Os buracos de minhoca são um beco sem saída científico?

Para citar a resposta de um astrofísico à pergunta de um jovem estudante, um buraco de minhoca é “como um túnel entre dois pontos distantes do nosso universo que reduz o tempo de viagem de um ponto a outro”. Se existirem buracos de minhoca, eles poderiam ser como uma máquina do tempo ou, se você for um cientista, responder a algumas das questões mais desafiadoras sobre a verdadeira natureza do nosso universo. Mas, na realidade, os cientistas ainda não encontraram nenhum buraco de minhoca – presumindo que ainda estejam tentando encontrar um.

Aqui na Giz, nosso objetivo é trazer o renascimento do Y2K para a física teórica. De acordo com um Giz Asks anterior sobre a teoria das cordas, um aparente “caso arquivado” na ciência popular não significa necessariamente que os próprios cientistas desistiram da ideia. Claro, nem tudo pode ser tão sexy quanto os antigos documentários e romances de ficção científica – mas o progresso assume muitas formas.

Para este Giz Asks, perguntamos aos cientistas se a investigação sobre buracos de minhoca chegou a um beco sem saída científico. Ou seja, independentemente de pensarmos que existem buracos de minhoca, temos atualmente os meios para explorar plenamente este conceito? Que tipo de avanços teóricos ou experimentais precisaríamos para superar esses desafios?

Ou será que a investigação se ramificou em campos relacionados, mas distintos, como a gravidade quântica? E talvez a frase “beco sem saída” seja uma forma injusta de descrever um campo que de outra forma seria próspero. Em caso afirmativo, quais são alguns desenvolvimentos notáveis ​​que devemos observar?

As respostas a seguir podem ter sido levemente editadas e condensadas para maior clareza.

Enrique Gaztañaga

Um cosmólogo da Universidade de Portsmouth, no Reino Unido

Não creio que os buracos de minhoca sejam um beco sem saída científico. Acho que o que mudou é a finalidade para a qual esperamos que eles sejam úteis. A imagem popular é a de um buraco de minhoca como um túnel através do espaço-tempo pelo qual alguém poderá um dia viajar. Essa possibilidade enfrenta dificuldades formidáveis. A ponte Einstein-Rosen original associada a um buraco negro não é atravessável, e manter um buraco de minhoca macroscópico aberto geralmente requer formas muito incomuns de energia de estresse. Também não temos evidências observacionais de que tais objetos existam.

Mas do ponto de vista da física fundamental, os buracos de minhoca tornaram-se indiscutivelmente mais interessantes, em vez de menos interessantes. O seu papel mudou de sistemas de transporte especulativos para questões sobre gravidade quântica, horizontes, emaranhamento e informação.

Um dos desenvolvimentos mais surpreendentes é a ideia geralmente resumida como ER=EPR: a de que a ponte Einstein-Rosen que liga duas regiões de buracos negros pode estar profundamente relacionada com o emaranhado quântico entre elas. Quer esta identificação seja fundamental ou não, ela muda a questão. Um buraco de minhoca pode não ser basicamente algo que permite que a matéria viaje de um lugar para outro. Em vez disso, pode nos dizer como regiões aparentemente separadas do espaço-tempo pertencem a um único estado quântico.

Essa possibilidade é especialmente interessante para o problema da informação do buraco negro. A relatividade geral clássica divide o espaço-tempo em regiões separadas por horizontes, enquanto a mecânica quântica insiste que a evolução completa deve permanecer unitária. Buracos de minhoca e pontes Einstein-Rosen fornecem uma linguagem geométrica na qual informações que parecem inacessíveis de uma região semiclássica ainda podem pertencer a uma descrição quântica global maior.

Portanto, eu diria que a pesquisa sobre buracos de minhoca não estagnou, mas sim migrou. Se a pergunta for: “Estamos cada vez mais perto de construir um túnel para outra galáxia?”, provavelmente não. Se a pergunta for: “Os buracos de minhoca estão nos ajudando a entender como o espaço-tempo, a informação quântica e a gravidade se encaixam?” então eles permanecem muito vivos.

O meu próprio interesse está intimamente relacionado com esta segunda interpretação. Estou explorando se uma descrição quântica completa dos buracos negros e dos saltos cosmológicos pode exigir setores complementares do espaço-tempo que parecem desconectados da perspectiva de um observador clássico, mas pertencem a um estado quântico global. Desse ponto de vista, a importância duradoura da ponte Einstein-Rosen pode ser menos uma passagem através do espaço do que uma pista de que a nossa imagem clássica contém apenas parte da geometria completa.

