Enrique Gaztañaga - The Conversation -
O termo buraco de minhoca foi cunhado pelo físico John Wheeler na década de 1950, o mesmo que cunhou o termo buraco negro.
Mas em uma nova pesquisa, meus colegas e eu mostramos que a ponte original de Einstein-Rosen aponta para algo muito mais estranho - e mais fundamental - do que um buraco de minhoca.
O quebra-cabeça que Einstein e Rosen estavam tentando resolver nunca foi sobre viagens espaciais, mas sim sobre como os campos quânticos se comportam no espaço-tempo curvo. Interpretada dessa forma, a ponte de Einstein-Rosen funciona como um espelho no espaço-tempo: Uma conexão entre duas flechas microscópicas do tempo.
A mecânica quântica governa a natureza nas menores escalas, como as partículas, enquanto a teoria da relatividade geral de Einstein se aplica à gravidade e ao espaço-tempo. Conciliar as duas continua sendo um dos maiores desafios da física. E, de forma empolgante, nossa reinterpretação pode oferecer um caminho para isso.
Uma herança mal compreendida
A interpretação do "buraco de minhoca" surgiu décadas depois do trabalho de Einstein e Rosen, quando físicos especularam sobre a possibilidade de atravessar o espaço-tempo de um lado para o outro, principalmente nas pesquisas do final da década de 1980.
Mas essas mesmas análises também deixaram claro o quão especulativa era a ideia: Dentro da relatividade geral, tal jornada é proibida. A ponte se fecha mais rápido do que a luz consegue atravessá-la, tornando-a intransitável. As pontes de Einstein-Rosen são, portanto, estruturas matemáticas instáveis e inobserváveis, não portais.
Apesar disso, a metáfora do buraco de minhoca floresceu na cultura popular e na física teórica especulativa. A ideia de que buracos negros poderiam conectar regiões distantes do cosmos - ou até mesmo funcionar como máquinas do tempo - inspirou inúmeros artigos, livros e filmes.
Contudo, não há evidências observacionais de buracos de minhoca macroscópicos, nem qualquer razão teórica convincente para esperar que eles surjam dentro da teoria de Einstein. Embora extensões especulativas da física - como formas exóticas de matéria ou modificações da relatividade geral - tenham sido propostas para sustentar tais estruturas, elas permanecem não testadas e altamente conjecturais.
Espaço de fase do oscilador harmônico invertido representando soluções de energia duplamente degeneradas, positivas e negativas.
[Imagem: Enrique Gaztañaga et al. - 10.1088/1361-6382/ae3044]
Duas flechas do tempo
Nosso trabalho recente revisita o enigma da ponte de Einstein-Rosen usando uma interpretação quântica moderna do tempo, baseada em ideias desenvolvidas por Sravan Kumar e João Marto.
A maioria das leis fundamentais da física não distingue entre passado e futuro, ou entre esquerda e direita. Se o tempo ou o espaço forem invertidos em suas equações, as leis permanecem válidas. Levar essas simetrias a sério conduz a uma interpretação diferente da ponte de Einstein-Rosen.
Em vez de um túnel através do espaço, ela pode ser entendida como dois componentes complementares de um estado quântico. Em um deles, o tempo flui para a frente; no outro, flui para trás a partir de sua posição refletida em um espelho.
Essa simetria não é uma preferência filosófica. Uma vez excluídos os infinitos, a evolução quântica deve permanecer completa e reversível em nível microscópico - mesmo na presença da gravidade.
A "ponte" expressa o fato de que ambos os componentes temporais são necessários para descrever um sistema físico completo. Em situações comuns, os físicos ignoram o componente temporal invertido, escolhendo uma única seta do tempo.
Mas perto de buracos negros, ou em universos em expansão e colapso, ambas as direções devem ser incluídas para uma descrição quântica consistente. É aqui que as pontes de Einstein-Rosen surgem naturalmente.
Pontes de Einstein-Rosen: "Uma partícula no Universo físico deve ser descrita por uma ponte matemática entre duas camadas do espaço-tempo."
[Imagem: Enrique Gaztañaga et al. - 10.1088/1361-6382/ae3044]
Resolvendo o paradoxo da informação
No nível microscópico, a ponte permite que a informação atravesse o que nos parece um horizonte de eventos - um ponto sem retorno. A informação não desaparece; ela continua evoluindo, mas na direção temporal oposta, espelhada.
