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Red Hanuman
19-10-2014, 21:40
Simulata in laboratorio la radiazione di Hawking


La radiazione che produrrebbe l'evaporazione dei buchi neri, prevista nel 1974 da Stephen Hawking, è stata riprodotta sperimentalmente in un analogo di un buco nero, realizzato in laboratorio con onde acustiche che si propagano in un gas di atomi di rubidio mantenuti a pochi milionesimi di grado sopra lo zero assoluto (red)




La radiazione di Hawking, uno dei più affascinanti fenomeni fisici previsti dall'incontro delle teorie quantistiche con la teoria generale della relatività di Einstein, è stata osservata per la prima volta da Jeff Steinhauer, ricercatore del Technion—Israel Institute of Technology di Haifa, autore di un articolo su “Nature Physics”, grazie all'analogo di un buco nero realizzato in laboratorio.


I buchi neri sono così definiti perché il loro campo gravitazionale è talmente forte da inghiottire materia e radiazione comprese entro un certo raggio, definito orizzonte degli eventi, sfuggendo così a ogni osservazione diretta.


Questo è il modello che emerge dalla teoria della relatività generale ma che Stephen Hawking, in un famoso lavoro del 1974, dimostrò che andava corretto in base alle previsioni della meccanica quantistica. I buchi neri cioè non sarebbero completamente “neri” perché emettono un particolare tipo di radiazione, definita da allora “radiazione di Hawking”. L'energia emessa con la radiazione di Hawking è accompagnata dalla creazione di particelle di energia negativa che cadono all'interno del buco nero. Queste ultime particelle riducono l'energia del buco nero, che quindi dovrebbe scomparire, o "evaporare", come dicono i cosmologi.


Ma come si può rilevare sperimentalmente la radiazione di Hawking? I calcoli danno poche speranze: per buchi neri di massa equivalente a poche masse solari, la radiazione sarebbe eccezionalmente debole, al punto da non poter essere rilevata con gli strumenti usati in astrofisica.


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Illustrazione di un buco nero: la radiazione di Hawking, secondo una previsione del famoso cosmologo, dovrebbe portare all'evaporazione di questi oggetti estremi del cosmo (© Corbis)


Ma c'è un altro modo per verificare sperimentalmente le previsioni di Hawking: riprodurre in laboratorio un analogo di un buco nero elettricamente carico, utilizzando particolari fluidi il cui comportamento è regolato dalle leggi della meccanica quantistica e in cui è il suono, invece che la luce, a non poter sfuggire da un analogo dall'orizzonte degli eventi.


I buchi neri carichi in natura non possono esistere. O almeno così si ritiene sulla base di un semplice ragionamento: se in un dato istante i buchi neri fossero dotati di carica elettrica, si neutralizzerebbero immediatamente attirando cariche di segno opposto dallo spazio circostante. Detto in altri termini, l'universo nel suo complesso è elettricamente neutro e funzionerebbe quindi come una sorta di immensa “messa a terra”, scaricando i buchi neri carichi.


Da un punto di vista teorico, tuttavia, i buchi neri sono soluzioni di alcune equazioni elaborate da Albert Einstein, che definiscono la forma dello spazio-tempo in funzione di materia, energia e pressione. E una particolare soluzione di queste equazioni, denominata soluzione di Reissner-Nordström, prevede appunto che il buco nero possa essere dotato, oltre che di una massa, anche di una carica elettrica. Quindi i buchi neri carichi, in termini teorici, esistono. E ciascuno ha una seconda superficie limite interna, denominata orizzonte di Cauchy, molto più vicina al suo centro.


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Stephen Hawking, in un'immagine di alcuni anni fa (© Michael S. Yamashita/Corbis)


In un pionieristico lavoro del 1999 Steven Corley allora dell'Università di Alberta, in Canada, e Ted Jacobson, dell'Università del Maryland a College Park dimostrarono per via teorica una peculiarità dei buchi neri carichi: le particelle di energia negativa che procedono verso il centro dell'oggetto celeste dovrebbero rimbalzare sull'orizzonte di Cauchy, ritornando verso l'orizzonte degli eventi, stimolando così l'emissione di ulteriore radiazione di Hawking.


