Buraco de minhoca (versão completa)

Buracos de minhoca estão entre os maiores mistérios da ciência. Tais objetos são hipotéticos (nunca foram comprovados), tendo origem nas equações da Relatividade Geral de Albert Einstein. Essencialmente, buracos de minhoca são formados por duas “bocas” e uma “garganta”, que conectam dois pontos no espaço-tempo, o que possibilitaria, teoricamente, viagens pelo espaço e pelo tempo em si. Todavia, ao falarmos sobre buracos de minhoca (ou qualquer tópico que envolva assuntos mais delicados), devemos ter um cuidado especial para não cairmos na ficção e nos atermos ao rigor científico.

Tais objetos são um dos favoritos da ficção científica, sendo destacados em diversos filmes, como em Interestelar, Star Trek, Donnie Darko, entre outros. No caso do Interestelar, há, de forma geral, um grande rigor científico em volta do filme, obtido pela participação do físico teórico e vencedor do prêmio Nobel de física Kip Thorne (o qual era também um grande amigo de Stephen Hawking).

Imagine uma maçã “habitada” por uma minhoca, a qual quer sair de um ponto A da superfície da maçã e chegar ao ponto B, oposto ao ponto A, também na superfície da fruta. Caso ande pela casca, a menor distância que o anelídeo terá de percorrer será o caminho descrito pelo contorno da fruta. Contudo, a minhoca tem a possibilidade de um caminho mais curto (um atalho), o qual seria pelo meio da fruta. Para atravessar a maçã e chegar ao ponto almejado, o invertebrado terá de cavar, criando um túnel/buraco e, a partir disso, temos a analogia agregada aos hipotéticos objetos cósmicos.

Diversos tipos de buracos de minhoca foram obtidos como soluções da equação de campo de Einstein. De modo mais geral, podemos dividi-los em buracos de minhoca intra-universos (cuja conexão leva de um lugar de um universo para outro lugar deste mesmo universo) e buracos de minhoca inter-universo (os quais ligam um universo ao outro, em um contexto de multiverso, o qual também não apresenta provas de sua existência e permanece como hipótese). De forma mais específica, podemos classificar esses atalhos do espaço-tempo como Lorentzianos (estudados dentro da Relatividade Geral e da gravitação semi-clássica) ou euclidianos (estudados na física de partículas). O tipo de buraco de minhoca mais comum de ser debatido é o Lorentiziano (mais comumente chamado de buraco de minhoca de Schwarzschild ou ponte Einstein-Rosen).

As pontes Einstein-Rosen, formuladas por Albert Einstein e Nathan Rosen, têm um componente hipotético muito peculiar, o chamado buraco branco. Em suma, os buracos brancos seriam buracos negros “invertidos”, tendo em vista que ao invés de atraírem/sugarem objetos próximos eles ejetam/lançam objetos de dentro deles. Por consequência, uma propriedade que ilustra muito bem a distinção entre estes dois referidos corpos celestes é que, enquanto no buraco negro nada pode sair, uma vez dentro de seu horizonte de eventos, em um buraco branco nada pode entrar uma vez fora deste, independentemente da energia aplicada tentando forçar o corpo a entrar. Uma ponte Einstein-Rosen é formada por um buraco negro (como sendo uma das pontas/bocas) a “ponte” (a qual substitui a singularidade) em si e um buraco branco (como sendo a outra ponta/boca), o qual daria conexão a um universo espelho com tempo “movendo-se” para trás em relação ao universo “normal” que se estava previamente. Contudo, os buracos de minhoca de Schwarzschild foram posteriormente demonstrados como instáveis pelo físico John Wheeler, o que significa que eles se colapsariam muito rapidamente, impossibilitando a travessia. Apesar de serem classificados como não transponíveis devido a sua alta instabilidade, serviram como base para o desenvolvimento de ideias que almejavam contornar esse problema.

Um buraco de minhoca tem forma esférica e pode ter seu funcionamento visualizado de forma simples com o seguinte pensamento intuitivo: imagine que você tenha uma folha de papel com dois pontos marcados P1 e P2. A folha representará o tecido do espaço-tempo e os pontos são posições arbitrárias no espaço. A menor distância entre P1 e P2 no plano será, por definição, uma reta. O buraco de minhoca tem o efeito de dobrar o tecido do espaço-tempo, possibilitando assim a sobreposição dos pontos de forma que a distância entre estes se torne bem menor (“atalho”).

É teorizado que, caso existam, buracos de minhoca possam ser manipulados para se tornarem estáveis, por meio de propriedades de uma matéria distinta da comum, a chamada matéria exótica. Tais partículas teorizadas possuem massa negativa e, portanto, apresentam uma densidade de energia negativa, o que provocaria um efeito repulsivo (contrário ao efeito atrativo provocado por partículas com massa positiva) devido à deformação contrária (“negativa”) no tecido do espaço-tempo. Caso tivéssemos acesso a partículas exóticas, poderíamos agregá-las ao buraco de minhoca, onde, com seu efeito “antigravitacional” lutaria contra a gravidade (a qual induz o fechamento da ponte) tornando assim o buraco de minhoca estável. Na mecânica quântica, temos as chamadas flutuações quânticas de vácuo, que é o surgimento e o desaparecimento espontâneo de partículas denominadas partículas virtuais. As flutuações quânticas foram experimentalmente comprovadas, o que é conhecido como efeito Casimir. Este efeito bizarro que possibilita a criação de partículas essencialmente do nada gera pequenos fluxos de energia negativa, o que é análogo às propriedades das partículas exóticas (possibilitando novamente a estabilização dos buracos de minhoca).

