Quando i buchi neri non sono poi così neri

 Sono ancora loro, i buchi neri, a dominare la scena della scienza rivolta al grande pubblico. Ma questa volta non c'è solo la paura insensata che l'uomo con le sue macchine possa costruire un buco nero segnando così il destino dell'umanità. C'è qualcosa di più e soprattutto di vero: uno dei tanti aspetti misteriosi di quei particolarissimi corpi celesti che sono i buchi neri e stato dimostrato in laboratorio e finalmente toccato con mano. E non in un laboratorio qualunque, ma si tratta del laboratorio di ottica non lineare del Dip. di Fisica dell'Insubria e per la precisione del lab confinante con l'unico-lab.

Daniele Faccio e il suo giovanissimo e numeroso gruppo hanno realizzato in laboratorio una condizione simile a quella avviene sull'orizzonte degli eventi di un buco nero e hanno dimostrato sperimentalmente che l'idea di Hawking sull'evaporazione dei buchi neri causata dalla radiazione di Hawking (appunto!) non è solo una bella congettura.

Con calma

Se avete un po' di pazienza cerco di spiegarvi con parole molto povere quello che i colleghi comaschi hanno trovato. Come prima cosa dobbiamo immaginarci un buco nero, cosa tutt'altro che facile. Possiamo provare a pensare ad un buco nero come a delle sabbie mobili: quando ci metti un piede dentro, il tuo destino è segnato per sempre e verrai irrimediabilmente risucchiato al suo interno. Queste sabbie mobili hanno necessariamente un confine, un bordo: chi è all'esterno del bordo è salvo, chi ne è all'interno è destinato alla fine. Questo bordo, nel caso di un buco nero si chiama orizzonte degli eventi.

Fino a qui è tutto chiaro? Spero di sì perché adesso arriva la meccanica quantistica che complica la situazione e ci dice che il vuoto non è mai proprio vuoto, ma è un continuo ribollire di particelle che ora si creano e un istante dopo scompaiono. Gli scienziati le chiamano coppie di particelle virtuali e vengono generate dalle fluttuazioni del vuoto. Cerco di spiegarmi meglio: sapete che la natura non fa mai nulla per niente, ma non appena ha un po' di energia la investe cercando di costruire qualcosa. Ora possiamo immaginare il vuoto come uno stato ad energia media nulla, ma in cui ci sono oscillazioni di energia, ovvero un istante c'è un po' di energia che però sparisce subito l'istante successivo. In questa condizione è possibile che in una fluttuazione positiva di energia del vuoto, venga generata una coppia di particelle che però sparirà non appena l'effetto della fluttuazione svanisce. Non pretendo che mi capiate, c'è tutta la meccanica quantistica dietro questa affermazione, ma prendetela per buona. 

Adesso, e siamo quasi alla fine del nostro esperimento mentale, dobbiamo solo mettere insieme le due cose. Cosa succede alle coppie di particelle virtuali che vengono generate proprio sull'orizzonte degli eventi? Una, quella dentro sappiamo che farà una brutta fine, mentre quella fuori se ne potrà scappare dal buco nero. Ma attenzione, la particella in fuga non sarà più una particella virtuale, perché la sua controparte, quella con cui sarebbe dovuta sparire è già sparita a causa del buco nero! Quindi la particella virtuale solitaria è costretta a diventare una particella reale che durerà per sempre indipendentemente dalle fluttuazioni del vuoto. E qui rientra in scena la natura che invita il buco nero a passare alla cassa. Infatti se creare una coppia di particelle virtuali è un investimento a costo zero (tanto costa a crearle, tanto rende a distruggerle), nel caso sopra descritto la natura  perderebbe energia che però recupera dal responsabile di questa perdita: il buco nero stesso.

Ora, voi direte, cosa volete che sia il costo di una particella per un buco nero..., ma particella oggi, particella domani il buco nero si consuma fino ad evaporare e sparire... Destino beffardo!

La cosa interessante è che questo fenomeno non è di esclusiva pertinenza dei buchi neri, ma piuttosto del fatto che ad essi è associato un orizzonte degli eventi, ovvero una linea netta che separa il destino delle coppie di particelle virtuali. E qui arriva la bella notizia, di fenomeni caratterizzati da orizzonti degli eventi ce ne sono tanti e alcuni di questi possono essere riprodotti in laboratorio senza dover chiamare in causa giganteschi buchi neri.

Cavalcando questa idea, Daniele e compagni comaschi hanno messo in piedi un esperimento in cui hanno costruito grazie ad un fascio laser che attraversa un cristallo non lineare un orizzonte degli eventi e poi hanno osservato tutte quelle particelle di luce che, grazie al fatto di essere state create dalle fluttuazioni del vuoto al di fuori dell'orizzonte degli eventi, sono diventate reali. Queste particelle hanno tutte le caratteristiche che la teoria aveva previsto, rendendo Hawking molto contento e donando agli scienziati comaschi una meritatissima ventata di notorietà oltre alla gioia impagabile della scoperta.

A loro vanno anche le mie più grandi congratulazioni e anche le mie scuse. Congratulazioni perché hanno saputo dimostrare che con l'impegno e l'ingegno, nonostante i pochi fondi e le dimensioni ridotte dell'ateneo, si possono ottenere enormi risultati. E le scuse per aver tradotto in parole così volgari e poco dignitose il loro spettacolare lavoro.

Rassegna stampa

L'articolo originale in preview su ArXiv: Hawking radiation from ultrashort laser pulse filaments.

Il Corriere della sera: I buchi neri non sono più neri

Le scienze: Un analogo della radiazione che fa evaporare i buchi neri

The Economist: Mimicking black holes: Dr Hawking's brightest idea

New Scientist: Hawking radiation glimpsed in artificial black holes