Curiosamente, esta ideia pode até ter uma ligação observacional. As maiores escalas da Fundo Cósmico de Microondas mostram uma preferência mensurável entre paridade par e ímpar. No meu trabalho, estou explorando se esta assimetria de paridade poderia ser um fóssil de um estado quântico simétrico PT mais fundamental, no qual orientações espaciais e temporais opostas pertencem a uma única descrição completa, mas o universo clássico que observamos corresponde a apenas um ramo. Se essa interpretação estiver correta, a CMB já pode conter um traço observacional precisamente do tipo de conclusão quântica que os buracos de minhoca e as pontes de Einstein-Rosen nos encorajam a pensar.

Nesse sentido, os buracos de minhoca podem não ser estradas através do espaço-tempo. Eles podem estar nos dizendo algo mais fundamental sobre o que é o espaço-tempo.

Juan Maldacena

Físico teórico do Instituto de Estudos Avançados e laureado inaugural com o Prêmio Breakthrough em Física Fundamental.

Buracos de minhoca que permitiriam viajar mais rápido que a luz no espaço ambiente não são permitidos pelos princípios básicos da relatividade geral e da mecânica quântica. Portanto, é improvável que existam.

Existe uma grande variedade de outros buracos de minhoca que levam a efeitos físicos muito interessantes ou que são úteis para determinados cálculos. Alguns desses buracos de minhoca estão intimamente relacionados ao emaranhamento quântico.

Ali Övgün

Físico teórico da Universidade do Mediterrâneo Oriental, no Norte de Chipre.

Minha resposta é não: não considero os buracos de minhoca um beco sem saída científico. Eles permanecem uma questão em aberto sobre o que a gravidade permite e uma ferramenta útil para explorar a relação entre o espaço-tempo e a física quântica. No entanto, devemos distinguir o seu valor teórico da evidência da sua existência. Atualmente não temos nenhuma observação confirmada de um buraco de minhoca astrofísico.

O principal obstáculo é a consistência física. Escrever equações que descrevem um buraco de minhoca não estabelece como a natureza poderia formar um buraco de minhoca, sustentá-lo ou mantê-lo estável quando a matéria passa por ele. Na relatividade geral comum, buracos de minhoca atravessáveis ​​requerem condições de energia incomuns perto de sua garganta. Os campos quânticos podem exibir energia negativa, mas isso apresenta restrições. Ford e Roman mostraram como os limites de energia quântica restringem severamente muitas geometrias propostas de buracos de minhoca. Estes são obstáculos substanciais, embora não devam ser tratados como uma prova universal de que todos os buracos de minhoca possíveis são proibidos.

A pesquisa também desenvolveu fortes conexões com a gravidade quântica e a informação quântica. Por exemplo, Gao, Jafferis e Wall demonstraram que os efeitos quânticos podem tornar um buraco de minhoca atravessável num cenário gravitacional específico com uma interação entre os seus limites. Maldacena, Milekhin e Popov construíram posteriormente um modelo quadridimensional apoiado por efeitos quânticos. Estes resultados estabelecem possibilidades sob pressupostos específicos; eles não fornecem uma receita prática para construir um buraco de minhoca.

O experimento do processador quântico de 2022 ilustra outra direção. Os pesquisadores estudaram a dinâmica da informação quântica interpretada através da descrição de um buraco de minhoca. Eles não criaram um túnel físico através do nosso espaço-tempo. Tais experimentos oferecem uma forma de investigar aspectos da conexão proposta entre gravidade e emaranhamento, com limitações importantes decorrentes dos pequenos sistemas envolvidos.

Também há trabalho contínuo sobre possíveis assinaturas astronômicas. Em meu artigo recente com Reggie Pantig, estudamos como o plasma circundante poderia afetar os anéis de fótons de um modelo específico de buraco de minhoca. Uma lição importante é que uma assinatura proposta pode depender do ambiente e também da geometria do espaço-tempo. Uma imagem incomum por si só exigiria uma interpretação cuidadosa antes de ser atribuída a um buraco de minhoca.

Eu seria cauteloso ao interpretar a redução do entusiasmo público como redução do significado científico. Na minha opinião, um progresso significativo requer modelos que liguem um mecanismo de apoio credível à formação, estabilidade e previsões que possam ser testadas contra explicações concorrentes. Melhores observações e experiências quânticas maiores podem ajudar, mas o trabalho teórico é igualmente necessário. Até mesmo o estabelecimento de limites firmes sobre a existência de buracos de minhoca nos ensinaria algo valioso sobre a gravidade.