Perchè alcune persone credevano (o avevano messo in voce in giro) che si potesse aprire un buco nero dopo l'attivazione dell'acceleratore di particelle a Ginevra? C'è qualche ragione scientifica oppure no?
Caro Leonardo,
la tua è una bella domanda. I perchè sono duri a rispondere, e io penso che uno farebbe bene a considerare non solo argomenti di fisica ma anche di storie personali di scienziati (scienziati maturi che hanno pensato per tanti anni ad un certo argomento o giovani scienziati con idee rivoluzionarie), di psicologia individuale (ad esempio atteggiamenti di protagonismo), di sociologia di piccoli gruppi (comunità scientifiche che giustificano il loro operato operando in un certo modo), di sociologia e psicologia delle masse (paura verso la fisica, che ha fatto del bene, ma che ha portato alla bomba atomica) di scienza delle comunicazioni di massa (non per niente siamo nel villaggio globale), eccetera.
Nel seguito cercherò di ridurre l'enfasi su questi aspetti e di focalizzarmi sul punto scientifico. Infatti, siamo in un sito di divulgazione scientifica e la tua domanda chiede in esplicito un commento su questo. Ma siccome mi trovo a raccontarti una storia di idee, e le idee camminano con le persone, non penso sia neanche corretto idealizzare la scienza al punto di evitare completamente di parlare di chi la fa.
Vorrei cominciare provando a chiarire alcuni dei termini messi in gioco dalla tua domanda:
1) L'acceleratore di Ginevra è l'ultimo ed il più grande di una serie di
simili macchine, concepite dai fisici nucleari (Lawrence, figura di
primo piano del progetto Manhattan, inventò il primo, meritando per
questo il premio Nobel per la fisica nel 1939). Il nome tecnico di
questo acceleratore è LHC, dall'acronimo inglese large hadron
collider; in effetti, in questo acceleratore avremo collisioni tra
fasci di protoni (che sono adroni) mentre sul fatto che sia large ci
sono pochi dubbi; il suo costo, mi dicono, si aggira sui 3 miliardi di
euro. Seguendo un'analogia, possiamo pensare a LHC come ad un
microscopio, che utilizza una lunghezza d'onda piccolissima (che
corrisponde ad una grande energia) per indagare i dettagli più minuti
della materia. Nello specifico, le indagini che si contano di
effettuare nell'LHC hanno lo scopo di concludere la comprensione del
cosiddetto modello standard delle particelle elementari. Questo modello
è stato inventato (o scoperto) dai fisici teorici delle particelle
elementari Glashow Weinberg e Salam, Nobel 1979 e verificato a più
riprese dai fisici sperimentali. Le verifiche culminano con quella
effettuata da Rubbia, premio Nobel 1984. Resta ancora da verificare un
aspetto chiave, l'esistenza del campo di Higgs (di cui non parlerò qui
oltre perchè ci porterebbe lontano).
2) Il buco nero è un concetto che si è sviluppato in un altro ambito.
L'idea che l'energia potenziale gravitazionale di una certa quantità
di materia potesse diventare in speciali condizioni tanto grande quanto
la sua energia a riposo si sviluppò naturalmente a partire dalla
relatività di Einstein (che, curiosamente, si espresse contro la
possibilità che succedesse qualcosa di così drammatico). Questa idea
prese forma dopo un famoso lavoro di Oppenheimer (il capo del progetto
Manhattan) e Snyder nel 1939, in un contesto astrofisico: la
discussione del collasso di una stella di grande massa sotto il proprio
peso. Il termine buco nero viene accreditato una quarantina di anni
fa nella letteratura scientifica, e subito dopo, diventa enormemente
popolare. Lo scienziato che lo usò per primo in un seminario di grande
successo fu Wheeler (un altro partecipante al progetto Manhattan) che
scrisse poi assieme al nostro Ruffini il lavoro Introducing the Black
Hole. Prima di continuare, lasciami sottolineare che, in senso
proprio, fin qui abbiamo parlato di buco nero di tipo stellare.
3) Ora, evidentemente, non è possibile creare una stella in un
laboratorio terrestre: non c'è abbastanza massa nè energia! Quello
di cui si parla è un'estrapolazione del concetto di buco nero a masse
molto più piccole, dell'ordine della energia che si rende disponibile
nelle collisioni tra i protoni dell'LHC. Stiamo cioè considerando
energie per singola collisione di circa 1 erg, ovvero, ipotetici buchi
neri che peserebbero solo 1 000 volte di più di un protone o di un
neutrone. Nella letterature inglese si parla di micro black holes,
cioè di micro buchi neri. E di micro buchi neri si parla nella tua
domanda.
Chiariti questi aspetti preliminari, che come vedi sono in essenza considerazioni di fisica teorica, possiamo chiederci: ma esistono o no oggetti del genere? La risposta fino ad una decina di anni fa o giù di lì sarebbe stata un semplice no.
È
vero che a partire da tre costanti fondamentali della fisica (dalla costante di Newton che regola le interazioni gravitazionali, dalla velocità della luce e dalla costante di Planck) possiamo formare una scala di massa che molto probabilmente segna il limite delle nostre conoscenze della gravità, e prelude al reame della gravità quantistica (che ancora non capiamo). Però questa scala di massa, detta massa di Planck, vale 10 000 000 000 000 000 000 volte circa la massa del protone. Quindi, alle energie proprie dell'LHC, che sono molto più piccole, non ci si sarebbero aspettate sorprese dalla gravità.
