Il "paradosso dell'informazione del buco nero" si riferisce al fatto che l'informazione non può essere distrutta nell'universo, eppure quando un buco nero alla fine evapora, qualsiasi informazione sia stata inghiottita da questo aspirapolvere cosmico dovrebbe essere svanita da tempo. Il nuovo studio propone che il paradosso potrebbe essere risolto prendendo in considerazione i wormhole o passaggi attraverso lo spazio-tempo.
"Un wormhole collega l'interno del buco nero e la radiazione esterna, come un ponte", ha spiegato Kanato Goto, un fisico teorico presso il RIKEN Interdisciplinary Theoretical and Mathematical Sciences Program in Giappone.
Secondo la teoria di Goto, una seconda superficie appare all'interno dell'orizzonte degli eventi di un buco nero, il confine oltre il quale nulla può sfuggire. I fili di un wormhole collegano quella superficie al mondo esterno, impigliando le informazioni tra l'interno del buco nero e le perdite di radiazione ai suoi bordi.
Nel 1970, Hawking scoprì che i buchi neri non sono esattamente neri, ma all'inizio non si rese conto del gigantesco problema che aveva creato. Prima della sua scoperta, i fisici avevano ipotizzato che i buchi neri fossero estremamente semplici. Ogni sorta di cose complicate cadute al loro interno, vengono bloccate assieme a tutte le informazioni che le accompagnano, per non essere mai più viste.
Ma Hawking scoprì che i buchi neri rilasciano radiazioni, e alla fine possono evaporare completamente, in un processo ora noto come radiazione di Hawking, ma quella radiazione non trasportava alcuna informazione in sé. In effetti, non poteva; per definizione, l'orizzonte degli eventi di un buco nero impedisce alle informazioni di uscire. Quindi, quando un buco nero finalmente evapora e scompare dall'universo, dove sono finite tutte le sue informazioni bloccate?
Questo è il paradosso dell'informazione del buco nero. Una possibilità è che le informazioni possano essere distrutte, il che sembra violare tutto ciò che sappiamo sulla fisica. (Ad esempio, se le informazioni possono essere perse, non è possibile ricostruire il passato da eventi presenti o prevedere eventi futuri.) Invece, la maggior parte dei fisici cerca di risolvere il paradosso trovando un modo per far fuoriuscire le informazioni attraverso la radiazione di Hawking. In questo modo, quando il buco nero scompare, l'informazione è ancora presente nell'universo.
In ogni caso, descrivere questo processo richiede una nuova fisica. "Questo suggerisce che la relatività generale e la meccanica quantistica sono incoerenti l'una con l'altra", ha affermato Goto. "Dobbiamo trovare un quadro unificato per la gravità quantistica".
Nel 1992, il fisico Don Page, un ex studente laureato di Hawking, vide il problema del paradosso dell'informazione in un altro modo. Ha iniziato osservando l'entanglement quantistico, che è quando le particelle distanti hanno il loro destino collegato. Questo entanglement agisce come la connessione meccanica quantistica tra la radiazione di Hawking e il buco nero stesso. Page ha misurato la quantità di entanglement calcolando l'"entropia di entanglement", che è una misura della quantità di informazioni contenute nella radiazione di Hawking impigliata.
Nel calcolo originale di Hawking, nessuna informazione sfugge e l'entropia dell'entanglement aumenta sempre fino a quando il buco nero alla fine scompare. Ma Page ha scoperto che se i buchi neri rilasciano effettivamente informazioni, l'entropia dell'entanglement inizialmente cresce; poi, a metà della vita del buco nero, diminuisce prima di raggiungere finalmente lo zero, quando il buco nero evapora (il che significa che tutte le informazioni all'interno del buco nero sono finalmente sfuggite).
Se i calcoli di Page sono corretti, questo suggerisce che se i buchi neri permettono alle informazioni di sfuggire, allora qualcosa di speciale deve accadere intorno alla metà della loro vita. Mentre il lavoro di Page non ha risolto il paradosso dell'informazione, ha dato ai fisici qualcosa di succoso su cui lavorare.
Più di recente, diversi team di teorici hanno applicato tecniche matematiche prese in prestito dalla teoria delle stringhe, un approccio per unificare la relatività di Einstein con la meccanica quantistica, per esaminare questo problema. Stavano esaminando come lo spazio-tempo vicino a un orizzonte degli eventi potesse essere più complesso di quanto gli scienziati pensassero inizialmente. Quanto è complesso? Il più complesso possibile, consentendo qualsiasi tipo di curvatura e flessione su scala microscopica.
Il loro lavoro ha portato a due caratteristiche sorprendenti. Una era l'apparizione di una "superficie quantistica estrema" appena sotto l'orizzonte degli eventi. Questa superficie interna modera la quantità di informazioni che lasciano il buco nero. Inizialmente sono poche le informazioni che fuoriescono. Ma quando il buco nero è a metà della sua vita, inizia a dominare l'entanglement, riducendo la quantità di informazioni rilasciate in modo che l'entropia dell'entanglement segua le previsioni di Page.
In secondo luogo, i calcoli hanno rivelato la presenza di wormhole, molti di essi. Questi wormhole sembravano collegare la superficie estrema quantistica all'esterno del buco nero, consentendo alle informazioni di bypassare l'orizzonte degli eventi e di essere rilasciate come radiazione di Hawking.
Ma quel lavoro precedente è stato applicato solo a modelli altamente semplificati (come le versioni unidimensionali dei buchi neri). Con il lavoro di Goto, lo stesso risultato è stato ora applicato a scenari più realistici, un importante progresso che avvicina questo lavoro alla spiegazione della realtà. Tuttavia, ci sono molte domande. Per prima cosa, non è ancora chiaro se i wormhole che appaiono nella matematica siano gli stessi wormhole che pensiamo come scorciatoie nel tempo e nello spazio.
Sono così profondamente sepolti nella matematica che è difficile determinare il loro significato fisico. Da un lato, potrebbe significare che i wormhole entrano ed escono da un buco nero in evaporazione. Oppure potrebbe essere solo un segno che lo spazio-tempo vicino a un buco nero non è locale, che è un segno distintivo dell'entanglement, due particelle collegate non hanno bisogno di essere in contatto causale per influenzarsi a vicenda.
Uno degli altri problemi principali è che, mentre i fisici hanno identificato un possibile meccanismo per alleviare il paradosso, non sanno come funziona effettivamente. Non esiste un processo noto che esegua effettivamente il lavoro di prendere le informazioni che si trovano all'interno di un buco nero e codificarle nella radiazione di Hawking. In altre parole, i fisici hanno costruito una possibile strada per risolvere il paradosso dell'informazione, ma non hanno trovato alcun modo per ricostruire i camion che viaggiano lungo quella strada. "Non conosciamo ancora il meccanismo di base di come le informazioni vengono portate via dalle radiazioni", ha ammesso Goto. "Abbiamo bisogno di una teoria della gravità quantistica".