Este artigo foi publicado originalmente em A conversa. A publicação contribuiu com o artigo para Space.com’s Vozes de especialistas: artigos de opinião e insights.
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 regiões de extrema gravidade, Einstein e Rosen introduziu o que eles chamaram de “ponte”: uma ligação matemática entre duas cópias perfeitamente simétricas de espaço-tempo. Não foi concebido como uma passagem para viagens, mas como uma forma de manter a consistência entre gravidade e física quântica. Só mais tarde as pontes Einstein-Rosen foram associadas a buracos de minhoca, apesar de terem pouco a ver com a ideia original.
Mas em nova pesquisameus 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 desta forma, a ponte Einstein-Rosen funciona 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 de Einstein teoria da relatividade geral aplica-se à gravidade e ao espaço-tempo. Reconciliar os dois continua sendo um dos desafios mais profundos da física. E, excitantemente, a nossa reinterpretação pode oferecer um caminho para fazer isso.
Um legado incompreendido
A interpretação do “buraco de minhoca” surgiu décadas depois do trabalho de Einstein e Rosen, quando os físicos especularam sobre a travessia de um lado a outro do espaço-tempo, mais notavelmente na pesquisa do final da década de 1980.
Mas essas mesmas análises também deixaram claro o quão especulativa era a ideia: na relatividade geral, tal viagem é proibida. A ponte se comprime mais rápido do que a luz poderia atravessá-la, tornando-a intransponível. As pontes Einstein-Rosen são, portanto, instáveis e inobserváveis – estruturas matemáticas, não portais.
No entanto, a metáfora do buraco de minhoca floresceu na cultura popular e na física teórica especulativa. A ideia de que buracos negros pode conectar regiões distantes do cosmos – ou até mesmo atuar 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 – como formas exóticas de matéria ou modificações da relatividade geral — foram propostas para apoiar tais estruturas, elas permanecem não testadas e altamente conjecturais.
Duas flechas do tempo
Nosso trabalho recente revisita o quebra-cabeça da ponte Einstein-Rosen usando uma interpretação quântica moderna do tempo, com base nas ideias desenvolvidas por Sravan Kumar e João Marto.
Maioria leis fundamentais da física não fazem distinção entre passado e futuro, ou entre esquerda e direita. Se o tempo ou o espaço forem invertidos em suas equações, as leis permanecerão válidas. Levar essas simetrias a sério leva a uma interpretação diferente da ponte Einstein-Rosen.
Em vez de um túnel através do espaço, pode ser entendido como dois componentes complementares de um estado quântico. Num deles, o tempo flui para frente; no outro, flui para trás a partir de sua posição refletida no espelho.
Esta 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 de tempo são necessários para descrever um sistema físico completo. Em situações comuns, os físicos ignoram a componente invertida no tempo, escolhendo uma única seta do tempo.
Mas perto de buracos negros, ou em universos em expansão e em colapso, ambas as direções devem ser incluídas para uma descrição quântica consistente. É aqui que surgem naturalmente as pontes Einstein-Rosen.
Resolvendo o paradoxo da informação
No nível microscópico, a ponte permite que a informação passe através do que nos parece um horizonte de eventos – um ponto sem retorno. A informação não desaparece; ele continua evoluindo, mas ao longo da direção temporal oposta, espelhada.
Esta 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 toda a informação sobre o que caiu neles – contradizendo o princípio quântico de que a evolução deve preservar a informação.
O paradoxo surge apenas se insistirmos em descrever horizontes usando uma única flecha 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 de tempo, nada estará realmente perdido. A informação sai da nossa direção temporal e ressurge ao longo da direção invertida. A integralidade e a causalidade são preservadas, sem invocar uma nova física exótica.
Essas ideias são difíceis de compreender porque somos seres macroscópicos que vivenciam apenas uma direção do tempo. Na escala cotidiana, a desordem – ou entropia – tende a aumentar. Um estado altamente ordenado evolui naturalmente para um estado desordenado, nunca o contrário. Isso nos dá uma flecha do tempo.
Mas a mecânica quântica permite um comportamento mais sutil. Curiosamente, já podem existir evidências desta estrutura oculta. A radiação cósmica de fundo em micro-ondas — o brilho residual do Big Bang – mostra uma assimetria pequena, mas persistente: uma preferência por uma orientação espacial em vez de sua imagem espelhada.
Esta anomalia tem intrigado os cosmólogos há duas décadas. Os modelos padrão atribuem a isso uma probabilidade extremamente baixa – a menos que componentes quânticos espelhados sejam incluídos.
Ecos de um universo anterior?
Esta imagem conecta-se naturalmente a uma possibilidade mais profunda. O que chamamos de “Big Bang” pode não ter sido o começo absoluto, mas um salto – uma transição quântica entre duas fases invertidas no tempo da evolução cósmica.
Num tal cenário, os buracos negros poderiam funcionar 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. Isto poderia ter-se formado quando uma região fechada do espaço-tempo entrou em colapso, recuperou-se e começou a expandir-se como o universo que observamos hoje.
Se esta imagem estiver correta, também oferece uma forma de as observações decidirem. 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, de facto, ser constituída por tais relíquias.
Nesta visão, o Big Bang evoluiu a partir de condições de uma contracção anterior. Os buracos de minhoca não são necessários: a ponte é temporal, não espacial – e o Big Bang torna-se um portal, não um começo.
Esta reinterpretação das pontes Einstein-Rosen não oferece atalhos através de galáxias, nem viagens no tempo, nem buracos de minhoca de ficção científica ou hiperespaço. O que ele oferece é muito mais profundo. Oferece uma imagem quântica consistente da gravidade em que o espaço-tempo incorpora um equilíbrio entre direções opostas do tempo – e onde o nosso universo pode ter tido uma história antes do Big Bang.
Ela não derruba a relatividade ou a física quântica de Einstein – ela as completa. A próxima revolução na física pode não nos levar mais rápido que a luz — mas poderá revelar que o tempo, nas profundezas do mundo microscópico e num universo saltitante, flui em ambos os sentidos.
