Fin dall’origine della scienza moderna, gli esperimenti mentali sono stati uno straordinario strumento deduttivo che ha consentito grandi avanzamenti nella comprensione di principi profondi della realtà che ci circonda. Galileo Galilei dedusse per esempio il principio di relatività immaginando quel che accade in una nave in movimento (nessuno potrebbe accorgersi di un movimento uniforme se non guardando dal finestrino) e lo estese alla Terra (non ci accorgiamo che ruota, perché siamo appunto come in una nave). E poi lo stesso Galileo enunciò il principio di equivalenza (in base al quale tutti i corpi cadono al suolo con la stessa accelerazione, indipendentemente dalla massa) immaginando di far cadere oggetti diversi dalla torre di Pisa in assenza di aria. In tempi più recenti, Erwin Schrödinger formulò l’idea del gatto di Schrödinger per mettere in evidenza le conseguenze paradossali della meccanica quantistica. Ma fu soprattutto Albert Einstein a sviluppare le sue due teorie della relatività, quella ristretta e quella generale, a partire da alcune situazioni pensate, come l’idea di viaggiare nell’universo a cavallo di un raggio di luce, oppure quella di fare esperimenti in un ascensore in caduta libera in un campo gravitazionale (per scoprire di essere in una situazione analoga alla nave di Galileo, e il cerchio si chiude).

Senza ritorno

Un’avventura mentale che abbiamo descritto anche su Josway è il viaggio in un buco nero, un’esperienza che si può solo immaginare (o, al più, vivere senza poterla raccontare a chi resta sulla Terra), perché – a parte la difficoltà pratica di raggiungere un tale oggetto celeste – una volta varcata la soglia dell’orizzonte degli eventi non sarebbe più possibile tornare indietro. Immaginare che cosa accada all’interno di un buco nero, però, è un esercizio che solo pochissimi al mondo sono in grado di fare con cognizione di causa, perché in quelle condizioni la gravità è talmente intensa da alterare lo spazio e il tempo in un modo che può essere compreso solo padroneggiando a pieno le complicatissime equazioni di campo della Relatività generale di Einstein. Una di queste persone è il francese Thibault Damour, titolare di riconoscimenti come il Premio Balzan, la medaglia Galileo Galilei e la medaglia Dirac. Lo abbiamo incontrato il 12 giugno 2025, in occasione del Festival della Luce della città di Como, dove abbiamo raccolto questa intervista.

Immaginiamo di avvicinarci a un buco nero e di lasciarci cadere al suo interno. Che esperienza vivremmo?

Quando si è ancora fuori dall’orizzonte degli eventi, a un certo punto si arriva in una regione dove la luce può girare in tondo intorno al buco nero. Da qui le stelle appaiono completamente distorte e moltiplicate. Potremmo vedere anche noi stessi moltiplicati molte volte. Ma poi, se si è in caduta libera, ci vogliono circa 10 secondi per arrivare all’orizzonte. E qui, quando si attraversa l’orizzonte, non si sente nulla di speciale. Le forze di marea che distorcono il nostro corpo sono un po’ più grandi di prima, ma solo del 10%. Soltanto matematicamente si può dedurre che qualcosa accade, per esempio se si tiene traccia del tempo che ci vuole per cadere. È come quando si compiono gli anni: ufficialmente si è più vecchi, ma dal proprio punto di vista non ci si sente all’improvviso diversi. Poi, quando si è dentro il buco nero, prima di tutto la vista cambia completamente, perché a parte forse un punto sopra di sé non si vede nulla all’interno dell’orizzonte. Si ha circa un minuto in cui si cade, prima di raggiungere il centro. In quel minuto, le forze che distorcono il corpo diventano sempre più intense, fino a distruggere tutto. Infine si raggiunge la singolarità, dove il tempo si ferma e lo spazio cessa di esistere. Nessuno sa davvero che cosa succeda lì, ma con buona approssimazione si è sicuramente morti e non ci sono più lo spazio e il tempo nel senso usuale.

Entriamo nei dettagli. Prima di tutto, quando si attraversa l’orizzonte, c’è un esperimento che si possa fare per stabilire quando avviene il passaggio?

In linea di principio sì, ma è un esperimento matematico. Nel senso che, se si porta con sé un accelerometro per misurare le forze di marea locali, allora – sapendo qual è l’intensità delle forze di marea all’orizzonte – si può sapere quando si varca la soglia. Questa è una misurazione di ciò che nella teoria di Einstein è la curvatura dello spazio-tempo.

Però fisicamente non c’è nulla di speciale all’orizzonte.

No, perché l’orizzonte è un concetto globale, il che significa in realtà qualcosa di piuttosto sottile. Nel momento in cui lo si attraversa, infatti, l’orizzonte dipende (per chi cade, ndr) da quanta materia cadrà nel buco nero in futuro. E questo, chi vi sta cadendo, non lo può sapere. Consideriamo proprio Sagittarius A*, che ha 4 milioni di masse solari. Si può calcolare dov’è l’orizzonte se nulla accadrà in futuro, e quali sono le forze di marea mentre si cade. Ma se l’anno prossimo, o tra un milione di anni, qualcuno decide di inviare altri 2 milioni di masse solari nel buco nero, allora in realtà l’orizzonte non sarà dove avevi calcolato che fosse. Infatti l’orizzonte è definito come la superficie intorno al buco nero, entro la quale la luce non sarà in grado di sfuggire all’infinito. Ma la fuga all’infinito dipende dal fatto che si aggiunga massa al buco nero in futuro. Quindi l’orizzonte non è definito localmente. Ecco perché non si può sentire nulla nell’attraversarlo, perché altrimenti si saprebbe che cosa accadrà in futuro. E non lo si può sapere.