Questo processo di emissione stimolata ricorda molto il processo che avviene nella cavità risonante di un laser, ed è per questo che il processo scoperto da Corley e Jacobson è stato battezzato laser di buco nero (black hole laser).


Sfruttando questo fenomeno, Steinhauer, che da molti anni lavora a questo problema, è riuscito a produrre una notevole amplificazione della radiazione di Hawking nel suono che si propaga in un gas di atomi di rubidio mantenuti alla temperatura di pochi milionesimi di grado sopra lo zero assoluto. In queste condizioni, il campione rappresenta un condensato di Bose-Einstein, cioè un insieme di molti atomi che si comporta complessivamente come un tutt'uno, secondo le leggi della meccanica quantistica.


Proprio l'amplificazione ottenuta ha permesso la rivelazione della radiazione di Hawking, la prima conferma sperimentale di laboratorio in un analogo di buco nero.

Articolo originale QUI (http://www.lescienze.it/news/2014/10/13/news/radiazione_hawking_evaporazione_buco_nero_laborato rio-2327570/?ref=nl-Le-Scienze_17-10-2014).

Gaetano M.
20-10-2014, 12:44
"Questo è il modello che emerge dalla teoria della relatività generale ma che Stephen Hawking, in un famoso lavoro del 1974, dimostrò che andava corretto in base alle previsioni della meccanica quantistica. I buchi neri cioè non sarebbero completamente “neri” perché emettono un particolare tipo di radiazione, definita da allora “radiazione di Hawking”. L'energia emessa con la radiazione di Hawking è accompagnata dalla creazione di particelle di energia negativa che cadono all'interno del buco nero. Queste ultime particelle riducono l'energia del buco nero, che quindi dovrebbe scomparire, o "evaporare", come dicono i cosmologi."

Red, non capisco come può il saldo tra materia entrante e radiazione uscente essere negativo da portare all'evaporazione del B.H.
Se ho ben capito la radiazione è data esclusivamente dalle particelle virtuali che si formano sull'orizzonte degli eventi.

Enrico Corsaro
20-10-2014, 13:23
Red, non capisco come può il saldo tra materia entrante e radiazione uscente essere negativo da portare all'evaporazione del B.H.
Se ho ben capito la radiazione è data esclusivamente dalle particelle virtuali che si formano sull'orizzonte degli eventi.

Da quanto ho letto è spiegato nello stesso articolo! Non si tratta di particelle virtuali ma reali, che fuoriescono dall'OE e che fanno perdere energia al BH. Il problema è che questo processo di per sè sarebbe troppo debole per giustificare una evaporazione del BH e pertanto si è cercata una spiegazione piu' approfondita.

Come dice l'articolo:

In un pionieristico lavoro del 1999 Steven Corley allora dell'Università di Alberta, in Canada, e Ted Jacobson, dell'Università del Maryland a College Park dimostrarono per via teorica una peculiarità dei buchi neri carichi: le particelle di energia negativa che procedono verso il centro dell'oggetto celeste dovrebbero rimbalzare sull'orizzonte di Cauchy, ritornando verso l'orizzonte degli eventi, stimolando così l'emissione di ulteriore radiazione di Hawking.


Questo rimbalzamento delle cariche negative reimmesse nel BH e nuovamente espulse amplificherebbe il processo di emissione di radiazione di Hawking. Questo quindi è quello che sono riusciti a provare in laboratorio e han confermato che questo effetto può effettivamente causare nella realtà quello che ci si aspettava.

Gaetano M.
20-10-2014, 19:46
Enrico, come puoi parlare di particelle reali, si parla di particelle ad energia negativa che rimbalzano (negativa:biggrin:).

Gaetano M.
20-10-2014, 19:49
Ho trovato questo Comunicato Stampa della Sissa del 2006: http://www.sissa.it/download/pressroom/sissa-2006-11-15.pdf
Mi sembra in tema.

