Secondo il quotidiano britannico The Times, Stephen Hawking sarebbe vicino al prestigioso premio Nobel grazie anche a Jeff Steinhauer, scienziato del Technion di Haifa, in Israele. Steinhauer afferma infatti di aver creato un buco nero in vitro, una sorta di piccolo modello da laboratorio attraverso il quale assicura di poter provare ciò che Hawking aveva calcolato in teoria: la sottrazione di energia e materia ad opera di particelle/antiparticelle virtuali che si allontanano dal buco nero.

Circa quattro mesi fa, l’annuncio fu fatto su un sito scientifico in attesa della pubblicazione dei dati completi dell’esperimento su una rivista accreditata. Se non salteranno fuori intoppi, questa volta il Nobel a Stephen Hawking – sentenziò il Times – non potrà toglierglielo nessuno.

Lo studio pubblicato sulla rivista Nature mostra la prova più convincente, fino ad ora, di particelle che sono in grado di sfuggire all’enorme campo gravitazionale di un buco nero.

radiazionedihawking

All’Università di Innsbruck tempo fa dimostrarono che è possibile, con la tecnologia attuale, costruire un modello acustico di buco nero, in cui le onde sonore prendono il posto della luce. Il buco nero acustico dovrebbe esplodere in un impulso di fononi (“particelle elementari” sonore), come secondo la teoria di Hawking i buchi neri tradizionali dovrebbero evaporare tramite la radiazione di Hawking.

Jeff Steinhauer e il suo gruppo hanno simulato presso l’istituto israeliano di tecnologia di Haifa un buco nero acustico, con onde sonore al posto di onde di luce. Durante l’esperimento hanno visto che alcune particelle scivolano via dal suo raggio di azione (il cosiddetto ‘orizzonte degli eventi’). Questo modello ha permesso loro di osservare un fenomeno simile a quello di Hawking, che fino a ora non era stato dimostrato empiricamente.

Uno dei sistemi fisici più adatti a creare le condizioni analoghe a quelle di un buco nero con onde acustiche è il condensato di Bose-Einstein. Si tratta di un sistema di atomi o altre particelle caratterizzate ciascuna da un valore intero o nullo di spin, una proprietà quantistica che possiamo immaginare come una rotazione attorno a un proprio asse. Grazie a questa caratteristica, quando questi atomi o particelle sono portati a temperature prossime allo zero assoluto, perdono le loro caratteristiche individuali e per un peculiare effetto della fisica quantistica iniziano a comportarsi come un tutt’uno.

Proprio questo sistema ha permesso ora la prima verifica sperimentale della radiazione di Hawking, ottenuta da Jeff Steinhauer del Technion-Israel Institute of Technology ad, Haifa, in Israele, in uno studio descritto su Nature Physics, che ha sfruttato atomi di rubidio.

Sfruttando le analogie tra fenomeni in apparenza diversi, si creano buchi neri acustici con proprietà simili a quelle dei buchi neri gravitazionali.
Contrariamente alla relatività ristretta, la relatività generale non va d’accordo con la meccanica quantistica. Da 70 anni tutti i tentativi di conciliare queste due teorie sono falliti e non disponiamo ancora di una teoria quantistica della gravitazione. Per fortuna, gli effetti di questa teoria dovrebbero manifestarsi solo a distanze molto piccole (dell’ordine di 10^ –35 metri), ben oltre la risoluzione attuale degli esperimenti.

Tuttavia bisognerebbe disporre di una teoria quantistica della gravitazione per studiare i fenomeni quantistici propri dei buchi neri, perché essi fanno appello alle proprietà dello spazio-tempo a scale molto piccole. Quando si studiano le proprietà di emissione di un buco nero, si ottengono risultati molto differenti a seconda che si utilizzi la descrizione classica o quantistica della luce. Le proprietà classiche furono l’oggetto di numerosi studi all’inizio degli anni settanta e tutti confermarono che un buco nero può assorbire materia e radiazione, ma non può emettere nulla.

Immaginiamo ora la sorpresa che causò nel 1974 l’articolo di Stephen Hawking in cui dimostrava che allorché si utilizzi la descrizione quantistica della luce, i buchi neri emettono una radiazione termica costante. Dopo lo scetticismo iniziale, questo risultato è stato ammesso dai fisici e, da allora, gioca un ruolo centrale nelle ricerche sulla gravitazione quantistica. Lo studio delle proprietà quantistiche dei buchi neri fa da sprone ai fisici che cercano di unificare relatività generale e meccanica quantistica.

