La fisica è una scienza sperimentale. Ma come si può fare un esperimento quando si parla di buchi neri e quantità fisiche microscopiche e impossibili da rilevare? Si creano situazioni analoghe in laboratorio, simulando le teorie su modelli. Così hanno fatto i ricercatori dell’Università di Paderborn (Germania), del Cinvestav (Messico) e dell’Istituto Weizmann (Israele). La ricerca, pubblicata su Nature la settimana scorsa, ha simulato la radiazione di Hawking dei buchi neri attraverso un sistema composto da fibra ottica e laser.
La radiazione di Hawking è una forma di radiazione termica emessa dai buchi neri per effetti quantistici. Essa possiede uno spettro termico caratterizzato dalla cosiddetta temperatura di Bekenstein-Hawking. Questa radiazione lega insieme termodinamica, effetti quantistici e gravità.
Rappresentazione semplificata del processo di emissione della radiazione di Hawking. Crediti: Infn
Quello che noi immaginiamo come spazio vuoto, in realtà, non è mai del tutto silente. Nella fisica quantistica non esiste il “nulla” assoluto: l’universo è permeato da campi che vibrano continuamente. Possiamo immaginare queste fluttuazioni quantistiche come un incessante ribollire da cui nascono coppie di particelle e antiparticelle. Queste appaiono insieme in un certo istante, si separano e tornano quasi subito ad annichilirsi a vicenda. Poiché non possiamo osservarle direttamente con un rilevatore, i fisici le chiamano particelle virtuali.
Per via del principio di conservazione dell’energia, uno dei due membri della coppia di particelle virtuali avrà energia negativa e l’altro energia positiva. La particella con energia negativa non può esistere fuori dal buco nero in quanto le leggi della fisica impongono che tutte le particelle reali debbano avere energia totale positiva; deve per forza scontrarsi con la sua compagna a energia positiva per ripareggiare il conto energetico.
Sull’orizzonte degli eventi, lo spaziotempo subisce una distorsione così estrema che le coordinate spaziali e temporali si scambiano di ruolo. Questo permette come risultato di avere un’energia negativa rispetto all’osservatore esterno. A causa di ciò la particella virtuale a energia negativa sull’orizzonte degli eventi non è più illegale e quindi non più obbligata ad annichilirsi, diventa a tutti gli effetti una particella reale intrappolata nel buco nero. La particella associata a energia positiva rimasta fuori non è più vincolata alla compagna e diventa reale a sua volta scappando via come radiazione di Hawking.
Ma come si porta l’orizzonte degli eventi di un buco nero su un tavolo da laboratorio? La risposta sta in un’elegante equivalenza matematica. I ricercatori, infatti, non si sono limitati a creare un’imitazione visiva, ma hanno costruito un analogo ottico che obbedisce alle stesse identiche equazioni dello spaziotempo curvo.
Nel pannello in alto (a), diagramma schematico che illustra la radiazione di Hawking di un buco nero astrofisico. Dall’orizzonte degli eventi vengono emesse coppie di quanti: i quanti delle onde a frequenza positiva (in rosso, con frequenza ω+) sfuggono nello spazio, mentre i loro partner a frequenza negativa (in blu, con frequenza ω–) cadono nella singolarità del buco nero. In basso (b), analogo in fibra ottica dell’orizzonte degli eventi. Un impulso luminoso (in giallo) in una fibra modifica l’indice di rifrazione locale, agendo come un mezzo in movimento in un sistema di riferimento che si muove insieme all’impulso. Il suo fronte stabilisce l’analogo di un orizzonte di un buco nero per la luce sonda (onde) nel punto nero in cui la velocità di gruppo della sonda incidente (onda rossa) coincide con la velocità dell’impulso. La sonda incidente con frequenza di movimento positiva ω+′ stimola un’onda (rossa) con la stessa ω+′ e un’altra onda (blu) con frequenza negativa ω–′. Crediti: Lorenzo M. Procopio et al., Nature, 2026
Al posto della gravità i ricercatori usano un potente impulso laser (chiamato pompa) sparato in una fibra ottica. La potenza del laser altera le proprietà del vetro cambiando il suo indice di rifrazione, creando una zona di movimento in cui la luce viaggia più lentamente. Un secondo laser più debole (sonda) viene inviato lungo la stessa fibra ottica. Quando la sonda raggiunge la zona alterata dalla pompa non riesce più a procedere. Si crea così un vero e proprio orizzonte degli eventi ottico. La pompa rappresenta quindi il buco nero stesso mentre la sonda funge da perturbazione iniziale imitando le fluttuazioni quantistiche.
L’impatto con l’orizzonte ottico crea una coppia di onde: una a frequenza positiva (spostata verso l’infrarosso) che sfugge, e una a frequenza negativa (spostata verso l’ultravioletto) che cade dentro all’orizzonte, fungendo da “partner di Hawking”.
Per il principio di azione e reazione, questa energia non si può creare dal nulla. L’energia necessaria per creare queste nuove onde ultraviolette viene sottratta al laser principale e i fotoni originali ridistribuiti a una frequenza diversa.
Il cuore della ricerca sta nel fatto che, per la prima volta, i ricercatori sono riusciti a isolare e misurare sperimentalmente la perdita di energia (chiamata retroazione), che si è dimostrato avvenire in modo diretto e semplice, e non tramite complessi processi a cascata.
Questo dell’analogia dell’ottica non è l’unico modello per spiegare la radiazione di Hawking. È possibile ricreare lo stesso fenomeno usando un fluido ultra-freddo (il condensato di Bose-Einstein) nel quale le onde sonore rimangono intrappolate da correnti fortissime. Questo ci fa capire che la radiazione di Hawking è un processo fisico universale che si manifesta ogni volta che in natura si crea un “orizzonte”.
Se la semplicità scoperta in laboratorio si applicasse anche allo spaziotempo reale, potremmo essere un passo più vicini a scrivere una teoria quantistica della gravità e risolvere gli interrogativi ancora aperti sui buchi neri.
Per saperne di più:
- Leggi su Nature l’articolo: “Backreaction of stimulated Hawking radiation in an optical analogue” di Lorenzo M. Procopio, Raul Aguero-Santacruz, David Bermudez e Ulf Leonhardt