Esse arcabouço oferece uma resolução natural para o famoso paradoxo da informação do buraco negro. Em 1974, Stephen Hawking demonstrou que os buracos negros irradiam calor e podem eventualmente evaporar, aparentemente apagando toda a informação sobre o que caiu neles - contradizendo o princípio quântico de que a evolução deve preservar a informação.
O paradoxo emerge apenas se insistirmos em descrever os horizontes usando uma única seta unilateral do tempo extrapolada para o infinito - uma suposição que a própria mecânica quântica não exige.
Se a descrição quântica completa incluir ambas as direções do tempo, nada é verdadeiramente perdido. A informação deixa nossa direção do tempo e reaparece na direção inversa. A completude e a causalidade são preservadas, sem invocar uma nova física exótica.
Essas ideias são difíceis de compreender porque somos seres macroscópicos que experimentam apenas uma direção do tempo. Em escalas cotidianas, a desordem - ou entropia - tende a aumentar. Um estado altamente ordenado evolui naturalmente para um estado desordenado, e nunca o inverso. Isso nos dá uma flecha do tempo.
Mas a mecânica quântica permite comportamentos mais sutis. De modo intrigante, evidências dessa estrutura oculta podem já existir. A radiação cósmica de fundo em micro-ondas - o brilho residual do Big Bang - mostra uma assimetria pequena, porém persistente: Uma preferência por uma orientação espacial em relação à sua imagem espelhada.
Essa anomalia intriga os cosmólogos há duas décadas. Os modelos padrão atribuem a ela uma probabilidade extremamente baixa - a menos que componentes quânticos espelhados sejam incluídos.
Ecos de um Universo anterior?
Esse quadro se conecta naturalmente a uma possibilidade mais profunda. O que chamamos de "Big Bang" pode não ter sido o início absoluto, mas um rebote - uma transição quântica entre duas fases da evolução cósmica com o tempo invertido.
Nesse cenário, buracos negros poderiam funcionar como pontes não apenas entre direções temporais, mas entre diferentes épocas cosmológicas. Nosso Universo poderia ser o interior de um buraco negro formado em outro cosmos, o cosmos progenitor. Ele poderia ter-se formado quando uma região fechada do espaço-tempo colapsou, ricocheteou e começou a se expandir como o Universo que observamos hoje.
Se essa imagem estiver correta, ela também oferece uma maneira para as observações confirmarem essa hipótese. Relíquias da fase pré-rebote - como buracos negros menores - poderiam sobreviver à transição e reaparecer em nosso Universo em expansão. Parte da matéria invisível que atribuímos à matéria escura poderia, na verdade, ser composta por tais relíquias.
Nessa perspectiva, o Big Bang evoluiu a partir de condições em uma contração precedente. Buracos de minhoca não são necessários: A ponte é temporal, não espacial - e o Big Bang se torna um portal, não um começo.
Essa reinterpretação das pontes de Einstein-Rosen não oferece atalhos através de galáxias, nem viagens no tempo, nem buracos de minhoca ou hiperespaço da ficção científica. O que ela oferece é muito mais profundo. Ela oferece uma imagem quântica consistente da gravidade, na qual o espaço-tempo incorpora um equilíbrio entre direções opostas do tempo - e onde nosso Universo pode ter tido uma história antes do Big Bang.
Isso não invalida a relatividade de Einstein nem a física quântica - pelo contrário, as complementa. A próxima revolução na física pode não nos levar a viajar mais rápido que a luz, mas poderá revelar que o tempo, nas profundezas do mundo microscópico e em um Universo em constante movimento, flui em ambas as direções.
Enrique Gaztañaga, autor deste artigo, é professor de astrofísica no Instituto de Cosmologia e Gravitação da Universidade de Portsmouth.
Este artigo foi republicado da revista The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original
Bibliografia:
Artigo: A new understanding of Einstein-Rosen bridges
Autores: Enrique Gaztañaga, K Sravan Kumar, João Marto
Revista: Classical and Quantum Gravity
Vol.: 43, Number 1
DOI: 10.1088/1361-6382/ae3044
