Ponte de Einstein-Rosen: o que é um buraco de minhoca?

As pontes de Einstein-Rosen, ou buracos de minhoca, são velhos conhecidos dos filmes e séries de ficção científica pois permitem que os protagonistas possam viajar por longas distâncias em um curto espaço de tempo sem violar o limite universal da velocidade da luz.

Apesar de populares na ficção científica e fantasia, os buracos de minhoca têm origem em teorias físicas reais desenvolvidas em conjunto com o próprio fundador da relatividade geral: Albert Einstein.

Mas o que são realmente os buracos de minhoca? Eles podem realmente existir? O que a ciência nos diz sobre eles?

O que são buracos de minhoca?

Os buracos de minhoca foram teorizados inicialmente em 1916 pelo físico austríaco Ludwig Flamm ao estudar as equações de campo de Einstein para a relatividade geral. Ele percebeu que existia uma solução matemática que permitiria a existência de “buracos brancos” (um hipotético análogo contrário do buraco negro, com uma força gravitacional repulsiva ao invés de atrativa), levando-o a imaginar que as entradas de um buraco negro e um buraco branco poderiam ser conectadas por um túnel — apesar de uma série de problemas que detalharemos mais no final desse artigo.

Essa ideia foi revisitada muitos anos mais tarde pelo próprio Albert Einstein e seu amigo Nathan Rosen. Einstein passou as últimas décadas de sua vida atrás de uma teoria que unificava a relatividade geral e o eletromagnetismo, que Einstein chamou de teoria do campo unificado. Einstein nunca conseguiu chegar numa solução, mas nesse meio tempo uma de suas ideias propondo a existência de “pontes” no espaço-tempo foi publicada por ele e seu colega em 1935. Essas pontes conectariam dois pontos diferentes no espaço-tempo criando, teoricamente, um atalho que poderia reduzir a distância e o tempo de viagem. Uma nave que entrasse de um lado do “portal” poderia sair em qualquer lugar do Universo. Esses atalhos passaram a ser chamados de pontes de Einstein-Rosen, ou buracos de minhoca (do inglês, wormhole).

BÔNUS: Quer ler o artigo original de Einstein e Rosen, intitulado “The Particle Problem in the General Theory of Relativity”, publicado em 1935? Baixe o PDF aqui!

Na relatividade geral, uma massa extremamente densa curva o espaço-tempo ao seu redor de uma maneira que foi calculada por Karl Schwarzschild em 1916. A solução de Schwarzschild tem singularidades matemáticas tanto em zero quanto no chamado raio de Schwarzschild — esse é o princípio básico que previu a existência dos buracos negros. Qualquer informação que ultrapasse o raio de Schwarzschild é perdida para sempre. Essa fronteira é o horizonte de eventos de um buraco negro. Mas Einstein e Rosen propuseram uma reinterpretação da solução Schwarzschild que evita essas singularidades.

Ao invés de tentar cruzar o horizonte de eventos de Schwarzschild e cair até o centro da singularidade, Albert Einstein e Nathan Rosen mostraram como combinar o caminho em outra trilha que emerge novamente, mas em uma seção separada do espaço-tempo. Imagine formas de funil projetadas de duas folhas de borracha adjacentes e conectadas em seus gargalos, fornecendo um caminho em forma de tubo de uma superfície para a outra. Essa construção faz uma conexão suave (ou ponte) entre duas partes distintas do espaço-tempo: um buraco de minhoca. O grande trunfo da teoria é que esse buraco de minhoca poderia ser transitável por uma nave espacial, reduzindo distâncias e, consequentemente, o tempo de viagem para outros sistemas estelares (ou até outras galáxias).

Mas temos aqui um gigantesco problema…

Implicações

Outros trabalhos teóricos mostraram que o “buraco de minhoca” de Einstein-Rosen não é, ao contrário do que parece, uma estrutura estável. Para um observador que tentasse passar, o buraco de minhoca se abriria e fecharia tão rápido que nem mesmo um fóton conseguiria atravessá-lo. Trabalhos posteriores sugeriram que formas exóticas de energia ou de matéria atreladas a um buraco de minhoca podem mantê-lo aberto, mas ainda não está claro se tais arranjos são fisicamente viáveis.

Ah, não confunda matéria exótica com antimatéria ou matéria escura!

A matéria exótica é um tipo de matéria contém densidade de energia negativa e uma grande pressão negativa. Essa matéria exótica criaria uma força gravitacional repulsiva, ao invés de atrativa (interessante, não?). Tal matéria só foi vista no comportamento de certos estados de vácuo como parte da teoria quântica de campos.

Mas ainda sim é importante enfatizar que os buracos de minhoca são objetos totalmente hipotéticos, e nenhum físico acredita que encontraremos e provaremos algum desses em um momento próximo. No entanto, essa teoria demonstra como a complexidade matemática da relatividade geral foi capaz de gerar dificuldades até mesmo para seu criador.