Di fronte al persistere delle difficoltà nel progettare esperimenti risolutivi alle scale necessarie, alcuni di loro hanno deciso di sfruttare le analogie che esistono fra la propagazione della luce e quella del suono in un fluido. I loro lavori suggeriscono che a distanze piccolissime lo spazio-tempo possa comportarsi come un fluido.

Per costruire un buco nero acustico “è sufficiente” utilizzare un ugello di Laval. Si tratta di un dispositivo composto da una conduttura cilindrica che presenta una strozzatura concepita per accelerare il fluido a una velocità supersonica assicurandosi che rimanga regolare. In questo modo la velocità della corrente nell’ugello raggiunge e supera la velocità del suono nel fluido senza provocare deflagrazione sonora, come succede generalmente al superamento del muro del suono.

cilindro di Laval

La geometria acustica associata a questo flusso è molto simile a quella di un buco nero. Lo si verifica analizzando le traiettorie seguite dalle onde sonore. Nella regione in cui il flusso è supersonico, le onde sonore che si propagano controcorrente sono inesorabilmente trascinate a valle, come le onde luminose nella regione interna di un buco nero. La frontiera di questa regione, la sezione dell’ugello in cui il fluido supera la velocità del suono, ha lo stesso ruolo dell’orizzonte degli eventi del buco nero: separa le onde in due classi, quelle che possono risalire a monte e quelle che non possono.

Inoltre nella regione subsonica le onde che risalgono la corrente perdono energia allontanandosi dall’orizzonte, come fanno i fotoni sottoposti al “red shift” gravitazionale. Quindi si ritrovano le principali proprietà che caratterizzano l’orizzonte di un buco nero.

Sarà una vigilia di Capodanno unica quella tra 2016 e 2017. Se c’è una cosa certa, è che ogni giorno è scandito da 86400 secondi. Eppure il prossimo 31 dicembre non sarà così, ce ne saranno 86401. Un “leap second” verrà infatti aggiunto alle 23:59:59 UTC, e gli orologi segneranno 23:59:60 e solo dopo le 00:00:00.

E’ al contempo un evento straordinario e non: è più o meno dal 1820 che la durata del giorno ha infranto la barriera degli 86400 secondi. Dal 1972 sono stati aggiunti 26 leap second agli orologi atomici, e come noto, l’ultima volta è accaduto il 30 giugno 2015. La colpa non è degli orologi ma del nostro pianeta: a causa dell’attrazione gravitazionale con il Sole e con la Luna, la Terra ruota su se stessa sempre più lentamente. Rispetto a due secoli fa per fare un giro completo impiega in media due millisecondi in più: giorno dopo giorno, si accumula un secondo ogni 500-750 giorni. Proprio quel secondo che occorre aggiungere per non perdere il ritmo degli orologi atomici e mantenere allineati i due clock che segnano il trascorrere del tempo. Quando si rende necessario, le date in cui si conta un secondo in più sono sempre il 30 giugno o il 31 dicembre di un dato anno.

Quali sono questi due clock?
Uno è detto tempo coordinato universale (UTC), quello determinato dalle transizioni elettromagnetiche negli atomi di cesio degli orologi atomici, che sbaglia al massimo di un secondo ogni 1,4 milioni di anni.

orologio-atomico-ellittico

Il secondo, UT1, il tempo universale, è ritmato dal moto della Terra.

TheEarthRotation

In un mondo ideale UTC e UT1 dovrebbero andare di pari passo. In realtà non è così. Ecco perché occorre, di tanto in tanto, riallinearli. Lo scarto massimo consentito fra i due, stabilito dall’International Earth Rotation and Reference Systems Service, è di 9 decimi di secondo. Ogni volta che sta per essere superato, si corregge l’UTC aggiungendovi un secondo. Come? Fermando per un secondo (leap second) gli orologi di riferimento, si fa sì che un giorno duri 86401 secondi.

Tutto fuorché prevedibile
La Terra sta rallentando, ma in modo irregolare: tante le variabili in gioco, tra cui, l’attrazione gravitazionale di cui sopra, ma anche terremoti, eruzioni vulcaniche, scioglimento dei ghiacci, i cambiamenti atmosferici o stagionali e persino El Niño, che può aumentare la durata del giorno d’un millisecondo. Aggiungere un secondo non è un’operazione pianificabile. Inoltre sembra che la Terra stia rallentando più lentamente, e la causa è ancora oscura.