Buraco-de-minhoca

Em física, um buraco de verme ou buraco de minhoca, é uma característica topológica hipotética do continuum espaço-tempo, a qual é em essência um "atalho" através do espaço e do tempo. Um buraco de verme possui ao menos duas "bocas" as quais são conectadas a uma única "garganta" ou tubo. Se o buraco de verme é transponível, a matéria pode "viajar" de uma boca para outra passando através da garganta. Embora não exista evidência direta da existência de buracos de verme, um contínuum espaço-temporal contendo tais entidades costuma ser considerado válido pela relatividade geral.

O termo buraco de verme (wormhole em inglês) foi criado pelo físico teórico estadunidense John Wheeler em 1957. Todavia, a idéia dos buracos de verme já havia sido inventada em 1921 pelo matemático alemão Hermann Weyl em conexão com sua análise da massa em termos da energia do campo eletromagnético.Esta análise força a considerar-se situações...onde há um fluxo de rede de linhas de força através do que os topologistas poderiam chamar de alça ou espaço multiplamente conectado e que os físicos poderiam talvez ser desculpados por denominar mais vividamente de 'buraco de verme'.
—John Wheeler em Annals of Physics


O nome "buraco de verme" vem de uma analogia usada para explicar o fenômeno. Da mesma forma que um verme que perambula pela casca de uma maçã poderia pegar um atalho para o lado oposto da casca da fruta abrindo caminho através do miolo, em vez de mover-se por toda a superfície até lá, um viajante que passasse por um buraco de verme pegaria um atalho para o lado oposto do universo através de um túnel topologicamente incomum.Definição

A noção básica de um buraco de verme intra-universo é a de que é uma região compacta do continuum espaço-tempo cuja fronteira é topologicamente trivial mas cujo interior não está simplesmente conectado. Formalizar esta idéia leva a definições tais como a seguinte, extraída de Lorentzian Wormholes de Matt Visser:“ Se um espaço-tempo lorentziano contém uma região compacta Ω, e se a topologia de Ω está na forma Ω ~ R x Σ, onde Σ é um conduto triplo de topologia incomum, cuja fronteira possui topologia na forma dΣ ~ S2, e se ademais, as hipersuperfícies Σ são todas espaço-similares, então a região Ω contém um buraco de verme intra-universo quase permanente. ”


Caracterizar buracos de vermes entre universos é mais complicado. Por exemplo, alguém poderia imaginar um universo "bebê" conectado ao seu "progenitor" por um "cordão umbilical". O "cordão" poderia ser também encarado como a garganta do buraco de verme, mas o espaço-tempo está simplesmente conectado.

Tipos de buracos de verme

Buracos de verme intra-universos conectam um local em um universo a outro local do mesmo universo (no mesmo tempo presente ou não presente). Um buraco de verme deverá ser capaz de conectar locais distantes no universo criando um atalho através do espaço-tempo, permitindo viajar entre eles mais rápido do que a luz levaria para transitar pelo espaço normal (ver a imagem acima). Buracos de verme inter-universos conectam um universo a outro. Isto dá margem à especulação de que tais buracos de verme poderiam ser usados para viajar de um universo paralelo para outro. Um buraco de verme que conecta universos (geralmente fechados) é frequentemente denominado como wormhole de Schwarzschild. Outra aplicação de um buraco de verme poderia ser a viagem no tempo. Neste caso, é um atalho de um ponto no espaço-tempo para outro. Na teoria das cordas, o buraco de verme tem sido visto como uma conexão entre duas D-branas, onde as bocas estão ligadas às branas e são conectadas por um tubo de fluxo. Finalmente, acredita-se que buracos de verme sejam parte da espuma quântica. Existem dois tipos principais de buracos de verme: buracos de verme lorentzianos e buracos de verme euclidianos. Os buracos de verme lorentzianos são estudados primordialmente na relatividade geral e gravitação semiclássica, enquanto os buracos de verme euclidianos são estudados em física de partículas. Buracos de verme transponíveis são um tipo especial de buraco de verme lorentziano que permitiriam que uma pessoa viajasse de um lado do buraco de verme ao outro. Serguei Krasnikov sugeriu a expressão atalho de espaço-tempo (spacetime shortcut) como uma descrição mais geral de buracos de verme (transponíveis) e sistemas de propulsão como a métrica de Alcubierre e o tubo de Krasnikov para indicar viagens interestelares mais rápidas que a luz.

Base teórica

Sabe-se que buracos de verme (lorentzianos) não são excluídos do arcabouço da relatividade geral, mas a plausabilidade física destas soluções é incerta. Também não se sabe se uma teoria de gravitação quântica, que juntasse a relatividade geral com a mecânica quântica, ainda permitiria a existência deles. A maioria das soluções conhecidas da relatividade geral que permitiriam buracos de verme transponíveis exigem a existência de matéria exótica, uma substância teórica que possui densidade de energia negativa. Todavia, não foi matematicamente provado que isto é um requisito absoluto para buracos de verme transponíveis, nem foi estabelecido que a matéria exótica não possa existir.

Entrando num buraco de verme

Mesmo se alguém encontrasse um buraco de verme e viajasse através dele, os cientistas não têm certeza sobre como isso afetaria o indivíduo. Alguns acreditam que um buraco de verme não se manteria estável por tempo suficiente para permitir a travessia. E existem teorias que sugerem que mesmo que ele permaneça estável, o viajante seria alterado de formas indeterminadas e poderia experimentar danos ao coração ou cérebro, e possivelmente até a morte.

Buracos de verme de Schwarzschild

Diagrama integrado de um buraco de verme de Schwarzschild.

Buracos de verme lorentzianos, conhecidos como buracos de verme de Schwarzschild ou pontes de Einstein-Rosen são pontes entre áreas do espaço que podem ser modeladas como soluções de vácuo para as equações de campo de Einstein ao combinar os modelos de um buraco negro e um buraco branco. Esta solução foi descoberta por Albert Einstein e seu colega Nathan Rosen, os quais publicaram o resultado em 1935. Todavia, em 1962 John A. Wheeler e Robert W. Fuller publicaram um paper demonstrando que este tipo de buraco de verme é instável, e que ele colapsará instantaneamente tão logo se forme, impedindo que mesmo a luz consiga atravessá-lo.

Antes que os problemas de estabilidade dos buracos de verme de Schwarzschild se tornassem aparentes, foi proposto que quasares eram buracos brancos, constituindo o fim de buracos de verme deste tipo.

Embora buracos de verme de Schwarzschild não sejam transponíveis, sua existência inspirou Kip Thorne a imaginar buracos de verme transponíveis criados mantendo-se aberta a "garganta" de um buraco de verme de Schwarzschild com matéria exótica (matéria que possui massa/energia negativa).