Lo strano destino di una persona che cade in un buco nero

Questa è stata la storia più letta su BBC Earth nel 2015. Ecco un’altra possibilità di leggerla.

Potrebbe succedere a chiunque. Forse sei fuori a cercare di trovare un nuovo pianeta abitabile per la razza umana, o forse stai solo facendo una lunga passeggiata e scivoli. Qualunque siano le circostanze, a un certo punto ci troviamo tutti di fronte all’annosa questione: cosa succede quando si cade in un buco nero?

Potresti aspettarti di essere schiacciato, o magari fatto a pezzi. Ma la realtà è più strana di così.

Nell’istante in cui si entra nel buco nero, la realtà si divide in due. In uno, saresti istantaneamente incenerito, e nell’altro piomberesti nel buco nero completamente illeso.

Un buco nero è un luogo dove le leggi della fisica come le conosciamo vengono meno. Einstein ci ha insegnato che la gravità deforma lo spazio stesso, facendolo curvare. Quindi, dato un oggetto abbastanza denso, lo spazio-tempo può diventare così deformato da attorcigliarsi su se stesso, scavando un buco nel tessuto stesso della realtà.

Una stella massiccia che ha esaurito il carburante può produrre il tipo di densità estrema necessaria per creare un pezzo di mondo così straziato. Mentre si piega sotto il suo stesso peso e collassa verso l’interno, lo spazio-tempo cede con esso. Il campo gravitazionale diventa così forte che nemmeno la luce può sfuggire, rendendo la regione dove la stella era prima profondamente buia: un buco nero.

Man mano che ci si addentra nel buco nero, lo spazio diventa sempre più curvo

Il confine più esterno del buco è il suo orizzonte degli eventi, il punto in cui la forza gravitazionale contrasta esattamente gli sforzi della luce per sfuggirgli. Se ci si avvicina di più, non c’è scampo.

L’orizzonte degli eventi è infuocato di energia. Gli effetti quantistici sul bordo creano flussi di particelle calde che si irradiano nell’universo. Questa è chiamata radiazione di Hawking, dal nome del fisico Stephen Hawking, che l’aveva prevista. Dato abbastanza tempo, il buco nero irradierà via la sua massa, e svanirà.

Come si va più in profondità nel buco nero, lo spazio diventa sempre più curvo finché, al centro, diventa infinitamente curvo. Questa è la singolarità. Lo spazio e il tempo cessano di essere idee significative, e le leggi della fisica come le conosciamo – che richiedono spazio e tempo – non si applicano più.

Che cosa succede qui, nessuno lo sa. Un altro universo? L’oblio? Il retro di una libreria? È un mistero.

Quindi cosa succede se si cade accidentalmente in una di queste aberrazioni cosmiche? Cominciamo col chiedere alla tua compagna spaziale – la chiameremo Anne – che guarda con orrore mentre tu precipiti verso il buco nero, mentre lei rimane al sicuro fuori. Da dove galleggia, le cose stanno per diventare strane.

Mentre acceleri verso l’orizzonte degli eventi, Anne ti vede allungarti e contorcerti, come se ti vedesse attraverso una lente di ingrandimento gigante. Inoltre, più ti avvicini all’orizzonte e più sembra che tu ti muova al rallentatore.

Prima di attraversare l’oscurità del buco nero, sei ridotto in cenere

Non puoi gridarle, perché non c’è aria nello spazio, ma potresti provare a farle lampeggiare un messaggio Morse con la luce del tuo iPhone (c’è un’app per questo). Tuttavia, le tue parole le raggiungono sempre più lentamente, le onde luminose si estendono a frequenze sempre più basse e più rosse: “Alright, a l r i g h t, a l r i…”

Quando raggiungi l’orizzonte, Anne ti vede bloccarti, come se qualcuno avesse premuto il pulsante di pausa. Rimani ingessato lì, immobile, disteso sulla superficie dell’orizzonte mentre un calore crescente comincia a inghiottirti.

Secondo Anne, vieni lentamente cancellato dall’allungamento dello spazio, dall’arresto del tempo e dai fuochi della radiazione di Hawking. Prima di attraversare l’oscurità del buco nero, sei ridotto in cenere.

Ma prima di pianificare il tuo funerale, dimentichiamoci di Anne e vediamo questa scena raccapricciante dal tuo punto di vista. Ora, succede qualcosa di ancora più strano: niente.

Si naviga dritti verso la destinazione più minacciosa della natura senza neanche un urto o un sobbalzo – e certamente senza stiramenti, rallentamenti o radiazioni scottanti. Questo perché sei in caduta libera, e quindi non senti la gravità: qualcosa che Einstein chiamava il suo “pensiero più felice”.

In un buco nero abbastanza grande, potresti vivere il resto della tua vita abbastanza normalmente

Dopo tutto, l’orizzonte degli eventi non è come un muro di mattoni che galleggia nello spazio. È un artefatto della prospettiva. Un osservatore che rimane fuori dal buco nero non può vedere attraverso di esso, ma questo non è il tuo problema. Per quanto ti riguarda non c’è nessun orizzonte.