Nell’avvicinarsi all’orizzonte, che cosa si vede? Immagino un cerchio nero che diventa sempre più grande fino a inghiottire tutto, e il cielo stellato fortemente distorto tutt’intorno.

Sì. Per avere un’idea della distorsione ottica, ci si può anche porre la domanda inversa. Immaginiamo di cadere molto lentamente, di calarci con una corda dentro il buco nero, e di inviare luce tutto intorno con una torcia. Se si vuole che questa luce si allontani dal buco nero e vada all’infinito, allora l’angolo in cui è necessario dirigere la torcia diventa sempre più piccolo quanto più ci si avvicina (all’orizzonte, quest’angolo può variare tra 0 e 90° rispetto alla direzione di provenienza).

Ovviamente, anche se abbiamo varcato l’orizzonte degli eventi e abbiamo “davanti” la singolarità, non possiamo vederla.

No, perché la singolarità non è propriamente “davanti”, è nel futuro. E dunque non è qualcosa che si possa vedere. Se però qualcuno è entrato nel buco nero poco prima di noi e avesse mandato un segnale di luce nella nostra direzione, allora ne potremmo vederne una parte.

Che cosa cambia se il buco nero sta ruotando?

Immaginiamo sempre di calarci con un corda. Se il buco nero non ruota, la corda può essere dritta e consentirci di avvicinarci sempre di più all’orizzonte. Se il buco nero ruota, anche se qualcuno tiene la corda, allora inizieremmo a ruotare anche noi, perché lo spazio intorno al buco nero è trascinato dalla rotazione e nulla può rimanere fermo rispetto allo spazio circostante.

Immaginiamo allora di cadere in un buco nero rotante a partire sempre dalla sfera fotonica. Che cosa cambierebbe nella nostra esperienza rispetto al caso precedente, senza rotazione?

Cambierebbero un po’ di cose, ma la sfera fotonica ci sarebbe comunque. Solo che sarebbe più “anisotropica”, la nostra esperienza cambierebbe cioè a seconda della direzione in cui cadiamo. Un buco nero rotante ha infatti un asse di rotazione, quindi molto dipende se si cade lungo quella direzione o lungo il piano perpendicolare (piano equatoriale). Quando si cade lungo l’asse di rotazione, tutto è più o meno come prima. Se si cade lungo il piano equatoriale, invece, si sente più intensamente il trascinamento dovuto alla rotazione del buco nero. È come essere in un vortice nel mare, insomma.

E nel momento in cui si attraversa l’orizzonte?

È come prima, tranne che per il fatto che ora il valore della forza di marea dipende se si cade lungo l’asse di rotazione o nel piano equatoriale, o in una direzione intermedia. Quindi bisogna avere più informazioni per sapere se si è attraversato l’orizzonte, dato che non lo si può percepire. Ma per il resto è lo stesso. Anche dentro l’orizzonte, l’esperienza sarà simile.

Ma ora la singolarità è cambiata? Non è più puntiforme come prima?

Non lo sappiamo. In realtà ci sono due cose da considerare. C’è innanzitutto la soluzione esatta, che è diversa per i buchi neri rotanti e non rotanti. Ma la maggior parte delle persone pensa che in realtà non cambi molto. Perché le strutture matematiche che si possono trovare nei libri di testo per gli orizzonti rotanti sono instabili, e quando si ha un vero buco nero – rotante o meno – ciò che accade al suo interno è essenzialmente la stessa cosa: lo spazio scompare in un tempo finito, e lo fa in maniera caotica, molto complicata. In alcune direzioni lo spazio si contrae, in altre si espande; un millisecondo dopo, ciò che si espandeva si contrae, e ciò che si contraeva si espande. Ma comunque lo spazio diventa sempre più piccolo e scompare in un modo matematicamente molto preciso.

Nella descrizione standard, un buco nero rotante ha anche un orizzonte interno. Che cosa accade quando si varca quest’altro limite?

Il problema non si pone, perché l’orizzonte interno molto probabilmente è instabile e diventa la singolarità di cui parlavamo prima.

Quanto ne siamo sicuri?

Nessuno può esserne sicuro. Stando alle conoscenze attuali, è lo scenario più verosimile.

Chiaramente tutto questo non dipende dalla velocità di rotazione.

No, infatti. Matematicamente non è stato dimostrato, ma è così. In passato, quando furono scoperti i primi buchi neri rotanti, sembrava che in essi vi fossero nuove regioni di spazio, singolarità nude, curve temporali chiuse… Ora è completamente diverso: si ritiene che tutte queste strutture in realtà non esistano e che la situazione sia molto più simile a quella di un buco nero non rotante. Ci sono ovviamente effetti dovuti alla rotazione, non è proprio la stessa cosa; ma la descrizione matematica di ciò che accade quando c’è questo comportamento caotico non dipende dal fatto che si sia in un buco nero rotante o no.