Buchi neri e particelle elementari

I buchi neri sono quanto di più estremo si possa immaginare, paragonabili in questo solo al Big Bang. La loro esistenza è stata teorizzata nel 1916 dall'astronomo tedesco Karl Schwarzschild, il quale - studiando la neonata relatività generale - stabilì con esattezza la curvatura dello spaziotempo prodotta da una stella perfettamente sferica (la cosiddetta <<Soluzione di Schwarzschild>>) in un articolo che inviò allo stesso Einstein, il quale ne rimase molto colpito. Un aspetto molto interessante di questa scoperta è che, quando la massa della stella è concentrata in una regione di spazio abbastanza piccola (quando cioè il rapporto fra la massa e il raggio è superiore a un certo valore critico) il campo gravitazionale da essa generato diventa talmente grande che nulla - nemmeno la luce - può fuggire dalla sua morsa: per questo motivo fu inizialmente chiamata dark star (stella oscura), per poi essere battezzata black hole (buco nero) dal fisico John Archibald Wheeler. Vi è quindi una regione dello spazio (che nel caso più semplice coincide con la superficie di tale stella ''estrema'') andando oltre la quale non è più possibile tornare indietro e che viene perciò detto orizzonte degli eventi: qualsiasi cosa e qualsiasi informazione lo attraversi non può più uscirne e non è perciò possibile sapere cosa avvenga oltre tale orizzonte. Inoltre la regione centrale del buco nero (che dovrebbe essere adimensionale) ha curvatura infinita: non si sa precisamente che cosa accada in tale regione e quale sia il significato degli infiniti in cui ci si imbatte volendola descrivere matematicamente (curvatura infinita, dimensioni nulle ...). Questo è un caso in cui bisogna unire le equazioni della relatività generale con quelle della meccanica quantistica e pertanto il problema verrà probabilmente risolto quando si perverrà (se mai si perverrà) ad una teoria unificata di campo. A livello cosmologico, però, fioccano le ipotesi: c'è chi pensa che queste singolarità gravitazionali (così infatti viene chiamata questa regione) siano la ''porta d'accesso''ad un nuovo universo - in cui la singolarità funge da Big Bang - che ci rimarrà per sempre ignoto a causa del già citato orizzonte degli eventi.
Sembra strano ma i buchi neri - si è scoperto - non sono totalmente ''neri''. Ecco perché. Se ricordate quanto spiegato nella sezione dedicata alla termodinamica, il secondo principio della termodinamica implica che l'entropia dell'Universo è in continuo aumento. Faccio un esempio. Considerato che l'entropia è una misura del disordine di un sistema (quantitativamente sarebbe dato dal numero - precisamente dal logaritmo del numero - delle configurazioni microscopiche che lasciano invariate le proprietà macroscopiche di un sistema) immaginiamo che voi voleste riordinare la vostra camera: l'aumento di ordine della vostra stanza e quindi la sua diminuzione di entropia (motivo per il quale i cambiamenti di posizione degli oggetti sono più evidenti in una stanza ordinata piuttosto che in una disordinata) è superato dal calore che, sudando e trascinando gli oggetti, avete disperso nell'ambiente, calore che fa aumentare il moto delle molecole d'aria causando un globale aumento del disordine e quindi di entropia. Se ora ci mettessimo in prossimità dell'orizzonte degli eventi di un buco nero troveremmo che, modificando le condizioni dell'ambiente circostante, una parte considerevole di tale calore sarebbe assorbito dal buco nero, sparendo per sempre. Quindi l'entropia del sistema sarebbe diminuita. Ma ne siamo sicuri? In realtà fisici come Stephen Hawking e
Jacob Bekenstein hanno dimostrato che i buchi neri possiedono entropia e anzi sono gli oggetti più entropici dell'Universo. Questo perché tutti i buchi neri per essere individuati e classificati necessitano di soli tre parametri:

• la loro massa;
• le loro cariche di gauge (elettrica, di colore e nucleare debole o di sapore);
• il loro momento angolare.