Certo, se il buco nero fosse più piccolo avresti un problema. La forza di gravità sarebbe molto più forte ai tuoi piedi che alla tua testa, allungandoti come un pezzo di spaghetti. Ma per tua fortuna questo è grande, milioni di volte più massiccio del nostro Sole, quindi le forze che potrebbero spaghettarti sono abbastanza deboli da essere ignorate.

In effetti, in un buco nero abbastanza grande, potresti vivere il resto della tua vita abbastanza normalmente prima di morire alla singolarità.

Quanto potrebbe essere normale, ci si potrebbe chiedere, dato che si viene risucchiati verso una frattura nel continuum spazio-temporale, trascinati contro la propria volontà, incapaci di tornare indietro dall’altra parte?

Non puoi tornare indietro e sfuggire al buco nero

Ma se ci pensi, tutti noi conosciamo questa sensazione, non per la nostra esperienza con lo spazio ma con il tempo. Il tempo va solo in avanti, mai indietro, e ci trascina contro la nostra volontà, impedendoci di tornare indietro.

Questa non è solo un’analogia. I buchi neri deformano lo spazio e il tempo a tal punto che all’interno dell’orizzonte del buco nero lo spazio e il tempo si scambiano i ruoli. In un certo senso, è davvero il tempo che ti attira verso la singolarità. Non si può tornare indietro e sfuggire al buco nero, così come non si può tornare indietro e viaggiare nel passato.

A questo punto ci si potrebbe fermare e porsi una domanda pressante: Cosa diavolo c’è di sbagliato in Anne? Se ti stai rilassando all’interno del buco nero, circondato da niente di più strano dello spazio vuoto, perché lei insiste che sei stato carbonizzato dalle radiazioni al di fuori dell’orizzonte? Ha le allucinazioni?

In realtà, Anne è perfettamente ragionevole. Dal suo punto di vista, sei stato davvero carbonizzato all’orizzonte. Non è un’illusione. Potrebbe anche raccogliere le tue ceneri e rimandarle ai tuoi cari.

In effetti, le leggi della natura richiedono che tu rimanga fuori dal buco nero, come visto dalla prospettiva di Anne. Questo perché la fisica quantistica richiede che l’informazione non possa mai essere persa. Ogni bit di informazione che rappresenta la tua esistenza deve rimanere all’esterno dell’orizzonte, per non infrangere le leggi della fisica di Anne.

Devi essere in due posti, ma ci può essere solo una copia di te

D’altra parte, le leggi della fisica richiedono anche che tu navighi attraverso l’orizzonte senza incontrare particelle calde o qualcosa fuori dal normale. Altrimenti si violerebbe il pensiero più felice di Einstein e la sua teoria della relatività generale.

Quindi le leggi della fisica richiedono che ci si trovi sia fuori dal buco nero in un mucchio di cenere sia dentro il buco nero vivi e vegeti. Infine, c’è una terza legge della fisica che dice che l’informazione non può essere clonata. Devi essere in due posti, ma ci può essere solo una copia di te.

In qualche modo, le leggi della fisica ci portano verso una conclusione che sembra piuttosto insensata. I fisici chiamano questo enigma esasperante il paradosso dell’informazione dei buchi neri. Fortunatamente, negli anni ’90 hanno trovato un modo per risolverlo.

Leonard Susskind ha capito che non c’è nessun paradosso, perché nessuna persona vede mai il tuo clone. Anne vede solo una copia di te. Tu vedi solo una copia di te. Tu e Anne non potete mai confrontarvi. E non c’è un terzo osservatore che possa vedere contemporaneamente dentro e fuori un buco nero. Quindi, nessuna legge della fisica viene infranta.

La realtà dipende da chi lo chiedi

A meno che, cioè, tu non chieda di sapere quale storia è veramente vera. Sei davvero morto o sei davvero vivo?

Il grande segreto che i buchi neri ci hanno rivelato è che non esiste un vero. La realtà dipende da chi lo chiedi. C’è la realtà di Anne e c’è la tua realtà. Fine della storia.

Beh, quasi. Nell’estate del 2012, i fisici Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joe Polchinski e James Sully, noti collettivamente come AMPS, hanno ideato un esperimento di pensiero che minacciava di sconvolgere tutto ciò che pensavamo di sapere sui buchi neri.

Hanno capito che la soluzione di Susskind si basava sul fatto che qualsiasi disaccordo tra te e Anne è mediato dall’orizzonte degli eventi. Non importava se Anne vedeva la versione sfortunata di te sparsa tra la radiazione di Hawking, perché l’orizzonte le impediva di vedere l’altra versione di te che galleggiava all’interno del buco nero.

Anne potrebbe dare una sbirciatina dietro l’orizzonte

Ma se ci fosse un modo per scoprire cosa c’è dall’altra parte dell’orizzonte, senza attraversarlo davvero? Anne potrebbe dare una sbirciatina dietro l’orizzonte, usando un piccolo trucco che Einstein chiamava “azione spettrale a distanza”.

