Os buracos de minhoca são frequentemente imaginados como túneis através do espaço ou do tempo – atalhos através do universo. Mas esta imagem baseia-se numa má compreensão do trabalho dos físicos Albert Einstein e Nathan Rosen.
Em 1935, enquanto estudavam o comportamento de partículas em extrema gravidade, Einstein e Rosen introduziu o que eles chamam de “ponte”: A conexão matemática entre duas cópias perfeitamente simétricas do espaço-tempo. Não se destina a ser uma passagem para viajar, mas sim um meio manter a consistência Entre a gravidade e a física quântica. Só mais tarde é que a ponte Einstein-Rosen foi ligada ao buraco de minhoca, embora não tivesse nada a ver com a ideia original.
Mas em nova pesquisameus colegas e eu mostramos que a ponte Einstein-Rosen original apontava para algo mais estranho e mais fundamental do que os buracos de minhoca.
O enigma que Einstein e Rosen tentavam resolver nunca foi sobre viagens espaciais, mas sobre como os campos quânticos se comportam no espaço-tempo curvo. Interpretada desta forma, a Ponte Einstein-Rosen é como um espelho no espaço-tempo: uma ligação entre duas setas microscópicas do tempo.
A mecânica quântica governa a natureza nas menores escalas, como as partículas, enquanto a teoria geral da relatividade de Einstein se aplica à gravidade e ao espaço-tempo. Reconciliar os dois continua sendo um dos desafios mais profundos da física. É emocionante que nossa reinterpretação possa fornecer um caminho para atingir esse objetivo.
Um legado incompreendido
A explicação do “buraco de minhoca” surgiu décadas depois do trabalho de Einstein e Rosen, quando os físicos especularam sobre como viajar de um lado a outro do espaço-tempo. Mais notavelmente, pesquisas no final da década de 1980.
Mas estas análises também mostram claramente a natureza especulativa da ideia: na relatividade geral, tais viagens são proibidas. A ponte encolhe mais rápido do que a luz consegue passar por ela, impossibilitando sua passagem. Portanto, a ponte Einstein-Rosen é instável e inobservável – uma estrutura matemática, não um portal.
No entanto, a metáfora do buraco de minhoca prevalece na cultura popular e na física teórica especulativa. A ideia de que os buracos negros possam ligar regiões distantes do universo ou mesmo servir como máquinas do tempo inspirou inúmeros artigos, livros e filmes.
No entanto, não há nenhuma evidência observacional de buracos de minhoca macroscópicos, nem qualquer razão teórica convincente para esperá-los na teoria de Einstein. Embora extensões especulativas da física – por ex. formas estranhas de matéria ou Modificações na Relatividade Geral – Foi proposto apoio a tais estruturas, mas elas continuam por testar e são altamente especulativas.
duas flechas do tempo
Nosso trabalho recente baseia-se nas ideias propostas por Sravan Kumar e João Marto para revisitar o quebra-cabeça da ponte Einstein-Rosen usando interpretações modernas do tempo quântico.
A maioria das leis fundamentais da física não faz distinção entre o passado e o futuro, nem entre esquerda e direita. Se o tempo ou o espaço na equação forem invertidos, a lei ainda será válida. Levar a sério essas simetrias leva a diferentes interpretações da ponte Einstein-Rosen.
Em vez de um túnel através do espaço, pode ser entendido como dois componentes complementares de um estado quântico. Primeiro, o tempo avança; por outro lado, flui para trás a partir da posição do reflexo do espelho.
Esta simetria não é uma preferência filosófica. Uma vez excluído o infinito, a evolução quântica deve permanecer intacta e reversível ao nível microscópico – mesmo na presença da gravidade.
“Ponte” expressa o fato de que a descrição de um sistema físico completo requer dois componentes de tempo. Normalmente, os físicos ignoram a parte invertida no tempo escolhendo uma única seta do tempo.
