Il Sole Domenica 7.10.18
I nuovi confini della conoscenza
Nel fondo dei buchi neri la risposta ai misteri dell’universo
di Gian Francesco Giudice

«Vedere un mondo in un granello di sabbia e [...] tenere l'infinito nel palmo della mano». In questi versi William Blake, il visionario poeta dell’immaginazione, sembra aver colto il senso dei moderni sviluppi in fisica delle particelle elementari. Dentro un granello di sabbia o, più precisamente, dentro lo spazio di una frazione di miliardesimo del volume occupato da un singolo protone, i fisici vedono l’intero universo. Le leggi fondamentali della natura, che stiamo scoprendo nel mondo delle particelle elementari, ci offrono la chiave per capire il comportamento dell’intero universo e ricostruirne la storia indietro nel tempo. Stiamo vivendo un’epoca emozionante, in cui studi in fisica teorica, in cosmologia, risultati di esperimenti ai collisori ad alta energia e osservazioni astronomiche convergono con lo scopo comune di comprendere i principi che regolano l’universo.
I fondamenti delle leggi naturali non sono facilmente deducibili dall’osservazione del mondo percettibile, che è dominato dalla complessità di fenomeni emergenti. Questo l’aveva capito già Galileo quando, per ricavare la legge sulla caduta dei gravi, ideò esperimenti in cui si poteva isolare l’effetto dell’attrito dell’aria. La fisica moderna deve seguire lo stesso percorso e individuare fenomeni in cui i principi primi emergono al di sopra della complessità del visibile. Questo richiede lo studio di fenomeni estremi, che avvengono nel mondo dell’infintesimamente piccolo oppure in quello dell’infinitamente grande. Per questo si costruiscono grandi acceleratori di particelle o si intraprendono straordinarie missioni astronomiche. Esiste però in natura un sistema fisico assolutamente unico per esplorare i fondamenti delle leggi naturali. Un sistema che non richiede l’osservazione del mondo microscopico o dell’intero universo, ma dove tutte le condizioni fisiche sono estreme, dando luogo a fenomeni stupefacenti. Questo sistema fisico particolarissimo è il buco nero.
Un buco nero è una regione dello spazio-tempo dove la forza di gravità è così intensa da sopraffare qualsiasi altra forza in natura e non permettere a nessuna forma di materia o radiazione di sfuggire all’esterno. L’esistenza dei buchi neri come conseguenza della relatività generale fu scoperta da Karl Schwarzschild nel 1915, pochi mesi dopo la pubblicazione della teoria di Einstein. Tuttavia, le proprietà dei buchi neri apparirono immediatamente così sconcertanti che molti fisici dubitarono della loro reale esistenza. Lo stesso Einstein era convinto che i buchi neri non potessero realizzarsi in natura e che il risultato trovato da Schwarzschild fosse un puro esercizio matematico. Ma si sbagliava: i buchi neri esistono eccome nel nostro universo e producono alcuni tra i più straordinari fenomeni in natura.
Proprio cento anni dopo la teoria di Einstein, l’esperimento statunitense LIGO (coadiuvato dalla collaborazione VIRGO, con sede in Italia) ha identificato uno scontro tra due buchi neri a una distanza di un miliardo di anni luce da noi. In quello scontro tra due colossi del cielo, in un decimo di secondo, è stata prodotta un’energia enorme, maggiore di quella emessa da tutte le stelle dell’universo messe insieme. L’energia emessa nello scontro non era in forma di luce, che non può scappare dalla morsa gravitazionale del buco nero, ma era contenuta in una distorsione dello spazio-tempo prevista dalla teoria di Einstein: le cosiddette onde gravitazionali. L’osservazione di onde gravitazionali sta rivoluzionando il modo di guardare il cielo e aprendo nuovi orizzonti nello studio delle proprietà dei buchi neri.
Non solo per gli astronomi i buchi neri sono diventati osservati speciali. Da decenni i fisici teorici hanno capito come i buchi neri siano uno strumento unico per affrontare gli enigmi sulla gravità che ancora non sappiamo risolvere. Una svolta decisiva c’è stata negli anni settanta quando Stephen Hawking dimostrò che, a causa della meccanica quantistica, i buchi neri non sono davvero neri, ma emettono radiazione. Questa fu una scoperta sensazionale perché evidenziò come le proprietà dei buchi neri sono dettate da effetti quantistici, che di solito si manifestano solo nel mondo microscopico. In nessun altro sistema fisico meglio dei buchi neri, gravità e meccanica quantistica entrano in gioco insieme, offrendoci incredibili possibilità di nuove scoperte.
I buchi neri non hanno stimolato solo la fantasia e l’immaginazione dei fisici per più di un secolo, ma hanno ispirato anche scrittori e artisti. Esistono tantissimi libri di fantascienza, film, fumetti e videogiochi in cui le stranissime proprietà dei buchi neri servono per creare storie strabilianti e situazioni sorprendenti. Il film Interstellar ne è un esempio recente. I paradossi generati dai buchi neri sono assolutamente sbalorditivi. Divorando materia intorno a loro, i buchi neri succhiano informazione dall’universo. Ma l’informazione viene distrutta all’interno del buco nero? Hawking era convinto di sì e nel 1997 fece una scommessa con il fisico John Preskill. Sette anni più tardi ammise l’errore e pagò la posta in gioco (un’enciclopedia piena di informazione). Ma dove è contenuta l’informazione all’interno del buco nero, che è quasi completamente fatto di spazio vuoto? E cosa c’è al centro del buco nero, dove gravità e meccanica quantistica necessariamente si fondono in una teoria ancora sconosciuta? I fisici teorici sono convinti che lì, nel fondo del buco nero, si celino i misteri di una legge fondamentale che regola l’universo. La migliore scommessa è continuare a esplorare.
Direttore del Dipartimento di Fisica Teorica del CERN