Per decenni, i fisici si sono confrontati con uno degli enigmi più complessi della scienza moderna: il “paradosso dell’informazione del buco nero”.
Ora, un nuovo studio teorico suggerisce una possibile soluzione, che potrebbe anche far luce su un altro grande mistero della fisica: l’origine della massa delle particelle fondamentali.
Il paradosso risale al lavoro di Stephen Hawking negli anni ’70. Utilizzando calcoli semiclassici, Hawking dimostrò che i buchi neri non sono completamente neri. Emettono invece una debole forma di radiazione che ne consuma lentamente l’energia, causandone il restringimento e la successiva scomparsa.
Quel risultato creò un serio problema. Secondo la meccanica quantistica, l’informazione non può essere distrutta. Eppure, se un buco nero evapora completamente, tutte le informazioni sulla materia che vi è caduta dentro sembrano svanire anch’esse. Questa apparente contraddizione divenne nota come il paradosso dell’informazione del buco nero.
Un nuovo studio condotto da Richard Pinčák e pubblicato sulla rivista General Relativity and Gravitation propone un risultato diverso. I ricercatori suggeriscono che la risposta potrebbe risiedere nella geometria di un universo a dimensioni superiori.
Dimensioni extra e spaziotempo distorto
Il team ha studiato una versione della gravità nota come teoria di Einstein-Cartan, formulata in 7 dimensioni su una struttura matematica chiamata varietà G2 con torsione.
A differenza della teoria della relatività generale di Einstein, che descrive lo spaziotempo come qualcosa che può piegarsi o curvarsi, la teoria di Einstein-Cartan ammette anche che lo spaziotempo possa torcersi. Questa torsione è nota come torsione dello spaziotempo.
Secondo il modello, la torsione diventa particolarmente importante alle densità estreme associate alla scala di Planck. In tali condizioni, genera una forza repulsiva che si oppone al collasso gravitazionale.
I ricercatori hanno scoperto che questo effetto repulsivo può arrestare la fase finale dell’evaporazione di Hawking. Invece di scomparire completamente, un buco nero lascerebbe dietro di sé un “residuo” stabile con una massa prevista di circa 9*10 -41 kg.
Resti di buchi neri come archivio di informazioni
Se un buco nero non scompare mai del tutto, la domanda successiva è ovvia: che fine fanno le informazioni che contiene?
I ricercatori ipotizzano che il residuo spaziale funga da deposito di informazioni a lungo termine. Nel loro modello, le informazioni vengono immagazzinate attraverso uno spettro di “modi quasi normali” associati alla struttura del residuo.
Più nello specifico, l’informazione quantistica viene codificata all’interno di “vibrazioni” di lunga durata del campo di torsione che esistono all’interno della geometria del residuo.
I loro calcoli suggeriscono che un residuo lasciato da un buco nero con la massa del Sole potrebbe immagazzinare circa 1,515*10 77 qubit di informazione. Secondo i ricercatori, tale capacità è esattamente sufficiente a preservare le informazioni necessarie per risolvere il paradosso.
Una possibile connessione con il campo di Higgs
Lo studio si estende anche oltre i buchi neri e si addentra nella fisica delle particelle.
I ricercatori sostengono che la riduzione della geometria da 7 dimensioni a 4 dimensioni, ovvero lo spaziotempo che percepiamo, produce naturalmente la scala elettrodebole (~246 GeV). Questa scala energetica è strettamente associata al campo di Higgs, responsabile dell’attribuzione di massa alle particelle elementari.
All’interno del modello, il valore atteso del vuoto (VEV) del campo di torsione viene identificato dinamicamente con la scala elettrodebole (circa 246 GeV).
Di conseguenza, lo stesso meccanismo geometrico che impedisce ai buchi neri di evaporare completamente e preserva l’informazione quantistica potrebbe anche fornire una spiegazione geometrica per il problema della gerarchia di massa, una delle sfide di lunga data della fisica delle particelle.
Come si potrebbe mettere alla prova questa teoria?
Se le dimensioni extra giocano un ruolo così fondamentale, perché gli scienziati non le hanno osservate direttamente?
Secondo lo studio, le particelle legate a queste dimensioni (eccitazioni di Kaluza-Klein) avrebbero masse di circa 8,6*10 15 GeV. Questa scala energetica è circa sette ordini di grandezza superiore a quella che il Large Hadron Collider (LHC) può raggiungere.
Tuttavia, gli autori sottolineano che il fatto che la teoria sia al di fuori della portata degli attuali acceleratori di particelle non la rende impossibile da verificare.
Poiché il modello si basa su specifiche relazioni geometriche, produce previsioni concrete che potrebbero essere verificate tramite osservazioni astronomiche.
Una possibilità riguarda gli stessi resti stabili del buco nero. I resti previsti (9*10 -41 kg) potrebbero contribuire alla materia oscura. Rilevare gli effetti gravitazionali di queste presunte “reliquie planckiane” fornirebbe un supporto diretto alla teoria.
Il modello formula inoltre previsioni specifiche su come le informazioni vengono codificate nelle “vibrazioni” dei resti (modi quasi-normali), fornendo una firma matematica che lo distingue dalle idee concorrenti.
Inoltre, le scale energetiche estremamente elevate coinvolte sono caratteristiche dell’universo primordiale. Ciò significa che tracce della geometria a 7 dimensioni proposta potrebbero essere conservate nella radiazione cosmica di fondo a microonde o nelle onde gravitazionali primordiali.
Collegando buchi neri, informazione quantistica, dimensioni extra e campo di Higgs all’interno di un unico quadro concettuale, lo studio propone un ambizioso tentativo di affrontare molteplici problemi irrisolti della fisica. Se l’idea si rivelasse corretta, il paradosso dell’informazione dei buchi neri potrebbe non richiedere, dopotutto, una revisione della meccanica quantistica. Al contrario, potrebbe indicare una comprensione più profonda della realtà, radicata in una struttura spazio-temporale a 7 dimensioni.
Abstract
In questo lavoro, esploriamo le conseguenze fenomenologiche di una teoria di Einstein-Cartan a 7 dimensioni formulata su un G -varietà con torsione. Dimostriamo che una riduzione di Kaluza-Klein di questa geometria può fornire un’origine naturale per la scala elettrodebole (≈≈ 246GeV), offrendo una spiegazione geometrica per il problema della gerarchia. Una previsione chiave di questo quadro è l’esistenza di una forza repulsiva alle densità di Planck, che arresta dinamicamente la fase finale dell’evaporazione di Hawking. Ciò porta alla formazione di un residuo stabile con una massa prevista di circa (9 X 10 -41 kg). La coerenza interna del modello è confermata da relazioni non banali che ne fissano i parametri geometrici, portando a previsioni falsificabili. Inoltre, la struttura del residuo fornisce un meccanismo concreto per l’immagazzinamento di informazioni tramite il suo spettro di modi quasi normali, aprendo un nuovo programma di ricerca verificabile all’intersezione tra geometria, gravità quantistica e fisica delle particelle.
Materiale fornito dall’Istituto di Fisica Sperimentale SAS . Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per motivi di stile e lunghezza.
Richard Pinčák, Alexander Pigazzini, Michal Pudlák, Erik Bartoš. Geometric origin of a stable black hole remnant from torsion in G$$_2$$-manifold geometry. General Relativity and Gravitation, 2026; 58 (3) DOI: 10.1007/s10714-026-03528-z
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