AGUJERO DE GUSANO
En física, un agujero de gusano, también conocido como un puente
de Einstein-Rosen y en malas traducciones 'agujero de lombriz', es
una hipotética característica topológica del espacio-tiempo,
descrita por las ecuaciones de la relatividad específica, la cual es
esencialmente un 'atajo' a través del espacio y el tiempo. Un
agujero de gusano tiene por lo menos dos extremos, conectados a una
única 'garganta', pudiendo la materia 'desplazarse' de un
extremo a otro pasando a través de ésta.
El primer científico en advertir de la existencia de
agujeros de gusanos fue Ludwig Flamm en 1916. En este sentido la
hipótesis del agujero de gusano es una actualización de la
decimonónica teoría de una cuarta dimensión espacial que
suponía -por ejemplo- dado un cuerpo toroidal en el que se podían
encontrar las tres dimensiones espaciales comúnmente perceptibles, una
cuarta dimensión espacial que abreviara las distancias, y así los
tiempos de viaje. Esta noción inicial fue plasmada mas
científicamente en 1921 por el matematico Hermann Weyl en
conexión con sus analisis de la masa en términos de la
energía de un campo electromagnético.
En la actualidad la teoría de cuerdas admite la existencia de mas
de 3 dimensiones espaciales (ver hiperespacio), pero las otras dimensiones
espaciales estarían contractadas o compactadas a escalas
subatómicas (según la teoría de Kaluza-Klein) por lo que
parece muy difícil (diríase 'imposible') aprovechar
tales dimensiones espaciales 'extra' para viajes en el espacio y en
el tiempo.Origen del nombre
El término 'agujero de gusano' fue introducido por el
físico teórico norteamericano John Wheeler en 1957 y proviene de
la siguiente analogía, usada para explicar el fenómeno: imagine que
el universo es la cascara de una manzana, y un gusano viaja sobre su
superficie. La distancia desde un lado de la manzana hasta el otro es igual a
la mitad de la circunferencia de la manzana si el gusano permanece sobre la
superficie de ésta. Pero si en vez de esto, cavara un
agujero directamente a través de la manzana la distancia que
tendría que recorrer sería considerablemente menor, recordando la
afirmación que dice 'la distancia mas cercana entre dos
puntos es una línea recta que los une a ambos'.
Tipos de agujeros de gusano
Los agujeros de gusano del
intra-universo conectan una posición de un universo con otra
posición del
mismo universo en un tiempo diferente. Un agujero de
gusano debería poder conectar posiciones distantes en el universo por
plegamientos espaciotemporales, permitiendo viajar entre ellas en menor tiempo del que tomaría
hacer el viaje a través de espacio normal.
Los agujeros de gusano del inter-universo asocian un
universo con otro diferente y son denominados agujeros de gusano de Schwarzschild.
Esto nos permite especular si tales agujeros de gusano podrían usarse
para viajar de un universo a otro paralelo. Otra
aplicación de un agujero de gusano
podría ser el viaje en el tiempo. En ese caso
sería un atajo para desplazarse de un punto espaciotemporal a otro
diferente. En la teoría decuerdas un agujero de
gusano es visualizado como
la conexión entre dos D-branas, donde las bocas estan asociadas a
las branas y conectadas por un tubo de flujo. Se cree
que los agujeros de gusano son una parte de la espuma cuantica o
espaciotemporal.
Otra clasificación:
* Los agujeros de gusano Euclídeos, estudiados en física de
partículas.
* Los agujeros de gusano de Lorentz, son principalmente estudiados en
relatividad general y en gravedad semiclasica.
* Los agujeros de gusano atravesables son un tipo
especial de agujero de gusano de Lorentz que permitiría a un humano
viajar de un lado al otro del
agujero.
De momento existen teóricamente diferentes tipos de agujeros de gusanos
que son principalmente soluciones matematicas a la cuestión:
El supuestamente formado por un agujero negro de Schwarzschild, este
'agujero de gusano de Schwarzschild' producido por un agujero negro
de Schwarzschild se considera infranqueable;
El agujero de gusano supuestamente formado por un agujero negro de
Reissner-Nordstrøm o Kerr-Newman, resultaría franqueable pero en
una sola dirección, pudiendo contener un 'agujero de gusano de
Schwarzschild';
El agujero de gusano de Lorentz posee masa negativa y se hipotetiza como
franqueable en ambas direcciones (pasado/futuro).