Um tipo transponível de buraco de minhoca que dispensa as partículas exóticas para seu “sustento” é derivado da teoria das cordas (teoria que basicamente tenta unificar a física), de modo a descrever que no universo primordial (muito jovem) as flutuações quânticas de vácuo podem ter criados diversos buracos de minhoca na ordem de comprimento de Planck (menor escala possível, na ordem 10^-35 metros) com as chamadas cordas cósmicas (que também promovem a estabilidade). Com o período de inflação e a expansão do universo, as bocas destes minúsculos buracos de minhoca foram afastadas por distâncias enormes, sendo espalhadas por todo o cosmos.

Suponha que um astronauta curioso (até demais) encontre um buraco de minhoca transponível com condições possíveis para que o humano o atravesse sem problemas. Suponha também que o traje espacial possui um relógio de pulso, o qual marca a mesma hora da cidade do astronauta. Nosso explorador checa o relógio, que marca 10:05 AM e então adentra efetivamente o mistério e, após passar pelo túnel, sai pela outra boca. Ao se dar por conta, o astronauta percebe, de alguma forma, que está em uma galáxia distinta. Ao checar novamente o relógio, verifica-se que são 10:15 AM. Em apenas 10 minutos, o astronauta percorreu um caminho que a luz (que possui a maior velocidade permitida no universo) demoraria bilhões de anos para chegar. A relatividade restrita estabelece que nada pode ultrapassar o limite de velocidade da luz. Teria o explorador violado as leis fundamentais do universo ao percorrer trilhões de quilômetros em alguns momentos pelo buraco de minhoca? Não, nosso astronauta não é ousado o suficiente. A relatividade afirma que a velocidade da luz não pode ser atravessada “localmente” o que significa que nenhuma partícula massiva consegue alcançar e/ou ultrapassar a velocidade da luz (que é de aproximadamente 300.000.000 m/s) contando somente com suas propriedades, sem utilizar o atalho utilizado pelo astronauta. Para melhor ilustrar, caso um fóton (partícula da luz) adentrasse o buraco de minhoca junto com o astronauta, ela chegaria ao outro lado com uma rapidez muito superior ao agente espacial.

Como mencionado, nosso objeto hipotético de estudo traz a indicação da possibilidade da viagem no tempo, porém, sob certas restrições. Em 1988, cientistas renomados como Yurt Sever e Kip Thorne trabalharam em como converter um buraco de minhoca transponível no espaço em um transponível no tempo. Os físicos concluíram que dois caminhos seriam possíveis para a concretização da “viagem no tempo” sendo que em um caso uma das bocas de nosso misterioso objeto teria que ser acelerada a fração significante da velocidade da luz e depois teria de ser trazida de volta para o ponto de origem. Na outra situação, uma das bocas é movida para um campo gravitacional de um objeto massivo o suficiente. A teoria da relatividade prediz que em ambos os casos haverá o efeito de dilatação temporal, no primeiro provocado pela velocidade equiparável a da luz e no segundo causado pela gravidade suficientemente “forte” para dobrar o tecido espaço-tempo de modo a causar também os efeitos de dilatação temporal. A “ponta” que experimentou um dos dois possíveis casos terá sua medida de tempo diferente da de um observador fora dessas condições, para esta boca o tempo terá “desacelerado” /passado mais lentamente. Portanto, teremos bocas com “Idades” distintas, uma mais velha (que não sofreu alterações/passagem de tempo “comum”) e uma mais nova (que sofreu alterações/passagem de tempo mais lenta). Um observador, ao passar pela entrada “mais nova” sairá na “mais velha” em um tempo (passado) no qual a “mais velha” tinha a mesma idade da “mais nova”. Como mencionado, há condições impostas, sendo que não seria possível realizar uma viagem para qualquer tempo arbitrário, mas sim a partir do momento em que nosso buraco de minhoca tenha sido “convertido” em uma máquina do tempo.

Há paradoxos famosos decorrentes de implicações da viagem temporal, como o paradoxo do avô, mas esses entram em um campo mais filosófico em descrições e crenças sobre o que é realmente considerado o livre arbítrio.

Apesar de serem objetos hipotéticos, com existência certa apenas nas equações da relatividade, os buracos de minhoca não deixam de ser componentes fascinantes do universo, com propriedades únicas, fornecendo inspiração para muitos escritores de ficção cientifica.

Material de referência: "uma breve história do tempo" (Stephen Hawking) "universo em um casca de noz" (Stepeh Hawking)/ "the science of Interstellar" (Kip Thorne) / https://en.wikipedia.org/wiki/Wormhole