Gravità quantistica grazie a buchi neri ed elio superfluido?


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Con una simulazione i fisici hanno scoperto che le forze che controllano il comportamento dell’orizzonte degli eventi di un buco nero sono attive anche nell’elio superfluido. Un possibile passo verso la teoria quantistica della gravità?


Di tutte le leggi della Fisica, quella oggetto della ricerca appena pubblicata su Nature Physics è senza dubbio una delle più strane. In buona sostanza gli scienziati hanno scoperto che le forze che controllano il comportamento dell’orizzonte degli eventi di un buco nero sono attive anche nell’elio superfluido, un fluido che scorre senza attrito.

Questa legge che governa l’area di entanglement infatti è stata ora osservata sia su vasta scala nei buchi neri, sia su scala atomica nell’elio freddo, e potrebbe essere la chiave che i fisici attendevano per arrivare all’agognata teoria quantistica della gravità – ossia la soluzione a uno dei più grandi problemi della Fisica teorica contemporanea.

Ricordiamo che l’Entaglement quantistico descrive come due particelle possano interagire fra loro in modo tale che diventino inesorabilmente collegate (‘entangled’ appunto), e che tutto ciò che accade a una particella influenzerà direttamente e istantaneamente l’altra – anche se si trova ad anni luce di distanza.

Il fatto che una legge relativa a un’area di entanglement possa essere applicata sia ai buchi neri sia all’elio “è strano”, afferma il fisico Adrian Del Maestro dell’Università del Vermont (co-autore dello studio), “e porta a una comprensione più profonda della realtà”.

I buchi neri sono oggetti cosmici già abbastanza strani per conto loro, ma il loro rapporto con l’entropia non è cosa nuova: il celebre fisico Stephen Hawking è stato occupato a lungo con questa relazione (Per saperne di più Buchi neri: la radiazione di Hawking, teorie o fatti?).

Possiamo pensare all’entropia come a qualcosa che ci permette di descrivere il grado di disordine di un sistema. O al modo in cui descriviamo la progressione di un sistema dall’ordine al disordine – un uovo intatto ha una bassa entropia, un uovo strapazzato ha alta entropia; proprio come non si può ricostruire un uovo rotto, un sistema può sempre e solo progredire da bassa ad alta entropia – almeno nel nostro Universo.

Grazie all’entropia, la freccia del tempo si muove sempre e solo in avanti, quindi il nostro Universo non potrà sfuggire al suo destino: dal momento del Big Bang l’Universo e tutto ciò che avviene sta gradualmente avanzando verso il caos.

Nel 1970 Hawking e il fisico teorico Jacob Bekenstein scoprirono che quando la materia si muove troppo vicino all’orizzonte degli eventi di un buco nero e vi cade all’interno, l’entropia del buco nero è proporzionale all’area del suo orizzonte degli eventi diviso per l’area di Planck. Un comportamento piuttosto strano, perché l’aumento del volume del buco nero non dovrebbe essere un fattore.

Però quello che Hawking e Bekenstein hanno scoperto in relazione ai buchi neri nello Spazio profondo sembra ora applicarsi anche a particolari tipi di atomi nei nostri laboratori. Del Maestro ha infatti spiegato di avere riscontrato “lo stesso tipo di legge dell’informazione quantistica nell’elio superfluido”. L’esperimento è consistito nel fare una simulazione del superfluido elio-4, ossia elio che è stato raffreddato a soli 2 gradi sopra lo zero assoluto (0 Kelvin, -273.15 ° C.

Così facendo l’elio passa da uno stato di gas a quello di un liquido con viscosità nulla, che gli consente di scorrere senza alcuna perdita di energia cinetica. In altre parole, se mettete un po’ di elio superfluido in una tazza e mescolate, l’elio continuerebbe a girare per sempre. Questo stato della materia è così “strano” che il fluido ha la capacità di fluire “verso l’alto” a dispetto della gravità:

In più, nell’elio superfluido i singoli atomi che componevano la sostanza di partenza non possono più essere identificati come entità separate – sono diventati “entangled” uno con l’altro, ossia la misura dello stato di uno si ripercuote istantaneamente sullo stato degli altri.

Quando Del Maestro e i suoi colleghi hanno caricato la loro simulazione in due supercomputer hanno condotto simulazioni separate con 64 atomi di elio nella transizione da gas a superfluido. All’interno di questo superfluido hanno stabilito due ipotetiche sezioni – una sfera di superfluido, e un superfluido che la circondava – e hanno tenuto traccia della quantità di informazioni quantistiche condivisa tra loro man mano che la sfera aumentava di dimensioni. Se torniamo al paragone con i buchi neri, queste informazioni quantistiche sono l’analogo alle informazioni che cadono all’interno dell’orizzonte degli eventi e ne aumentano l’entropia all’interno.

Proprio come scoprirono Hawking e Bekenstein, i fisici hanno osservato come la quantità di informazioni quantistiche condivisa tra le due regioni del superfluido sia stata determinata dalla superficie della sfera, ma non dal suo volume. Alla luce di questa rilevazione il gruppo di lavoro scrive che “come in un ologramma, sembra che un volume tridimensionale dello Spazio sia interamente codificato sulla sua superficie bidimensionale. Proprio come in un buco nero”.

Prima di accettare tutto per verità assoluta è da tenere presente che stiamo comunque parlando dell’impiego di una simulazione per fare un paragone che è comunque abbastanza azzardato, e che i dati passeranno in ogni caso al vaglio della comunità scientifica.

Nonostante questo il risultato di questa ricerca è importante. Il motivo è che come spiega il fisico Emily Conover, questo fenomeno nei superfluidi era stato precedentemente previsto a livello teorico, ma questa è la prima volta che è stato dimostrato con simulazioni di uno stato naturale della materia, a dimostrazione che l’entanglement quantistico non è in netto contrasto con il Modello Standard della Fisica.

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Per questo Del Maestro conclude che “l’entanglement è un’informazione non classica condivisa tra le parti di uno stato quantistico. È il tratto caratteristico della meccanica quantistica che è più estraneo alla nostra realtà classica”, però essere in grado di osservare la stranezza dell’entanglement quantistico in uno stato naturale della materia potrebbe portarci più vicino al punto di incontro fra la Teoria della Relatività e la Meccanica Quantistica, la tanto agognata teoria quantistica della gravità.

Ricordiamo infatti che un nodo che i fisici cercano di sciogliere da decenni è che la teoria Relatività Generale e la meccanica quantistica sono perfette nel descrivere come funzionano le cose nel loro ambito (il molto grande e l’infinitamente piccolo, rispettivamente), ma quando si tenta di combinarle per ottenere una teoria unificata la matematica smette di funzionare.

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