Ma la stessa esistenza di un orizzonte degli eventi implica che qualunque cambiamento degli stati microscopici del buco nero non può essere rilevata all'esterno e quindi non provocherà cambiamenti macroscopici e - dato che maggiore è il numero di cambiamenti dei microstati che non modificano l'aspetto di un sistema cioè le sue caratteristiche macroscopiche, maggiore è la sua entropia - il buco nero ha la massima entropia possibile. Inoltre, considerata una coppia di particelle virtuali che si vengono a formare per fluttuazione quantistica nei pressi del buco nero, si potrebbe mostrare che una delle due viene inghiottita dal buco e l'altra allontanata velocissimamente dal buco. Considerando la quantità enorme di tali fenomeni si assisterà ad una vera e propria radiazione, detta radiazione di Hawking, che può anche essere vista come una radiazione di corpo nero. Il buco nero quindi irradia ed ha perciò temperatura superficiale superiore (anche se di pochissimo) allo zero assoluto.
Come abbiamo visto per identificare univocamente un buco nero abbiamo bisogno solamente di sapere massa, carica e momento angolare: le stesse caratteristiche che contraddistinguono una particella elementare (laddove il momento angolare è sostituito dallo spin) e le distinguono le une dalle altre. Questa incredibile somiglianza ha suggerito ad alcuni fisici che in realtà non ci sia alcuna differenza fra buchi neri e particelle elementari ma che siano in realtà due facce di una stessa medaglia. Ad esempio la Teoria delle Stringhe, che        
prevede particelle unidimensionali - stringhe, appunto - al posto di quelle puntiformi del Modello Standard, prevede anche che una stringa possa avere una traiettoria che spazza una superficie bidimensionale (worldsheet o foglio di universo) che si possa avvolgere attorno ad una strozzatura di una sezione della varietà di Calabi-Yau (lo spazio a sei dimensioni attorno a cui essa vibra): il foglio di universo avrebbe le caratteristiche fisiche dell'orizzonte degli eventi e la strozzatura quella della singolarità centrale di un buco nero. Ma cosa assai più particolare: diminuendo le dimensioni del foglio diminuisce la massa del buco fino ad annullarsi del tutto, diventando un fotone. Nella M-teoria, che unifica le 5 versioni della teoria delle stringhe in un quadro matematicamente coerente, ad avvolgersi attorno a questa singolarità è una membrana bidimensionale (2-brana) che funge un ruolo analogo a quello del foglio di universo e risolve anzi alcuni problemi che quest'ultimo potrebbe far insorgere: la 2-brana sarebbe quindi l'orizzonte degli eventi del buco nero che, riducendo progressivamente le sue dimensioni (e la sua massa) finirebbe per dar luogo al fotone quando la massa si annulla del tutto, analogamente al meccanismo visto prima.
Le ultime considerazioni sono teoriche, ma l'esistenza dei buchi neri e tutte le implicazioni termodinamiche (radiazione, entropia ecc.) sono ormai accettate dalla comunità scientifica: per quanto riguarda la loro esistenza, ad esempio, ci sono numerose osservazioni astronomiche indirette, che hanno dimostrato la loro esistenza esaminandone gli effetti gravitazionali, in maniera simile a quanto è accaduto in seguito con la cosiddetta materia oscura.

Fonti: http://it.wikipedia.org/wiki/Buco_nero
         http://arxiv.org/PS_cache/gr-qc/pdf/9707/9707012v1.pdf
         http://it.wikipedia.org/wiki/Orizzonte_degli_eventi
         http://it.wikipedia.org/wiki/Radiazione_di_Hawking
         http://it.wikipedia.org/wiki/Teorema_dell'essenzialit%C3%A0
         http://it.wikipedia.org/wiki/Termodinamica_dei_buchi_neri#Entropia_del_buco_nero
         L' Universo Elegante, di Brian Greene