In un nuovo articolo pubblicato su Physical Review Letters, due fisici hanno ottenuto una nuova legge dell’area per la relatività generale, basata su una interpretazione dei buchi neri come oggetti geometrici curvi chiamati “schermi olografici”.
I buchi neri sono noti per possedere molte strane proprietà, come quella per cui niente – nemmeno la luce – può sfuggire via dopo esservi finita dentro. Un’altra proprietà meno conosciuta ma altrettanto bizzarra è che i buchi neri appaiono “conoscere” cosa avviene nel futuro per potersi prima di tutto formare. Tuttavia, questa strana proprietà emerge dal modo in cui i buchi neri vengono definiti, il che ha motivato alcuni fisici ad esplorare definizioni alternative.
In un nuovo articolo pubblicato su Physical Review Letters, Raphael Bousso, un professore presso la University of California, Berkeley, e il Lawrence Berkeley National Laboratory, e Netta Engelhardt, una studentessa di dottorato presso la University of California, Santa Barbara, hanno riportato una nuova legge dell’area per la relatività generale, basata su una interpretazione dei buchi neri come oggetti geometrici curvi chiamati “schermi olografici”.
“La cosiddetta teologia dell’orizzonte degli eventi di un buco nero è un artefatto nato dal modo in cui i fisici definiscono lo stesso orizzonte degli eventi: l’orizzonte degli eventi è definito rispetto ad un tempo futuro trascorso all’infinito, quindi per definizione esso “conosce” l’intero destino dell’Universo,” ha detto Engelhard. “In relatività generale, l’orizzonte degli eventi di un buco nero non può essere osservato da alcun osservatore fisico in un tempo finito, e non vi è un senso in cui il buco nero in quanto entità abbia conoscenza dell’infinito futuro. E’ semplicemente un modo conveniente di descrivere i buchi neri.”
Come spiegato da Engelhardt, una ragione per cui gli schermi olografici sono interessanti è che essi sono definiti in un modo che dipende maggiormente dalle proprietà locali e non richiede informazioni sull’infinito futuro. “Questa proprietà che rende gli oggetti come schermi olografici è molto interessante: essi non sono soggetti alle bizzarre proprietà dovute al modo in cui vengono definiti,” sostiene l’autrice.
Nel loro articolo, i fisici riportano una nuova legge dell’area che ci dice in quali direzioni l’area di uno schermo olografico può aumentare, il che dipende dal fatto che lo schermo sia uno “schermo olografico futuro” oppure uno “schermo olografico passato.”. Come gli scienziati spiegano, questi due tipi di schermi corrispondono a diverse tipologie di campi gravitazionali.
“Gli schermi olografici sono in un certo senso un confine locale a regioni in cui sono presenti forti campi gravitazionali,” dice Engelhardt. “Gli schermi olografici futuri corrispondono a campi gravitazionali che aggregano materia (ad esempio il buco nero, il big crunch), mentre gli schermi olografici passati corrispondono a regioni che disperdono materia verso l’esterno (ad esempio il Big Bang, i buchi bianchi).”
La nuova legge dell’area afferma dunque che l’area di uno schermo olografico futuro è sempre crescente in una direzione, mentre l’area di uno schermo olografico passato è sempre crescente in una seconda direzione (differente dalla prima).
Questa legge ha alcune interpretazioni intriganti quando analizzata da una prospettiva termodinamica ed utilizzando l’idea che lo spaziotempo sia un ologramma. Secondo il principio olografico, l’ammontare di informazione o entropia in una data area è collegato alla superficie della stessa.
Pertanto interpretando l’area come legata all’entropia, la legge dell’area rivela la direzione del tempo termodinamico (il quale, come notano gli scienziati, non è lo stesso del tempo matematico). Il tempo termodinamico è dunque interpretabile come la direzione in cui l’entropia aumenta.
Siccome l’area degli schermi olografici futuro e passato cresce in direzioni differenti, la direzione del tempo è diversa per questi due tipi di schermo.
Negli schermi passati, il tempo si muove in avanti. Universi in espansione, come il nostro, implicato schermi olografici passati, e quindi noi percepiamo naturalmente il tempo termodinamico scorrere in avanti. Per contro, il tempo scorre all’indietro negli schermi olografici futuri.
In un certo senso, questa interpretazione ha il risultato bizzarro che il tempo termodinamico scorre all’indietro dentro i buchi neri e gli universi che collassano. Gli scienziati notano inoltre nel loro articolo che questa è la nuova legge dell’area largamente applicabile in relatività generale dal 1971, quando Stephen Hawking ha mostrato che l’orizzonte degli eventi di un buco nero (e quindi la sua area superficiale totale) non decresce mai.
Più tardi, però, Hawking ha mostrato che, in presenza di effetti quantici, i buchi neri emettono radiazione. Questa emissione fa si che di un buco nero, l’area superficiale, e la massa, decrescano con il tempo, così che il buco nero successivamente evapori. Nell’assenza di effetti quantici, tuttavia, la legge di Hawking dell’area continua a sussistere.
Questo è anche un ramo di ricerca futura per Bousso e Engelhardt — investigare come la nuova legge dell’area possa sussistere in presenza di effetti quantici. “La nostra legge dell’area è valida in assenza di effetti quantici, noi speriamo che in futuro riusciremo a dimostrare una legge dell’area più generalizzata che possa sussistere anche in presenza di determinati effetti quantici,” ha detto Engelhardt.
Più informazioni: Raphael Bousso e Netta Engelhardt. “A New Area Law in General Relativity.” Physical Review Letters.
Enrico Corsaro