Mas perto de um buraco negro, ou num universo em expansão e em colapso, ambas as direções devem ser incluídas para se obter uma descrição quântica consistente. É aqui que surge naturalmente a Ponte Einstein-Rosen.
Resolvendo o paradoxo da informação
A um nível microscópico, esta ponte permite que as mensagens atravessem o que vemos como o horizonte de eventos – um ponto sem retorno. A mensagem não desaparece; ele continua a evoluir, mas em uma direção oposta e espelhada do tempo.
Esta estrutura fornece uma solução natural para o famoso paradoxo da informação do buraco negro. 1974, Stephen Hawking mostrar Os buracos negros irradiam calor e eventualmente evaporam, aparentemente apagando qualquer informação que tenha caído no buraco negro – contradizendo o princípio quântico de que a evolução deve preservar a informação.
Este paradoxo só surge se insistirmos em usar uma seta única e unidireccional do tempo, extrapolando até ao infinito para descrever o horizonte – uma suposição que a própria mecânica quântica não exige.
Se uma descrição quântica completa incluir ambas as direções de tempo, nada será realmente perdido. A mensagem sai da nossa direção do tempo e reaparece na direção oposta. A integridade e a causalidade são preservadas sem a introdução de uma nova física exótica.
Estas ideias são difíceis de compreender porque somos organismos macroscópicos que experimentam apenas uma direção do tempo. Na escala diária, a desordem ou entropia tende a aumentar. Estados altamente ordenados evoluem naturalmente para estados desordenados, e não o contrário. Isso nos dá uma flecha do tempo.
Mas a mecânica quântica permite um comportamento mais sutil. Curiosamente, já podem existir evidências de tais estruturas ocultas. Fundo Cósmico de Microondas – o brilho do Big Bang – Mostra assimetria sutil, mas persistente: Preferência por uma direção espacial em relação à sua imagem espelhada.
A anomalia confunde os cosmólogos há duas décadas. O Modelo Padrão oferece uma probabilidade extremamente baixa – a menos que um componente quântico espelhado seja incluído.
Um eco de um universo anterior?
Esta imagem se conecta naturalmente a possibilidades mais profundas. O que chamamos de “Big Bang” pode não ser o começo absoluto, mas uma recuperação – uma transição quântica entre duas fases invertidas no tempo da evolução do universo.
Neste caso, o buraco negro poderia servir de ponte não apenas entre direções no tempo, mas também entre diferentes épocas cósmicas. nosso universo Poderia ser o interior de um buraco negro Formado em outro universo parental. Isto pode ter-se formado quando uma região fechada do espaço-tempo entrou em colapso, recuperou-se e começou a expandir-se, tal como o universo que observamos hoje.
Se este diagrama estiver correto, ele também fornece uma maneira de analisar as decisões. Relíquias da fase pré-rebote – como buracos negros menores – poderiam sobreviver à transição e reaparecer em nosso universo em expansão. Na verdade, algumas das coisas invisíveis que consideramos matéria escura podem ser feitas dessas relíquias.
De acordo com esta visão, o Big Bang evoluiu a partir de condições de contracção anterior. Buracos de minhoca não são necessários: a ponte é para o tempo, não para o espaço – o Big Bang se torna um portal, não um começo.
Esta reinterpretação da Ponte Einstein-Rosen não oferece atalhos através de galáxias, nem viagens no tempo, nem buracos de minhoca ou hiperespaço de ficção científica. O que ele oferece é muito mais profundo. Fornece uma imagem quântica consistente da gravidade, na qual o espaço-tempo incorpora um equilíbrio entre direções opostas no tempo, e na qual o nosso universo pode ter tido uma história antes do Big Bang.
Não derrubou a teoria da relatividade de Einstein ou a física quântica – aperfeiçoou-as. A próxima revolução na física poderá não nos levar mais rápido que a luz, mas poderá revelar que, nas profundezas do mundo microscópico e no universo saltitante, o tempo flui em ambas as direções.
