Os astronautas sobreviveriam a uma viagem interestelar através de um buraco de minhoca?

Na ópera espacial Interstellar, os astronautas que buscam salvar a humanidade encontraram uma tábua de salvação: um buraco de minhoca que apareceu misteriosamente ao lado de Saturno. O túnel através do espaço-tempo leva a uma galáxia distante e a chance de encontrar planetas habitáveis ​​que os humanos possam colonizar. O wormhole do filme é baseado em física real do professor aposentado da CalTech, Kip Thorne, um pioneiro da astrofísica que também ajudou Carl Sagan a projetar seu wormhole para o romance Contact . As visualizações são impressionantes e estão sendo saudadas como algumas das simulações mais precisas de buracos de minhoca e buracos negros em filmes. Mas há um aspecto de mergulhar em um expresso interestelar que o filme não aborda: como você sobrevive à viagem?

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Embora eles não o tenham chamado assim, o buraco de minhoca original foi uma criação de Albert Einstein e seu assistente Nathan Rosen. Eles estavam tentando resolver as equações de Einstein para a relatividade geral de uma forma que acabaria por levar a um modelo puramente matemático de todo o universo, incluindo a gravidade e as partículas que compõem a matéria. Sua tentativa envolveu a descrição do espaço como duas folhas geométricas conectadas por "pontes", que percebemos como partículas.

Outro físico, Ludwig Flamm, descobriu independentemente essas pontes em 1916 em sua solução para as equações de Einstein. Infelizmente para todos eles, essa "teoria de tudo" não funcionou, porque as pontes teóricas não se comportaram como partículas reais. Mas o artigo de Einstein e Rosen de 1935 popularizou o conceito de um túnel através do tecido do espaço-tempo e fez com que outros físicos pensassem seriamente sobre as implicações.

O físico de Princeton John Wheeler cunhou o termo "buraco de minhoca" na década de 1960, quando ele estava explorando os modelos das pontes de Einstein-Rosen. Ele notou que as pontes são semelhantes aos buracos que os vermes traziam através das maçãs. Uma formiga se arrastando de um lado da maçã para outra pode pisar em toda a sua superfície curva, ou tomar um atalho através do túnel do verme. Agora imagine que nosso espaço-tempo tridimensional é a pele de uma maçã que se curva em torno de uma dimensão mais alta chamada "a granel". Uma ponte de Einstein-Rosen é um túnel que atravessa o volume que permite aos viajantes tomarem uma faixa rápida entre dois pontos no espaço. Parece estranho, mas é uma solução matemática legítima para a relatividade geral.

Wheeler percebeu que as bocas das pontes de Einstein-Rosen combinam com as descrições do que é conhecido como um buraco negro de Schwarzschild, uma simples esfera de matéria tão densa que nem mesmo a luz consegue escapar de sua atração gravitacional. Ah-ha! Os astrônomos acreditam que os buracos negros existem e se formam quando os núcleos de estrelas excessivamente massivas desmoronam sobre si mesmos. Então, os buracos negros também poderiam ser buracos de minhoca e, assim, portais para viagens interestelares? Matematicamente falando, talvez - mas ninguém sobreviveria à viagem.

No modelo de Schwarzschild, o coração escuro de um buraco negro é uma singularidade, uma esfera neutra, imóvel, com densidade infinita. Wheeler calculou o que aconteceria se um buraco de minhoca nascesse quando duas singularidades em partes longínquas do universo se fundissem, criando um túnel entre buracos negros de Schwarzschild. Ele descobriu que tal buraco de minhoca é inerentemente instável: o túnel se forma, mas depois se contrai e se afasta, deixando-o mais uma vez com apenas duas singularidades. Esse processo de crescimento e contração acontece tão rápido que nem a luz atravessa o túnel, e um astronauta tentando atravessá-lo encontra uma singularidade. Isso é morte súbita, já que as imensas forças gravitacionais dividiriam o viajante.

"Qualquer coisa ou alguém que tente a viagem será destruído no aperto!" Thorne escreve em seu livro para o filme The Science of Interstellar .

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Existe uma alternativa: um buraco negro de Kerr em rotação, que é outra possibilidade na relatividade geral. A singularidade dentro de um buraco negro de Kerr é um anel em oposição a uma esfera, e alguns modelos sugerem que uma pessoa poderia sobreviver à viagem se passasse ordenadamente através do centro deste anel como uma bola de basquete através de um arco. Thorne, no entanto, tem várias objeções a essa noção. Em um artigo de 1987 sobre viagens via buraco de minhoca, ele observa que a garganta de um buraco de minhoca Kerr contém uma região chamada de horizonte de Cauchy que é muito instável. A matemática diz que, assim que qualquer coisa, até mesmo a luz, tenta passar neste horizonte, o túnel desmorona. Mesmo que o buraco de minhoca pudesse de alguma forma ser estabilizado, a teoria quântica nos diz que o interior deveria ser inundado com partículas de alta energia. Coloque os pés em um buraco de minhoca Kerr e você será frito até ficar crocante.

