SEGUIMIENTO: ¿Qué es exactamente un 'agujero de gusano'? ¿Se ha comprobado que existen agujeros de gusano o son todavía teóricos?


Richard F. Holman es profesor de física en la Universidad Carnegie Mellon. Él ofrece esta respuesta: Los agujeros de gusano son soluciones a las ecuaciones de campo de Einstein para la gravedad que actúan como "túneles", que conectan puntos en el espacio-tiempo de tal manera que el viaje entre los puntos a través del agujero de gusano podría llevar mucho menos tiempo que el viaje a través del espacio normal. Las p

Richard F. Holman es profesor de física en la Universidad Carnegie Mellon. Él ofrece esta respuesta:

Los agujeros de gusano son soluciones a las ecuaciones de campo de Einstein para la gravedad que actúan como "túneles", que conectan puntos en el espacio-tiempo de tal manera que el viaje entre los puntos a través del agujero de gusano podría llevar mucho menos tiempo que el viaje a través del espacio normal.

Las primeras soluciones de tipo agujero de gusano se encontraron al estudiar la solución matemática para los agujeros negros. Allí se encontró que la solución se prestaba a una extensión cuya interpretación geométrica era la de dos copias de la geometría del agujero negro conectadas por una "garganta" (conocida como puente de Einstein-Rosen). La garganta es un objeto dinámico unido a los dos orificios que se pellizca extremadamente rápido en un enlace estrecho entre ellos.

Desde entonces, los teóricos han encontrado otras soluciones de agujero de gusano; estas soluciones conectan varios tipos de geometría en cada boca del agujero de gusano. Un aspecto sorprendente de los agujeros de gusano es que debido a que pueden comportarse como "accesos directos" en el espacio-tiempo, ¡deben permitir los viajes en el tiempo hacia atrás! Esta propiedad se remonta a la afirmación habitual de que si uno pudiera viajar más rápido que la luz, eso implicaría que podríamos comunicarnos con el pasado.

No hace falta decir que esta posibilidad es inquietante; el viaje en el tiempo permitiría una variedad de situaciones paradójicas, como volver al pasado y matar a tu abuelo antes de que naciera tu padre (la paradoja del abuelo). Ahora surge la pregunta de si sería posible construir un agujero de gusano y moverlo de tal manera que se convierta en una máquina del tiempo utilizable.

Las geometrías de agujero de gusano son inherentemente inestables. El único material que puede usarse para estabilizarlos contra el pinzamiento es el material que tiene una densidad de energía negativa, al menos en algún marco de referencia. Ninguna materia clásica puede hacer esto, pero es posible que las fluctuaciones cuánticas en varios campos puedan hacerlo.

Stephen Hawking conjeturó que, si bien se pueden crear agujeros de gusano, no se pueden usar para viajar en el tiempo; incluso con materia exótica que estabiliza el agujero de gusano contra sus propias inestabilidades, argumentó, insertar una partícula en él lo desestabilizará lo suficientemente rápido como para evitar su uso. Esto se conoce como la conjetura de protección de la cronología.

Los agujeros de gusano son una gran diversión teórica y son soluciones aparentemente válidas de las ecuaciones de Einstein. Sin embargo, no hay evidencia experimental para ellos. ¡Esto no debería impedir que los escritores de ciencia ficción en ciernes los usen cuando sea necesario!

William A. Hiscock es profesor de física en la Universidad Estatal de Montana, Bozeman, y es el director del Consorcio de la Subvención Espacial de Montana. Agrega algunos detalles:

Un agujero de gusano es una conexión similar a un túnel a través del espacio-tiempo, como los túneles reales aburridos por gusanos en una manzana (newtoniana). En la actualidad, los agujeros de gusano del espacio-tiempo son solo construcciones teóricas derivadas de la relatividad general; No hay evidencia experimental de su existencia. Sin embargo, los físicos teóricos estudian las propiedades matemáticas de los espacios espaciales que contienen agujeros de gusano debido a sus propiedades inusuales. El estudio de estas geometrías extrañas puede ayudar a distinguir mejor los límites de comportamiento permitidos en la teoría de la relatividad general, y también posiblemente proporcionar información sobre los efectos relacionados con la gravedad cuántica.

