"Buracos de minhoca" cósmicos podem não existir, mas ideia ajuda a revelar importantes noções sobre o tempo e o Universo
A ficção científica imagina os buracos de minhoca como atalhos através do espaço-tempo. Mas a ideia original sugere que eles podem ser algo muito mais estranho
Os chamados "buracos de minhoca" cósmicos (wormholes, no original em inglês) são frequentemente imaginados como túneis através do espaço ou do tempo — atalhos no Universo. Mas essa imagem se baseia em um mal-entendido sobre o trabalho dos físicos Albert Einstein e Nathan Rosen.
Em 1935, enquanto estudavam o comportamento de partículas em regiões de gravidade extrema, Einstein e Rosen introduziram o que chamaram de uma "ponte": uma ligação matemática entre duas cópias perfeitamente simétricas do espaço-tempo. A intenção não era criar uma passagem para viagens, mas uma forma de manter a consistência entre a gravidade e a física quântica. Só mais tarde as Pontes Einstein-Rosen passaram a ser associadas a buracos de minhoca, apesar de terem pouco a ver com a ideia original.
Mas em uma nova pesquisa, meus colegas e eu mostramos que a Ponte Einstein-Rosen original aponta para algo muito mais estranho — e mais fundamental — do que um buraco de minhoca.
O enigma que Einstein e Rosen estavam abordando nunca foi sobre viagens espaciais, mas sobre como os campos quânticos se comportam no espaço-tempo curvo. Interpretada dessa forma, a Ponte Einstein-Rosen atua como um espelho no espaço-tempo: uma conexão entre duas setas microscópicas do tempo.
A Mecânica Quântica rege a natureza nas menores escalas, como partículas, enquanto a Teoria da Relatividade Geral de Einstein se aplica à gravidade e ao espaço-tempo. Conciliar as duas continua sendo um dos desafios mais profundos da Física. E, de uma maneira empolgante, nossa reinterpretação pode oferecer um caminho para fazer isso.
Legado mal compreendido
A interpretação do "buraco de minhoca" surgiu décadas após o trabalho de Einstein e Rosen, quando os físicos especularam sobre a travessia de um lado do espaço-tempo para o outro, principalmente em 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 viagem é proibida. A ponte se fecha mais rápido do que a luz poderia atravessá-la, tornando-a intransitável. As Pontes de Einstein-Rosen são, portanto, instáveis e não observáveis — estruturas matemáticas, não portais.
Mas a metáfora do buraco de minhoca floresceu na cultura popular e na física teórica especulativa. A ideia de que os buracos negros poderiam conectar regiões distantes do Cosmos — ou até mesmo atuar como máquinas do tempo — inspirou inúmeros artigos, livros e filmes.
Não há, porém, evidências observacionais de buracos de minhoca macroscópicos, nem qualquer razão teórica convincente para esperar que existam dentro da teoria de Einstein. Embora extensões especulativas da física — como formas exóticas de matéria ou modificações da Relatividade Geral — tenha sido propostas para apoiar tais estruturas, elas permanecem não testadas e altamente conjecturais.
Duas setas do tempo
Nosso trabalho recente revisita o enigma da Ponte Einstein-Rosen usando uma interpretação quântica moderna do tempo, com base 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 indica uma interpretação diferente da Ponte Einstein-Rosen.
Em vez de um túnel através do espaço, ela pode ser entendida como dois componentes complementares de um estado quântico. Em um, o tempo flui para frente; no outro, ele flui para trás a partir de sua posição refletida no espelho.
Essa simetria não é uma preferência filosófica. Uma vez excluídos os infinitos, a evolução quântica deve permanecer completa e reversível no 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 flecha 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 Einstein-Rosen surgem naturalmente.
Resolvendo o paradoxo da informação
No nível microscópico, a ponte permite que a informação passe pelo que nos parece um horizonte de eventos — um ponto sem retorno na fronteira dos buracos negros. A informação não desaparece; ela continua evoluindo, mas na direção temporal oposta, espelhada.
Essa estrutura oferece uma resolução natural para o famoso paradoxo da informação do buraco negro. Em 1974, Stephen Hawking mostrou que os buracos negros irradiam calor e podem eventualmente evaporar, aparentemente apagando todas as informações sobre o que caiu neles — contradizendo o princípio quântico de que a evolução do sistema deve preservar as informações.
O paradoxo surge apenas se insistirmos em descrever horizontes de evento usando uma única seta 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 se perde realmente. A informação deixa a nossa direção do tempo e ressurge ao longo da 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, nunca o contrário. Isso nos dá uma seta do tempo.
Mas a Mecânica Quântica permite um comportamento mais sutil. Curiosamente, já podem existir evidências dessa estrutura oculta. A radiação cósmica de fundo em micro-ondas — o "eco" do Big Bang — mostra uma assimetria pequena, mas persistente: uma preferência por uma orientação espacial em detrimento de 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?
Essa imagem se conecta naturalmente a uma possibilidade mais profunda. O que chamamos de "Big Bang" pode não ter sido o início absoluto, mas um salto — uma transição quântica entre duas fases invertidas no tempo da evolução cósmica.
Nesse cenário, os buracos negros poderiam atuar como pontes não apenas entre direções temporais, mas entre diferentes épocas cosmológicas. Nosso Universo pode ser o interior de um buraco negro formado em outro Cosmos "pai". Isso pode ter acontecido quando uma região fechada do espaço-tempo deste Cosmos "pai" entrou em colapso, ricocheteou e começou a se expandir como o Universo que observamos hoje.
Se essa imagem estiver correta, ela também oferece uma maneira de observações revelarem a verdade. Relíquias da fase pré-ricochete — 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 visão, o Big Bang evoluiu a partir das condições de uma contração anterior. Os 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 Einstein-Rosen não oferece atalhos entre galáxias, viagens no tempo, buracos de minhoca de ficção científica ou hiperespaço. O que ela oferece é algo muito mais profundo: 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 derruba a Relatividade de Einstein ou a física quântica — completa-as. A próxima revolução na Física pode não nos permitir viajar mais rápido que a luz — mas pode revelar que o tempo, nas profundezas do mundo microscópico e em um Universo em expansão, flui nos dois sentidos.
Enrique Gaztanaga recebe financiamento do Plano Nacional Espanhol (PGC2018-102021-B-100) e das bolsas Maria de Maeztu (CEX2020-001058-M). Enrique Gaztanaga também é professor no Instituto de Ciências Espaciais (CSIC/IEEC) em Barcelona e publica um blog científico chamado DarkCosmos.com.
Este artigo foi publicado no The Conversation Brasil e reproduzido aqui sob a licença Creative Commons
