Il paradosso dell'informazione in un buco nero

Il paradosso dell’informazione nei buchi neri nasce perché, secondo la teoria quantistica, l’informazione non può mai andare perduta, mentre la radiazione di Hawking sembra essere puramente casuale e incapace di trasportare i dettagli su ciò che è caduto nel buco nero. Se il buco nero svanisce completamente, l’informazione su ciò che vi è caduto dentro scompare con lui, violando la meccanica quantistica. Quindi, il paradosso consiste nel conflitto tra la scomparsa dell’informazione e il principio quantistico che debba sempre conservarsi.

Quando un oggetto (una stella, una navicella, ecc) supera l’orizzonte degli eventi di un buco nero, non può più uscire.

Secondo il Teorema “No Hair”, un buco nero “digerisce” tutto e si descrive solo con massa, carica elettrica e momento angolare. Tutte le altre info (cosa era l’oggetto, come erano disposte le sue particelle, lo spine, ecc.) sembrano perse nel nulla.

Nel 1974 Stephen Hawking scoprì che i buchi neri emettono una radiazione a causa di effetti quantistici vicino all’orizzonte, la cosiddetta "radiazione di Hawking".

Quindi i buchi neri "evaporano" lentamente, fino a scomparire del tutto nel corso del tempo.

Il problema è che la radiazione di Hawking è termica, cioè casuale, e senza informazione sul contenuto originale del buco nero. È solo calore, non un messaggio in codice.

E qui nasce un paradosso. Se il buco nero svanisce del tutto e la radiazione non contiene informazioni, allora l’informazione su ciò che è caduto nel buco nero sarebbe persa per sempre.

L’informazione su ciò che è caduto dentro il buco nero viene persa?

Hawking inizialmente credeva fosse così. Ma questa soluzione mandava in crisi la meccanica quantistica.

Nota. Secondo la meccanica quantistica l’informazione non può sparire, perché l’evoluzione quantistica è unitaria: significa che, almeno in linea di principio, dallo stato finale si può sempre ricostruire lo stato iniziale. Se l'informazione sparisce, non si può ricostruire lo stato iniziale e si viola la fisica quantistica.

Quindi, il paradosso dell’informazione nei buchi neri è il dilemma tra due possibilità:

Il buco nero distrugge per sempre tutte le informazioni su ciò che vi cade dentro.
L’informazione viene invece conservata e, in qualche modo, restituita.

Stephen Hawking dedicò gran parte della sua carriera a questo problema, arrivando infine a cambiare idea: negli ultimi anni si schierò a favore della conservazione dell’informazione.

Le ipotesi nate per risolvere il paradosso

Per risolvere il paradosso sono state avanzate diverse ipotesi:

L’informazione esce nella radiazione di Hawking
Anche se sembra casuale, la radiazione conterrebbe minuscole correlazioni quantistiche (entanglement) che codificano l’informazione. In pratica, l’informazione non si perde, ma viene emessa in modo complesso che ancora non comprendiamo appieno. Oggi è l’ipotesi più accettata.
Nota. Pensare che “termico” sia sinonimo di “puramente casuale” è un fraintendimento. Anche un sistema termico può contenere correlazioni sottili. Il punto è stabilire se la radiazione di Hawking può contenere correlazioni sufficienti per codificare l’informazione. Se l’evoluzione è unitaria, allora l’informazione esce. Ma come esca resta un mistero.
Restano dei residui (remnants)
Dopo che il buco nero evapora, resterebbe una minuscola parte residua contenente tutta l’informazione. Ma questa soluzione crea altri problemi teorici, come la possibilità di energia infinita..
L'informazione viene conservata sull'orizzonte degli eventi
Tutta l’informazione verrebbe “registrata” sulla superficie dell’orizzonte degli eventi e rilasciata poco a poco attraverso la radiazione di Hawking. Sulla base di questa ipotesi è stata poi sviluppato il principio olografico dell'Universo, una teoria fisica, non confermata da prove sperimentali, in base al quale lo stesso universo sarebbe in realtà bidimensionale.
Page curve e limiti della gravità semiclassica
Don Page, collega di Hawking, ipotizzò che, se l’informazione non si perde, l’entropia della radiazione di Hawking non dovrebbe crescere all’infinito, ma seguire una curva (la “Page curve”) che inizialmente sale e poi scende verso zero, segnalando che l’informazione viene recuperata. Tuttavia, la gravità semiclassica, che tratta il buco nero come un oggetto classico e calcola la radiazione su quello sfondo, è incapace di riprodurre questa curva. I calcoli rimangono bloccati su un’entropia che cresce senza limiti, come se l’informazione fosse persa.
Nota. Nel 2020, nuovi sviluppi teorici hanno mostrato che, se si ammette che anche la geometria dello spaziotempo possa fluttuare quantisticamente (oltre la gravità semiclassica), emergono configurazioni chiamate replica wormholes. Queste contribuiscono in modo inatteso ai calcoli dell’entropia, riproducendo esattamente la Page curve. In altre parole, la Page curve e i replica wormholes sono due aspetti dello stesso tentativo di risolvere il paradosso dell’informazione: dimostrare che l’informazione può uscire da un buco nero, ma serve ancora una teoria della gravità quantistica più profonda.
L’unitarietà è sacra?
Alcuni scienziati (seppure una minoranza) mettono in discussione la conservazione dell’informazione, sostenendo che la meccanica quantistica potrebbe necessitare di una revisione. In altre parole, non basta dire “l’informazione non può sparire” come fosse un dogma indiscutibile, si chiedono se invece fosse la meccanica quantistica a dover cambiare.

Insomma, la verità è che il paradosso dell’informazione è molto più profondo: non è solo una questione di “dove va a finire l’informazione” ma di cosa sia lo spazio-tempo, e se sia necessario o meno rivedere le leggi fondamentali della fisica.

E così via.