Un agujero de gusano tiene dos bocas conectadas por una "garganta" y proporciona un camino que un viajero podría seguir hasta un punto distante. El camino a través del agujero de gusano es topológicamente distinto de otras rutas que se podrían seguir al mismo destino.

¿Qué se entiende por topológicamente distinto? Si una hormiga deseaba arrastrarse de un lado de una manzana a otra, hay muchos caminos posibles en la superficie que conectan el punto de partida con el destino. Estos caminos no son distintos desde el punto de vista topológico: una pieza de cuerda elástica fijada en los puntos de inicio y final, y que se extiende a lo largo de uno de esos caminos, se puede deslizar y estirar sobre la superficie para colocar a lo largo de cualquier otro camino. Ahora imagine que la hormiga en cambio se arrastra a través de un agujero de gusano en la manzana. Un trozo de cuerda que pasa a través del agujero de gusano no se puede mover sin problemas de manera que quede a lo largo de uno de los caminos de la superficie (oa través de otro agujero de gusano con los mismos puntos finales pero una ruta diferente).

Para los propósitos de la ciencia ficción, generalmente se asume que un agujero de gusano en el espacio-tiempo representa un atajo: que al recorrer una pequeña distancia a través del túnel de agujero de gusano, podría terminar en un destino que podría estar a años luz de distancia a través de medios convencionales. espacio. Sin embargo, en términos de la física teórica de los agujeros de gusano, no hay ninguna razón particular por la que la distancia deba ser más corta; el agujero de gusano podría ser en realidad la ruta más larga (análogo a un agujero largo y complicado que un gusano podría dejar en una manzana, donde las bocas de entrada y salida podrían estar muy cerca una de otra en la superficie).

Los agujeros de gusano pueden existir dentro de las soluciones clásicas de los agujeros negros de las ecuaciones de Einstein. Sin embargo, estos agujeros de gusano son inútiles para viajar, ya que colapsan antes de que cualquier nave espacial (o incluso un rayo de luz) pueda atravesarlos. Además, los agujeros negros formados por una estrella colapsante no tienen ningún agujero de gusano asociado.

Los agujeros de gusano "atravesables" existen en los espacios-tiempos de agujero de gusano en los cuales el agujero de gusano se mantiene abierto por lo menos el tiempo suficiente para que una señal u objeto (nave espacial) pase a través de él. El interés en tales soluciones de agujero de gusano en la relatividad general fue estimulado cuando Michael Morris y Kip Thorne del Instituto de Tecnología de California examinaron las propiedades generales necesarias para que un agujero de gusano permanezca abierto. Encontraron que si un agujero de gusano es estático y no cambia en el tiempo, entonces debe contener materia "exótica". Dicha materia tiene una densidad de energía negativa y una gran presión (o tensión) negativa, de mayor magnitud que la densidad de energía. Tal materia se llama "exótica" porque se parece muy poco a todas las formas de materia conocida.

Todas las formas de materia familiares para los físicos y los químicos tienen una densidad de energía positiva (o, equivalentemente, masa positiva) y presiones o tensiones que son siempre menores que la densidad de energía en magnitud. En una banda elástica estirada, por ejemplo, la densidad es 10 14, o 100 millones de millones de veces, mayor que la tensión. La única fuente posible de materia "exótica" conocida por la física teórica reside en el comportamiento de ciertos estados de vacío en la teoría cuántica de campos. Esta posibilidad es el foco de la investigación teórica más actual que involucra a los agujeros de gusano.

Dicha investigación ha demostrado que parece difícil usar efectos cuánticos para abrir un agujero de gusano mucho más grande que la longitud característica asociada con la gravedad cuántica, conocida como la longitud de Planck (alrededor de 10 a 33 centímetros). Si el agujero de gusano no fuera mucho más grande que esto, entonces no solo sería inútil para el transporte de naves espaciales, sino que la gravedad cuántica sería necesaria para describir el agujero.