Questa attitudine pessimista è cambiata nel 1998, quando un gruppo di fisici teorici, Arkani-Ahmed, Dimopoulos e Dvali, spingono all'estremo una congettura ben nota nella "teoria" delle stringhe, quella che il mondo abbia anche delle altre dimensioni oltre alle solite 4. La nuova versione di questa congettura che costoro proposero è che una di queste dimensioni sia relativamente grande, e che si potrebbe rendere manifesta proprio non appena si estenderanno le indagini sperimentali oltre la frontiera della conoscenza attualmente consolidata. Magari, proprio non appena di accenderà LHC.
La proposta di Arkani-Ahmed, Dimopoulos e Dvali è stata al centro di grandi discussioni nella comunità dei fisici teorici delle particelle elementari, ma non credo sia corretto dire che ci siano state prove che le cose stiano proprio in questo modo. In altre parole, questa idea è ed al momento resta una audace congettura. Però, va riconosciuto che nel loro contesto di discussione il significato della costante di Newton cambierebbe: essa non sarebbe più una quantità fondamentale, ma risulterebbe una funzione della scala di massa propria della nuova dimensione. Questa massa rimpiazzerebbe la massa di Planck e potrebbe
avere un valore arbitrario. Ora, nessuno lo sa per certo, ma una scala di massa così bassa potrebbe essere legata alla scala di massa di ipotetici micro buchi neri.
Non stupisce troppo che sia proprio Dimopoulos colui che, da lì a tre anni (nel 2001) ed insieme al suo giovane collega Landsberg, scrive il lavoro Black holes at the LHC, che viene pubblicato in una prestigiosa rivista americana, Physical Review Letters. In questo lavoro si procede ulteriormente nella speculazione. Non solo la scala di Planck potrebbe essere genericamente sondata nell'LHC, ma, varcata questa soglia, si produrrebbero micro buchi neri. Quasi istantaneamente, questi ultimi evaporerebbero, nel modo predetto in un ben noto lavoro di Hawking, e questo varrebbe da prova sperimentale della loro avvenuta produzione. Il suddetto lavoro è all'origine della discussione, ed il suo titolo lo dimostra.
Le idee di questi lavori hanno avuto un ottima accoglienza nella comunità della "teoria" delle stringhe, una comunità numericamente corposa, ma anche, a mio vedere, a corto di predizioni da confrontare con gli esperimenti.
Sperando mi si perdoni un ulteriore pizzico di malizia ed il fatto che devio ancora per un momento dalla discussione strettamente scientifica, vorrei notare che già il titolo del lavoro di Dimopoulos non sia, di per sè, del tutto
innocente. Non si parla tanto di una predizione teorica, quanto di cosa potrebbe accadere proprio nell'LHC. Insomma, come dire, la speculazione non è motivata da puri argomenti scientifici, ma dalla esistenza di una macchina che polarizza gli interessi di una certa comunità scientifica. Una "teoria", per così dire, ritagliata su misura.
Ma torniamo alla discussione degli aspetti scientifici, che siamo finalmente arrivati al punto della tua domanda: "perchè qualcuno pensa che si potrebbero aprire dei buchi neri dopo l'accensione dell'LHC?"
L'opinione di Dimopoulos, sia chiaro, è che gli ipotetici micro buchi neri potrebbero essere prodotti, ma sarebbero innocui, in quanto instabili. Il timore espresso da alcuni è che tutto l'argomento sia corretto, tranne che nell'ultima parte. In altre parole,
i micro buchi neri sarebbero stabili e una volta prodotti si mangerebbero la Terra. Nella letteratura scientifica si sono accumulati argomenti contro la possibilità che questo possa accadere. Per esempio, va ricordato che alcune collisioni tra raggi cosmici e pianeta terra (o altri oggetti celesti) hanno energie ancora più grandi di quelle che verranno raggiunte dall'LHC ma non ci sono indizi che si formino micro buchi neri stabili.
Ora, per evitare di contrabbandarti opinioni per fatti e di metterti al riparo dai miei conflitti di interessi (sono un fisico teorico anche io!) ci tengo a farti sapere che, personalmente, non ho pensato un granchè a queste cose. Il motivo è che trovo le basi di queste speculazioni troppo esili per essere davvero convincenti (questo ti spiega il motivo per cui, varie volte, ho scritto "teoria" tra virgolette; io credo che una teoria in fisica debba essere o suffragata da molti fatti o perlomeno debba essere molto ben fondata). Detto ancora più schiettamente, i timori che ho io non riguardano la produzione di micro buchi neri stabili ma
piuttosto la deriva della fisica teorica delle particelle elementari verso la metafisica, causata sia da una eccessiva attitudine alla speculazione che dalla mancanza di nuovi fatti sperimentali.
Per i suddetti motivi, ho fatto del mio meglio per introdurti ai termini della questione che sollevi ma vorrei lasciare a te il compito di approfondirla, se la trovi interessante. Per cominciare, ti suggerirei di consultare le voci di Wiki relative a Planck_mass, Micro_black_hole, Hawking_radiation, Large_Hadron_Collider, Safety_of_particle_collisions_at_the_Large_Hadron_Collider, che trovo ragionevolmente ben scritte ma anche le voci relative ai vari scienziati sopra ricordati. Fatto questo, penso tu debba sentirti libero di chiedere ad Ulisse di aiutarti ad approfondire ulteriormente la cosa, ottenendo così il risultato di contemperare il mio scetticismo con la ricchezza di opinioni di altri colleghi.
Nota, comunque, che già adesso puoi trovare nel sito web di Ulisse una gran quantita' di informazioni, digitando ad
esempio LHC oppure Buco Nero.
Un affettuoso saluto.