Buchi Neri Acustici

Responsabile: Roberto Balbinot

La Fisica è una scienza basata sugli esperimenti: essi sono il cemento che unisce tra loro i mattoni dei modelli teorici. Sfortunatamente alcuni campi della Fisica sono afflitti da una mancanza di dati sperimentali tale da comprometterne seriamente lo sviluppo. Tra questi è la Teoria Quantistica dei Campi (QFT) in presenza di campi gravitazionali, col suo più famoso risultato – l'effetto Hawking – ancora senza riscontro sperimentale. Hawking ha dimostrato che, considerando gli effetti quantistici, i buchi neri non sono oggetti completamente neri, ma irradiano una radiazione termica ad una temperatura caratteristica, inversamente proporzionale alla loro massa. La comparsa di questa radiazione è un effetto puramente cinematico, che dipende solo dalla geometria dello spazio-tempo vicino ad un orizzonte degli eventi, e non dipende dalla dinamica del campo gravitazionale descritto dalle equazioni di Einstein. Pur essendo l'effetto Hawking largamente considerato una pietra miliare nella moderna Fisica Teorica, finora nessun esperimento è stato in grado di provarne l'esistenza. Infatti la temperatura associata alla radiazione di Hawking per un buco nero formatosi a seguito di un collasso gravitazionale di una stella di una massa solare è solo di ~10-8 Kelvin, molto al di sotto della temperatura della radiazione cosmica di fondo (3 Kelvin) che quindi copre completamente l'effetto. Un riscontro della radiazione Hawking via osservazione astrofisica è perciò altamente improbabile. Tuttavia una possibile alternativa viene della sorprendente analogia esistente tra la gravità e alcuni sistemi di materia condensata. Infatti le onde sonore in sistemi idrodinamici non omogenei si propagano esattamente come si propaga la luce su uno spazio-tempo curvo. Il suono sente le disomogeneità del fluido proprio come la luce sente la curvatura dello spazio-tempo: un fluido omogeneo corrisponde a uno spazio-tempo piatto, mentre a un fluido non omogeneo è associato uno spazio-tempo curvo, descritto da una metrica "acustica". Poiché l'analogia vale sia a livello classico che quantistico, e siccome l'effetto Hawking è puramente cinematico, la propagazione dei fononi (i quanti associati alle onde sonore) in sistemi idrodinamici che simulino la formazione di un orizzonte, darà luogo all'analogo acustico della radiazione Hawking: un flusso termico di fononi ad una temperatura peculiare legata alla geometria dell'orizzonte. Questa rappresenta probabilmente la via più concreta al fine di osservare la radiazione Hawking in un futuro prossimo. L'analogo acustico di un buco nero si può costruire connettendo una regione di flusso subsonico con una regione di flusso supersonico: nella regione supersonica le onde sonore non possono propagarsi controcorrente perché trascinate dalla corrente: sono intrappolate esattamente come la luce dentro un buco nero gravitazionale. La superficie di transizione tra la regione subsonica e quella supersonica è l'orizzonte acustico. Per il loro altissimo grado di coerenza, le temperature estremamente basse e l'impressionante sviluppo sperimentale che li vede protagonisti, i condensati di Bose-Einstein (BEC) sono ad ora probabilmente il candidato più promettente al fine di costruire un esperimento realistico in Fisica della materia condensata per mettere in luce in concreto l'esistenza della radiazione Hawking.