Enrico Corsaro
20-10-2014, 20:43
Scusami ma mi sono espresso male! Le particelle a cui mi riferivo sono i fotoni, che fuoriescono appunto dal BH!
Ed in ogni caso, le particelle ad energia negativa sono reali anche, essendo antimateria :)

Red Hanuman
20-10-2014, 21:45
"Questo è il modello che emerge dalla teoria della relatività generale ma che Stephen Hawking, in un famoso lavoro del 1974, dimostrò che andava corretto in base alle previsioni della meccanica quantistica. I buchi neri cioè non sarebbero completamente “neri” perché emettono un particolare tipo di radiazione, definita da allora “radiazione di Hawking”. L'energia emessa con la radiazione di Hawking è accompagnata dalla creazione di particelle di energia negativa che cadono all'interno del buco nero. Queste ultime particelle riducono l'energia del buco nero, che quindi dovrebbe scomparire, o "evaporare", come dicono i cosmologi."

Red, non capisco come può il saldo tra materia entrante e radiazione uscente essere negativo da portare all'evaporazione del B.H.
Se ho ben capito la radiazione è data esclusivamente dalle particelle virtuali che si formano sull'orizzonte degli eventi.
QUI (http://www.astronomia.com/2012/02/09/davide-contro-golia-ovvero-vuoto-vs-buco-nero/) avevo scritto un pezzo sulla radiazione di Hawking. Prova a darci un'occhiata....;)

Gaetano M.
21-10-2014, 10:30
Bello Red, mi era piaciuto allora e mi piace ancora di più adesso con altri due anni di fisica nella.. pancia:biggrin:.

Enrico Corsaro
21-10-2014, 10:51
QUI (http://www.astronomia.com/2012/02/09/davide-contro-golia-ovvero-vuoto-vs-buco-nero/) avevo scritto un pezzo sulla radiazione di Hawking. Prova a darci un'occhiata....;)

Bell'articolo, molto comprensibile! ;)

Gaetano M.
22-10-2014, 10:49
Red, tornando al tuo articolo del 2012. Si avrebbe un effetto di creazione di particelle sull'orizzonte degli eventi compensate da una diminuzione di massa-energia del B.H.
Non mi è chiaro perche sono le particelle ad energia negativa ad essere attratte dal buco nero, l'energia non dovrebbe essere considerata in valore assoluto.
Tornando alla simulazione della Radiazione di Hawking: a tuo avviso come si può pensare di utilizzare onde sonore per simulare le fluttuazioni partcella-antiparticella nel vuoto. :confused:(Scusa se dico cavoltate).

Red Hanuman
22-10-2014, 20:37
Red, tornando al tuo articolo del 2012. Si avrebbe un effetto di creazione di particelle sull'orizzonte degli eventi compensate da una diminuzione di massa-energia del B.H.
Non mi è chiaro perche sono le particelle ad energia negativa ad essere attratte dal buco nero, l'energia non dovrebbe essere considerata in valore assoluto.

In questo caso, anche se sembra strano, le particelle hanno energia negativa, e quindi anche massa negativa. Se facciamo il calcolo dell'energia potenziale, che comprende la massa, essa sarà senz'altro negativa. Ora, questo è un caso limite, visto che l'energia (e la massa) negativa non ha senso nel nostro universo. Ma HA senso nella regione di spazio del BN, proprio per la sua particolare metrica....;)

Aggiungo che l'esistenza di particelle ad energia negativa è consentita nell'equazione di Dirac (http://it.wikipedia.org/wiki/Equazione_di_Dirac), e sono normalmente identificate nelle antiparticelle. A loro volta, le antiparticelle possono essere pensate come particelle "normali" che si muovono indietro nel tempo... E nel BN il tempo e lo spazio non sono come quelli che sperimentiamo tutti i giorni, perchè il tempo è fermo e lo spazio scorre... :wtf:


Tornando alla simulazione della Radiazione di Hawking: a tuo avviso come si può pensare di utilizzare onde sonore per simulare le fluttuazioni partcella-antiparticella nel vuoto. :confused:(Scusa se dico cavoltate).

Vedi, in certi casi un'onda sonora si comporta esattamente come un'onda elettromagnetica.
In questi casi emerge una quasiparticella (http://it.wikipedia.org/wiki/Quasiparticella) (un sistema complesso in cui la materia si organizza per trasportare al suo interno delle proprietà esattamente come se esse fossero trasportate da una particella che attraversa quella materia. Per esempio, pensa ad una lacuna che si sposta all'interno di un semiconduttore) chiamata fonone (http://it.wikipedia.org/wiki/Fonone), che entro certi limiti si comporta come la luce....

E' un po' complesso, lo so....;)