometria simili a tessere, chiamate ‘eccitazioni quantistiche‘, che risolvono il problema della singolarità sono ordini di grandezza inferiori a quelli che possiamo rilevare con la tecnologia odierna, ma abbiamo precise equazioni matematiche che predicono il loro comportamento“, ha detto Ashtekar, che è uno dei padri fondatori della gravità quantistica a loop.

Alla LSU, abbiamo sviluppato tecniche computazionali allo stato dell’arte per estrarre le conseguenze di queste equazioni fisiche usando i supercomputer, portandoci più vicino a testare in modo affidabile la gravità quantistica“, ha detto Singh.

Secondo la relatività generale di Einstein, nel centro di un buco nero la gravità è infinita, quindi tutto ciò che entra, comprese le informazioni, viene perso. Da qui il paradosso dell’informazione, contro cui i fisici teorici si stanno scontrando da decenni. Ora, le correzioni quantistiche della gravità quantistica a loop prevedono una forza repulsiva capace di sopraffare anche la forza di gravità classica in modo che la fisica continui ad avere senso anche nel centro di un buco nero.

La teoria di Einstein fallisce non solo al centro dei buchi neri ma anche nello spiegare come l’universo sia stato creato dalla singolarità che ha generato il Big Bang. Pertanto, un decennio fa, Ashtekar, Singh e collaboratori hanno iniziato a estendere la fisica oltre il Big Bang e fare nuove previsioni utilizzando la gravità quantistica a loop. Usando le equazioni matematiche e le tecniche computazionali sulla gravità quantistica a loop, hanno dimostrato che il Big Bang può essere sostituito dal “Big Bounce”. Ma il problema del superamento della singolarità del buco nero è eccezionalmente complesso.

In pratica, ciò che entra in un buco nero deve uscire da qualche altra parte.

Un particolare interessante è che, sebbene la gravità quantistica a loop continui a funzionare laddove la relatività generale fallisce, le singolarità dei buchi neri e il Big Bang, lontano da queste due circostanze estreme le sue previsioni coincidono proprio con quelle della relatività generale. «Non è assolutamente banale riuscire a descrivere entrambe le situazioni», conclude  Singh. “Nell’ultimo decennio, diversi ricercatori hanno esplorato la natura quantistica della singolarità del buco nero, ma o l’ipotesi della singolarità ha prevalso oppure i meccanismi che la risolvevano scatenavano effetti innaturali. Il nostro nuovo lavoro è privo di tutte queste limitazioni”.

Il destino dei buchi neri in una teoria quantistica della gravità è, a mio avviso, il problema più importante nella fisica teorica“, ha detto Jorge Pullin, professore di fisica teorica.

La ricerca è stata sostenuta dalla US National Science Foundation, dall’Urania Stott Fund della Pittsburgh Foundation, dalla Penn State Eberly College of Science e dal Ministero dell’Economia e Competitività, o MINECO, in Spagna.

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