Los análisis del comportamiento de los campos cuantificados en los espacios espaciados de los agujeros de gusano por LH Ford y TA Roman, Brett E. Taylor, William A. Hiscock y Paul R. Anderson y otros han demostrado que es improbable que los efectos de campo cuántico puedan mantener abierto un macroscópico agujero de gusano Por otro lado, David Hochberg, AD Popov y Sergey V. Sushkov encontraron una solución de agujero de gusano utilizando expresiones aproximadas para un campo escalar cuantificado, pero tuvieron que hacer una serie de suposiciones sobre los parámetros (desconocidos) de la gravedad cuántica en su trabajo.

Si bien en la actualidad parece poco probable que la naturaleza permita la existencia de agujeros de gusano macroscópicos, todavía hay suficiente incertidumbre en los argumentos para permitir que los físicos teóricos continúen estudiando este aspecto extraño e intrigante del espacio-tiempo.

Y otra respuesta proviene de Matt Visser, profesor asistente de física en la Universidad de Washington en St. Louis:

Los agujeros de gusano son entidades hipotéticas que aparecen en los análisis teóricos de la teoría de la gravedad de Einstein (relatividad general). Nadie ha visto todavía un agujero de gusano, ni estamos seguros de que existan, pero parecen aparecer tan fácilmente cuando hacemos cálculos que muchos físicos sospechan que realmente podrían estar allí en el universo real.

Hay dos tipos principales de agujeros de gusano de interés para los físicos: los agujeros de gusano de Lorentzian (relatividad general) y los agujeros de gusano euclidianos (física de partículas).

Los agujeros de gusano lorentzianos son esencialmente atajos a través del espacio y el tiempo. Principalmente, son estudiados por expertos en la gravedad de Einstein, y si existen en la vida real serían más o menos similares al agujero de gusano en Star Trek: Deep Space 9 . (Pero recuerde, el programa es solo entretenimiento, así que no intente extraer física detallada de DS9; en el mejor de los casos, le dará una vaga idea general de lo que está pasando).

La buena noticia sobre los agujeros de gusano lorentzianos es que, después de unos diez años de arduo trabajo, no podemos demostrar que no existan. La mala noticia es que son objetos muy extraños: si existen, necesitan grandes cantidades de masa negativa para mantenerlos abiertos y evitar que colapsen. (La masa negativa no es antimateria, es una región donde la energía del universo es menor que la del vacío ordinario, lo que es definitivamente extraño). Podemos obtener pequeñas cantidades de energía negativa en el laboratorio (el efecto Casimir). pero conseguir las grandes cantidades necesarias para mantener un agujero de agujero de gusano lorentziano decente parece no tener esperanza con las tecnologías actuales. (Y puede haber problemas profundos de principios que nos impiden acumular mucha energía negativa en un solo lugar).

Si los agujeros de gusano lorentzianos existen, entonces parece que es relativamente fácil convertirlos en máquinas del tiempo. Esta vergonzosa característica ha llevado a Stephen Hawking a promulgar su conjetura de protección de la cronología. De acuerdo con esta conjetura, los efectos cuánticos conspirarán para prevenir efectivamente el viaje en el tiempo, incluso cuando parece que la física clásica podría permitir que ocurra el viaje en el tiempo.

Los agujeros de gusano euclidianos son aún más extraños: viven en "tiempo imaginario" y son procesos mecánicos cuánticos intrínsecamente virtuales. Estos agujeros de gusano euclidianos son de interés principalmente para los físicos de partículas (teóricos del campo cuántico). No se les puede dar una buena interpretación clásica en términos de un campo gravitacional clásico de buen comportamiento, y desafortunadamente, se debe conocer mucha física cuántica para apreciar incluso sus propiedades básicas.

Una buena descripción a nivel popular de los agujeros de gusano lorentzianos se puede encontrar en el libro Black Holes and Time Warps: The Outrageous Legacy de Kip. S. Thorne (Norton, Nueva York, 1994).

La BBC tiene un documental en la serie Horizon: The Time Lords, Judith Bunting, 2 de diciembre de 1996.

Si conoces alguna geometría diferencial, algo de relatividad general y alguna teoría cuántica de campos (no para los débiles de corazón), deberías echar un vistazo a los agujeros de gusano lorentzianos: de Einstein a Hawking por Matt Visser (AIP Press, Nueva York, 1995 ).

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