Buchi neri acustici

Sfruttando le analogie tra fenomeni in apparenza diversi, si creano buchi neri acustici con proprietà simili a quelle dei buchi neri gravitazionali.
Contrariamente alla relatività ristretta, la relatività generale non va d’accordo con la meccanica quantistica. Da 70 anni tutti i tentativi di conciliare queste due teorie sono falliti e non disponiamo ancora di una teoria quantistica della gravitazione. Per fortuna, gli effetti di questa teoria dovrebbero manifestarsi solo a distanze molto piccole (dell’ordine di 10^ –35 metri), ben oltre la risoluzione attuale degli esperimenti.

Tuttavia bisognerebbe disporre di una teoria quantistica della gravitazione per studiare i fenomeni quantistici propri dei buchi neri, perché essi fanno appello alle proprietà dello spazio-tempo a scale molto piccole. Quando si studiano le proprietà di emissione di un buco nero, si ottengono risultati molto differenti a seconda che si utilizzi la descrizione classica o quantistica della luce. Le proprietà classiche furono l’oggetto di numerosi studi all’inizio degli anni settanta e tutti confermarono che un buco nero può assorbire materia e radiazione, ma non può emettere nulla.

Immaginiamo ora la sorpresa che causò nel 1974 l’articolo di Stephen Hawking in cui dimostrava che allorché si utilizzi la descrizione quantistica della luce, i buchi neri emettono una radiazione termica costante. Dopo lo scetticismo iniziale, questo risultato è stato ammesso dai fisici e, da allora, gioca un ruolo centrale nelle ricerche sulla gravitazione quantistica. Lo studio delle proprietà quantistiche dei buchi neri fa da sprone ai fisici che cercano di unificare relatività generale e meccanica quantistica.

Di fronte al persistere delle difficoltà nel progettare esperimenti risolutivi alle scale necessarie, alcuni di loro hanno deciso di sfruttare le analogie che esistono fra la propagazione della luce e quella del suono in un fluido. I loro lavori suggeriscono che a distanze piccolissime lo spazio-tempo possa comportarsi come un fluido.

Per costruire un buco nero acustico “è sufficiente” utilizzare un ugello di Laval. Si tratta di un dispositivo composto da una conduttura cilindrica che presenta una strozzatura concepita per accelerare il fluido a una velocità supersonica assicurandosi che rimanga regolare. In questo modo la velocità della corrente nell’ugello raggiunge e supera la velocità del suono nel fluido senza provocare deflagrazione sonora, come succede generalmente al superamento del muro del suono.

La geometria acustica associata a questo flusso è molto simile a quella di un buco nero. Lo si verifica analizzando le traiettorie seguite dalle onde sonore. Nella regione in cui il flusso è supersonico, le onde sonore che si propagano controcorrente sono inesorabilmente trascinate a valle, come le onde luminose nella regione interna di un buco nero. La frontiera di questa regione, la sezione dell’ugello in cui il fluido supera la velocità del suono, ha lo stesso ruolo dell’orizzonte degli eventi del buco nero: separa le onde in due classi, quelle che possono risalire a monte e quelle che non possono.

Inoltre nella regione subsonica le onde che risalgono la corrente perdono energia allontanandosi dall’orizzonte, come fanno i fotoni sottoposti al “red shift” gravitazionale. Quindi si ritrovano le principali proprietà che caratterizzano l’orizzonte di un buco nero.