Questo succede quando due serie di particelle separate nello spazio sono misteriosamente “aggrovigliate”. Fanno parte di un unico, indivisibile insieme, così che l’informazione necessaria per descriverli non può essere trovata in nessuno dei due insiemi da solo, ma nei collegamenti spettrali tra di loro.

L’idea dell’AMPS è qualcosa del genere. Diciamo che Anne si impossessa di un po’ di informazione vicino all’orizzonte – chiamiamola A.

Ogni bit di informazione può essere aggrovigliato solo una volta

Se la sua storia è giusta, e lei è spacciata, strapazzata tra la radiazione di Hawking fuori dal buco nero, allora A deve essere aggrovigliato con un altro bit di informazione, B, che è anche parte della nuvola calda di radiazione.

D’altra parte, se la tua storia è quella vera, e sei vivo e vegeto dall’altra parte dell’orizzonte degli eventi, allora A deve essere impigliato con un altro bit di informazione, C, che è da qualche parte all’interno del buco nero.

Ecco il bello: ogni bit di informazione può essere impigliato solo una volta. Questo significa che A può essere aggrovigliato solo con B o con C, non con entrambi.

Quindi Anne prende il suo bit, A, e lo sottopone alla sua comoda macchina di decodifica dell’aggrovigliamento, che sputa fuori una risposta: o B o C.

Ci scivola dentro e vive una vita normale?

Se la risposta risulta essere C, allora la tua storia vince, ma le leggi della meccanica quantistica sono infrante. Se A è impigliato con C, che è in profondità nel buco nero, allora quel pezzo di informazione è perso per Anne per sempre. Questo infrange la legge quantistica secondo cui l’informazione non può mai essere persa.

Ci rimane B. Se la macchina di decodifica di Anne trova che A è impigliato con B, allora Anne vince, e la relatività generale perde. Se A è impigliato con B, allora la storia di Anne è l’unica storia vera, il che significa che sei stato davvero bruciato fino a scoppiare. Invece di navigare dritto attraverso l’orizzonte, come dice la relatività, hai colpito un firewall in fiamme.

Così siamo tornati al punto di partenza: cosa succede quando si cade in un buco nero? Ci si scivola dentro e si vive una vita normale, grazie a una realtà che è stranamente dipendente dall’osservatore? Oppure ci si avvicina all’orizzonte del buco nero solo per scontrarsi con un firewall mortale?

Nessuno conosce la risposta, ed è diventata una delle domande più controverse della fisica fondamentale.

Anne impiegherebbe un tempo straordinariamente lungo per decodificare l’entanglement

I fisici hanno passato più di un secolo a cercare di conciliare la relatività generale con la meccanica quantistica, sapendo che alla fine uno o l’altro avrebbe dovuto cedere. La soluzione del paradosso del firewall dovrebbe dirci quale, e indicarci la strada verso una teoria dell’universo ancora più profonda.

Un indizio potrebbe trovarsi nella macchina di decodifica di Anne. Capire con quale altro bit di informazione A è impigliato è un problema straordinariamente complicato. Così i fisici Daniel Harlow della Princeton University in New Jersey e Patrick Hayden, ora alla Stanford University in California, si sono chiesti quanto tempo ci sarebbe voluto.

Nel 2013 hanno calcolato che, anche con il computer più veloce che le leggi della fisica avrebbero permesso, Anne avrebbe impiegato un tempo straordinariamente lungo per decodificare l’entanglement. Quando avrebbe avuto una risposta, il buco nero sarebbe evaporato da tempo, scomparendo dall’universo e portando con sé la minaccia di un firewall mortale.

Se questo è il caso, la pura complessità del problema potrebbe impedire ad Anne di capire quale storia è quella vera. Questo lascerebbe entrambe le storie contemporaneamente vere, la realtà intrigantemente dipendente dall’osservatore, tutte le leggi della fisica intatte, e nessuno in pericolo di imbattersi in un inspiegabile muro di fuoco.

Se la vera natura della realtà è nascosta da qualche parte, il posto migliore dove guardare è un buco nero

Dà anche ai fisici qualcosa di nuovo a cui pensare: le allettanti connessioni tra calcoli complessi (come quello che Anne apparentemente non può fare) e lo spazio-tempo. Questo potrebbe aprire la porta a qualcosa di ancora più profondo.

Questo è il problema dei buchi neri. Non sono solo ostacoli fastidiosi per i viaggiatori spaziali. Sono anche laboratori teorici che prendono le più sottili stranezze delle leggi della fisica e le amplificano a tal punto che non possono essere ignorate.

Se la vera natura della realtà è nascosta da qualche parte, il posto migliore dove guardare è un buco nero. Probabilmente è meglio guardare dall’esterno, però: almeno finché non capiscono tutta questa storia del firewall. O mandare dentro Anne. È già il suo turno.