A proposito del Nobel per la fisica del 2020, note da parte di Salvatore Aglieri Rinella

Schwarzschild a gennaio 1916 trova una soluzione esatta delle equazioni del campo delle Relatività Generale che Einstein aveva presentato a novembre del 1915. Einstein aveva affermato che le sue 10 equazioni della Relatività Generale non lineari e alle derivate parziali del secondo ordine erano risolvibili solo attraverso un’approssimazione, ma non esattamente. Schwarzschild, dopo solo 2 mesi, trovava invece una soluzione esatta, era quella relativa ad un corpo sferico massivo non rotante e non carico. Nella soluzione si scopre che esiste un raggio R (poi chiamato raggio di Schwarzschild) per cui se la massa è concentrata dentro tale raggio, la coordinata tempo per r<R diventa immaginaria. Né Schwarzschild né Einstein pensavano che potessero esistere corpi a così alta densità.  Questa peculiarità viene sfruttata dai critici della relatività per affermare che la GR era sbagliata perché appunto prevedeva un tempo immaginario. A quei tempi l’universo era identificato con la Via Lattea e c’era il dibattito sulla natura e distanza delle nebulose (inclusa Andromeda).  Purtroppo, Schwarzschild morirà dopo pochi mesi sul fronte russo della grande guerra, a 39 anni.

• Friedman nel 1921 trova varie soluzioni delle equazioni del campo, nel caso di un universo isotropo e omogeneo. Il suo lavoro è puramente matematico. Ci sono universi in espansione, oscillanti, in funzione del valore della densità media. Viene pubblicato in russo. Nessuno se ne accorge. Purtroppo, anche lui morirà qualche anno dopo (nel 1925) senza quindi saper del successo dei suoi studi. Nessun riferimento quindi ai buchi neri (termine che verrà introdotto da Wheeler negli anni ‘50)
• Il prete Lemaitre, nel 1927, trova la soluzione di un universo in espansione, definisce il red shift gravitazionale e trova la formula che usiamo ancora oggi. Pubblica il tutto su una rivista francese e viene praticamente ignorato. Hubble troverà la relazione approssimativamente lineare tra red shift e distanza delle galassie. All’inizio anche Hubble era scettico che questo comportasse l’espansione, ma poi se ne convincerà. La legge oggi viene chiamata, in maniera più corretta, legge di Hubble-Lemaitre. Lemaitre è il primo a parlare di atomo primigenio da cui avrebbe avuto origine tutto l’universo, praticamente il moderno concetto di big bang. Anche Lemaitre non si è mai occupato di buchi neri.
• Attorno agli anni trenta, Eddington–Finkelstein definiscono nuove coordinate per la soluzione di Schwarzschild. Con queste nuove coordinate viene eliminato il problema del tempo immaginario. E le coordinate sono in grado anche di descrivere un White Hole (il buco bianco), ovvero l’idea di Rovelli di 80 anni dopo.
• Negli anni 50 Wheeler ridà impulso agli studi sulle relatività. Dopo trent’anni di oblio, causa meccanica quantistica, la relatività ridiventa di moda. Kerr, Newman, Reissner, Nordstrom, trovano le soluzioni per buchi neri rotanti e carichi. Ogni volta vendono introdotti nuovi tipi di coordinate. Insomma, lavori matematici. Nessuno crede che possano esistere i buchi neri.
• Roger Penrose negli anni 60, pubblica un lavoro fondamentale sulla relatività Generale che dimostra l’ineluttabilità della esistenza dei buchi neri se è vera la GR. Il teorema della singolarità (trovato insieme a Hawking), afferma che tutta la massa deve concentrarsi in un punto.

Ergo il Premio Nobel a Penrose fa riferimento a questi lavori, ma è anche un premio alla carriera.

Genzel e Ghez invece sono stati premiati per aver individuato un oggetto super massivo al centro della nostra galassia. Sulla base delle orbite di alcune stelle intorno a una zona dove non si vede niente, hanno stimato una massa di oltre quattro milioni di masse solari, concentrate in una regione così piccola che si spiega solo come buco nero. 

Schema delle orbite delle stelle intorno al black hole al centro della nostra galassia

Addendum.

Il teorema della singolarità vale per la Relatività Generale senza tenere conto degli effetti quantistici. Ovviamente una densità infinita è inconcepibile. La gravità quantistica (quando ne avremo una teoria) dovrebbe limitarne la densità. Lo spaziotempo quantizzato dovrebbe contenere il collasso e anzi determinare un rimbalzo, ed eccoci di nuovo al concetto di Whìte Hole. Una ipotesi (Rovelli) è che il collasso e relativo rimbalzo avvenga in pochi millisecondi. Ma con la dilatazione del tempo, in questa situazione estrema, i millisecondi diventano miliardi di anni.  Quindi potremmo osservare i buchi bianchi, un possibile candidato potrebbe celarsi fra i superfast gamma ray burst.