Buchi neri come particelle elementari, rivisitazione di una indagine pionieristica sulle particelle viste come micro buchi neri

L’idea che le particelle possano essere microscopici buchi neri può sembrare strana, ma persino nel modello canonico della fisica, particelle elementari come elettroni e quark possiedono una massa pur essendo di dimensione zero. A causa dell’autoenergia di una particella puntiforme, i leptoni hanno massa e carica nuda infinita, quindi le fluttuazioni del vuoto sono necessarie per per schermare questi valori infiniti. Tale particella puntiforme è una singolarità o i linguaggio più comune, un buco nero. Allora perchè le particelle elementari non sono viste come micro buchi neri? Una ragione è che la teoria di campo quantistica tratta le particelle come oggetti probabilistici estesi, che non esistono se non come stati di sovrapposizione, quindi non sono davvero particelle puntiformi, dato che non occupano alcun punto specifico dello spazio. Tuttavia, la stessa teoria stipula che grazie al collasso della funzione d’onda, una particella tornerà in una posizione puntiforme e quindi alla singolarità. Persino nella teoria delle stringhe troviamo paralleli stretti tra le stringhe, il loro comportamento come brane e le singolarità o buchi neri.

Altro argomento dice che i micro buchi neri non potrebbero esibire le caratteristiche osservate delle particelle elementari e mentre questa è un assunto di base, le indagini reali nella materia hanno mostrato che i micro buchi neri possono invece esibire molte delle caratteristiche osservate delle particelle elementari. Nel 1935 Albert Einstein e Nathaniel Rosen affrontano la questione “particelle come singolarità” nel loro famoso documento “the particle problem in the general theory of relativity“, Einstein e Rosen volevano una teoria che eliminasse la singolarità puntiforme e descrivesse le particelle materiali dalla pura soluzione gravitazionale della relatività generale e dalle soluzioni di Maxwell per l’elettromagnetismo, una teoria unificata.

A questo proposito immaginarono un percorso radiale verso la singolarità. Invece di attraversare l’orizzonte degli eventi per arrivare al centro, Einstein e Rosen mostrarono come far combaciare il tracciato su altro percorso verso l’esterno, ma in una sezione separata dello spazio-tempo. Immaginate delle forme a imbuto generate da due fogli di gomma adiacenti e connessi a livello del collo, che forniscano un percorso continuo da una superficie all’altra. Questa struttura crea un collegamento o ponte tra due punti distinti dello spaziotempo. Venne formato il ponte di Einstein-Rosen.
particelle elementariQuasi 20 anni dopo il grande fisico John Archibald Wheeler riprese lo schema di Einstein e Rosen e formulò il campo della geometrodinamica quantistica. Wheeler descrisse come un campo esterno elettromagnetico estremamente forte possa curvare lo spaziotempo ad un livello tale da ripiegarlo su sè stesso, formando un toroide (come un anello fotonico), che nelle dimensioni quantistiche formerebbe un micro buco nero. Tale oggetto sarebbe indistinguibile da una particella: Wheeler lo definì entità elettromagnetica gravitazionale o Geone. Avrebbe massa e carica anche se queste non sarebbero caratteristica intrinseca del campo prima della formazione del micro buco nero, diverrebbero conseguenza della geometria dello spaziotempo.

In modo simile al ponte di Einstein-Rosen, Wheeler descrisse questi geoni come coppie di particelle connesse da un ponte di spaziotempo o wormhole: il wormhole di Wheeler era nato. Recentemente, in uno studio sulla geometria dell’entanglement (ERb=EPR), i calcoli hanno predetto la formazione della coppia di particelle connesse di Wheeler, tramite l’effetto olografico di Schwinger. Mentre la maggioranza dei fisici al lavoro sull’unificazione, ha deviato dalla geometrodinamica quantistica a favore delle teorie delle stringhe, comunque il lavoro su questa idea è andato avanti. Nel 1968 Brandon Carter ha mostrato che un buco nero con stessa massa, carica e momento angolare di un elettrone, mostrerebbe lo stesso momento magnetico. Questa è una scoperta importante, perchè i calcoli che non includono la relatività generale e trattano l’elettrone come una piccola sfera rotante di carica, forniscono un momento magnetico errato per almeno un fattore di 2.

Nel 2008 uno studio riguardante “uno scenario di gravità forte nella fisica delle particelle” ha mostrato che buchi neri in evaporazione per la radiazione di Unruh-Hawking, passerebbero in una transizione di fase risultante in vari oggetti quantizzati di lunga durata e dimensioni ragionevoli, incluse quelle delle particelle del dominio quantistico. Ancora, questa porta a ipotizzare che forse tutto è fatto da micro buchi neri. Nel 2012, Nassim Haramein ha scoperto (continuando dal lavoro precedente) che la forza di confinamento di un adrone e un nucleo può essere esattamente descritta dalla forza gravitazionale di un protone di Schwarzschild (un buco nero con lo stesso diametro di un protone), senza necessità dell’aggiunta di una forza forte. Anche se questi calcoli dimostrano che i micro buchi neri presentano le caratteristiche osservate delle particelle elementari, come massa, carica e spin, l’idea dei micro buchi neri continua ad essere fortemente criticata. In un documento del 1992, Christoph Holzhey e Frank Wilczek hanno indagato su come certi buchi neri possano essere ragionevolmente visti come normali particelle elementari:

“Esiste una distinzione fondamentale tra buchi neri e particelle elementari? L’uso di concetti come entropia, temperatura e risposta dissipativa nella descrizione delle interazioni del buco nero, fanno sembrare questi oggetti molto diversi dalle particelle elementari. Questo fa sospettare che la descrizione dei buchi possa richiedere una distanza dai principi fondamentali della meccanica quantistica. Tuttavia un atteggiamento più conservativo non è certo precluso. In questo documento analizzeremo una particolare classe di soluzioni dei buchi neri (buchi neri di estrema dilatazione) in dettaglio e discuteremo del come alcuni di essi sembrino in effetti comportarsi come le particelle elementari”.
Black Holes as Elementary Particles.

La nostra discussione in questo articolo non esaurisce l’interezza di fonti e informazioni che possono riguardare questo argomento, ma fornisce una panoramica generale nel lavoro fatto per indagare sul confronto tra micro buchi neri e particelle elementari.
Nota: Frank Wilzcek ha scritto un recente articolo che discute la computazione quantistica topologica con anioni (arxiv).

William Brown
resonance.is

Buchi neri come particelle elementari, rivisitazione di una indagine pionieristica sulle particelle viste come micro buchi neri ultima modifica: 2017-03-02T17:57:02+00:00 da Richard
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Noi siamo l’incarnazione locale di un Cosmo cresciuto fino all’autocoscienza. Abbiamo incominciato a comprendere la nostra origine: siamo materia stellare che medita sulle stelle. (Carl Sagan)