O truque é que a física ainda precisa se casar com as regras clássicas da gravidade com o mundo quântico, uma peça indescritível de matemática que muitos pesquisadores estão tentando definir. Em uma das reviravoltas da foto, Juan Maldacena, de Princeton, e Leonard Susskind, de Stanford, propuseram que os buracos de minhoca podem ser como as manifestações físicas do emaranhamento, quando os objetos quânticos estão ligados, por mais distantes que estejam.

Einstein notoriamente descreveu o entrelaçamento como "ação fantasmagórica à distância" e resistiu à idéia. Mas muitas experiências nos dizem que o emaranhamento é real - já está sendo usado comercialmente para proteger as comunicações on-line, como as transações bancárias. De acordo com Maldacena e Susskind, grandes quantidades no entrelaçamento alteram a geometria do espaço-tempo e podem originar buracos de minhoca na forma de buracos negros entrelaçados. Mas a versão deles não é um gateway interestelar.

"Eles são buracos de minhoca que não permitem que você viaje mais rápido que a luz", diz Maldacena. "No entanto, eles podem permitir que você encontre alguém dentro, com a pequena advertência de que ambos morreriam em uma singularidade gravitacional."

OK, os buracos negros são um problema. O que, então, pode ser um buraco de minhoca? Avi Loeb, do Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, diz que nossas opções são amplas: "Como ainda não temos uma teoria que confiantemente unifique a relatividade geral com a mecânica quântica, não conhecemos todo o zoológico de possíveis estruturas de espaço-tempo que poderiam acomodar buracos de minhoca ".

Ainda há um engate. Thorne descobriu em seu trabalho de 1987 que qualquer tipo de buraco de minhoca que seja consistente com a relatividade geral entrará em colapso, a menos que seja aberto pelo que ele chama de "matéria exótica" com energia negativa. Ele argumenta que temos evidências de matéria exótica graças a experimentos mostrando como flutuações quânticas no vácuo parecem criar pressão negativa entre dois espelhos colocados muito próximos um do outro. E Loeb acha que nossas observações da energia escura são mais uma indicação de que a matéria exótica pode existir.

"Observamos que, com relação à história cósmica recente, as galáxias estão fugindo de nós a uma velocidade que aumenta com o tempo, como se tivessem sido influenciadas pela gravidade repulsiva", diz Loeb. "Essa expansão acelerada do universo pode ser explicada se o universo for preenchido com uma substância que tem uma pressão negativa ... assim como o material necessário para criar um buraco de minhoca". Ambos os físicos concordam, porém, que você precisaria de muita matéria exótica para que um buraco de minhoca jamais se formasse naturalmente, e apenas uma civilização altamente avançada poderia esperar juntar o suficiente para estabilizar um buraco de minhoca.

Mas outros físicos não estão convencidos. "Eu acho que um buraco de minhoca estável e travável seria muito confuso e parece inconsistente com as leis da física que conhecemos", diz Maldacena. Sabine Hossenfelder, do Nordic Institute for Theoretical Physics, na Suécia, é ainda mais cética: "Temos absolutamente nenhuma indicação de que isso existe. De fato, acredita-se que não pode existir, porque se o vácuo fosse instável." Mesmo que a matéria exótica estivesse disponível, viajar por ela pode não ser bonito. Os efeitos exatos dependeriam da curvatura do espaço-tempo em torno do buraco de minhoca e da densidade da energia interna, diz ela. "É muito semelhante aos buracos negros: forças de marés em excesso e você é dilacerado."

Apesar de seus laços com o filme, Thorne também é pessimista de que um buraco de minhoca atravessável é até mesmo possível, muito menos sobrevivível. "Se eles podem existir, duvido muito que possam se formar naturalmente no universo astrofísico", escreve ele no livro. Mas Thorne aprecia que Christopher e Jonah Nolan, que escreveram o Interstellar, estavam tão interessados ​​em contar uma história baseada na ciência.

"A história agora é essencialmente toda de Chris e Jonah", Thorne disse à Wired em uma entrevista exclusiva. "Mas o espírito disso, o objetivo de ter um filme em que a ciência está embutida no tecido desde o início - e é uma grande ciência - foi preservada."