Rivista Quanti

Mar 09, 2023

6 giugno 2023

Olena Shmahalo per Quanta Magazine

Scrittore collaboratore

6 giugno 2023

La morte termica esercitava un fascino morboso sui fisici dell’epoca vittoriana. È stato un primo esempio di come la fisica quotidiana si collega ai temi più grandi della cosmologia. Metti dei cubetti di ghiaccio in un bicchiere d'acqua e crei una situazione fuori equilibrio. Il ghiaccio si scioglie, il liquido si raffredda e il sistema raggiunge una temperatura normale. Anche se il movimento non cessa – le molecole d’acqua continuano a rimescolarsi – perde ogni senso di progresso e la distribuzione complessiva delle velocità molecolari non cambia.

I fondatori della termodinamica del XIX secolo si resero conto che lo stesso vale per l’universo nel suo complesso. Una volta che tutte le stelle si saranno esaurite, tutto ciò che resta – gas, polvere, corpi stellari, radiazioni – raggiungerà l’equilibrio. "L'universo da quel momento in poi sarà condannato a uno stato di riposo eterno", scriveva Hermann von Helmholtz nel 1854. La cosmologia moderna non ha modificato questo quadro fondamentale.

Ma ultimamente i fisici hanno pensato che un universo apparentemente morto termicamente sia molto più interessante di quanto sembri. La loro storia inizia con una domanda sui buchi neri, un altro enigma oltre a quelli che attirano maggiormente l’attenzione. Secondo la nostra comprensione standard dei buchi neri, essi continuano a cambiare molto tempo dopo che avrebbero dovuto raggiungere l’equilibrio. Un’indagine sul perché ha portato i ricercatori a riconsiderare il modo in cui si evolvono le cose in generale, compreso l’universo stesso. "Nessuno ci ha pensato molto perché è semplicemente noioso: sembra un equilibrio e non succede nulla", ha detto Brian Swingle, fisico della Brandeis University. "Ma poi sono arrivati ​​i buchi neri."

Quando un cubetto di ghiaccio si scioglie e raggiunge l'equilibrio con il liquido, i fisici solitamente dicono che l'evoluzione del sistema è terminata. Ma non è così: c'è vita dopo la morte per calore. Cose strane e meravigliose continuano ad accadere a livello quantico. "Se si guarda davvero a un sistema quantistico, la distribuzione delle particelle potrebbe essersi equilibrata, e anche la distribuzione dell'energia potrebbe essersi equilibrata, ma c'è ancora molto altro da fare oltre a questo", ha detto Xie Chen, fisico teorico del California Institute of Technology. .

Chen, Swingle e altri pensano che, se un sistema equilibrato sembra noioso e insignificante, semplicemente non lo stiamo guardando nel modo giusto. L’azione si è spostata da quantità che possiamo vedere direttamente a quantità altamente delocalizzate che richiedono nuove misure per essere monitorate. La misura preferita, al momento, è nota come complessità del circuito. Il concetto ha avuto origine nell’informatica ed è stato appropriato (appropriato indebitamente, alcuni hanno lamentato) per quantificare i modelli che fioriscono in un sistema quantistico. Il lavoro è affascinante per il modo in cui riunisce molteplici aree della scienza, non solo i buchi neri ma anche il caos quantistico, le fasi topologiche della materia, la crittografia, i computer quantistici e la possibilità di macchine ancora più potenti.

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video : Leonard Susskind e collaboratori hanno deciso di capire perché gli spazi interni dei buchi neri crescono per sempre. Finirono per proporre una nuova legge della fisica.

Christopher Webb Young/Quanta Magazine

A metà del XX secolo, i buchi neri erano misteriosi a causa della loro “singolarità” al loro interno, un luogo dove la materia in caduta diventa infinitamente compatta, la gravità si intensifica senza limiti e le leggi conosciute della fisica vengono meno. Negli anni '70 Stephen Hawking si rese conto che il perimetro o "orizzonte" di un buco nero è altrettanto strano, creando il tanto discusso paradosso dell'informazione. Entrambi gli enigmi continuano a lasciare perplessi i teorici e guidano la ricerca di una teoria unificata della fisica.

Nel 2014 Leonard Susskind della Stanford University ha identificato un altro enigma: il volume interno del buco nero. Dall'esterno, un buco nero sembra una grande palla nera. Secondo la teoria della relatività generale di Einstein, la palla cresce quando qualcosa cade dentro, ma per il resto rimane semplicemente lì.