Agujeros de gusano de Schwarzschild
conocidos como agujeros
de gusano de Schwarzschild, o puentes de Einstein-Rosen, son nexos que unen
areas de espacio que puede ser modeladas como soluciones de vacío en las
ecuaciones de campo de Einstein, por unión deun modelo de un agujero
negro y un modelo de un agujero blanco. Esta solución
fue hallada por Albert Einstein y su colega Nathan Rosen, que publicó
primero el resultado en 1935. Sin embargo, en 1962, John A. Wheeler y Robert
W. Fuller publicaron un artículo demostrando
que este tipo de agujero de gusano es inestable, y se desintegraría
instantaneamente tan pronto como
se formase.
Antes de que los problemas de estabilidad de los agujeros de gusano de
Schwarzschild se hiciesen evidentes, se propuso que los quasares
podían ser agujeros blancos, formando así las zonas terminales de
los agujeros de gusano de este tipo, sin embargo investigaciones mas
recientes descartan a los quasares como equiparables a los agujeros
blancos.
Mientras los agujeros de gusano de Schwarzschild no sean atravesados, su
existencia inspiró a Kip Thorne a imaginar agujeros de gusano
atravesados creados por la sujeción de la 'garganta' de un
agujero de gusano de Schwarzschild abierto con materia exótica (materia
que tiene masa/energía negativa).
Agujeros de gusano atravesables
Los agujeros de gusano atravesables de Lorentz permitirían viajar de una
parte del Universo a otra de ese mismo Universo muy
deprisa o permitirían el viaje de un Universo a otro. Los agujeros de
gusano conectan dos puntos del
espacio-tiempo, lo cual quiere decir que permitirían el viaje en el
tiempo así como
también en espacio. La posibilidad de agujeros de gusano atravesados en
la relatividad general fue primero demostrada por Kip S. Thorne y su graduado
MikeMorris en un artículo publicado en 1988. El
tipo de agujero de gusano atravesado que ellos descubrieron, se mantenía
abierto por una especie de concha esférica de materia exótica,
denominado como
agujero de gusano de Morris-Thorne . Posteriormente se
han descubierto otros tipos de agujeros de gusano
atravesados como posibles soluciones en la
relatividad general, como
un tipo de agujero que se mantiene abierto por cuerdas cósmicas, el cual
ya fue predicho por Matt Visser en un artículo publicado en 1989.
Base teórica
La definición topológica de agujero de gusano no es intuitiva. Se
dice que en una región compacta del espacio-tiempo existe un
agujero de gusano cuando su conjunto frontera es topológicamente trivial
pero cuyo interior no es simplemente conexo. Formalizar esta idea conduce a
definiciones como la siguiente, tomada del Lorentzian Wormholes de Matt Visser:
Si un espacio-tiempo de Lorentz contiene una región compacta Ω y si
la topología de Ω es de la forma Ω ~ R x Σ, donde Σ
es una de las tres formas múltiples de topología poco trivial,
cuya frontera tiene topología de la forma dΣ ~ S², y si
ademas las hipersuperficies Σ son de tipo espacial, entonces, la
región Ω contiene un agujero de gusano intra-universal cuasipermanente.
Caracterizar agujeros de gusano del inter-universo es mas
difícil. Por ejemplo, podemos imaginar un universo 'recién
nacido' conectado a su 'universo progenitor' por un
'ombligo' estrecho. Cabría considerar el ombligo como
la garganta de un agujero de gusano, por la cual elespacio-tiempo esta
conectado.
Plausibilidad
Se sabe que los agujeros de gusano de Lorentz son posibles dentro de la
relatividad general, pero la posibilidad física de estas soluciones es
incierta. Incluso, se desconoce si la teoría de
la gravedad cuantica que se obtiene al condensar la relatividad general
con la mecanica cuantica, permitiría la existencia de
estos fenómenos. La mayoría de las soluciones conocidas de
la relatividad general que permiten la existencia de agujeros de gusano
atravesados requieren la existencia de materia extraña, una sustancia
teórica que tiene densidad negativa de energía. Sin embargo, no
ha sido matematicamente probado que éste sea un
requisito absoluto para este tipo agujeros de gusano atravesados, ni ha sido
establecido que la materia exótica no pueda existir.
No se sabe aún (2010) empíricamente si existen agujeros de
gusano. Una solución a las ecuaciones de la Relatividad General (tal como
la que hiciera L. Flamm) que pudiera hacer posible la existencia de un agujero
de gusano sin el requisito de una materia exótica — sustancia
teórica que poseería una densidad de energía
negativa— no ha sido todavía verificada. Muchos físicos,
incluido Stephen Hawking ( con su conjetura de
protección cronológica de Hawking) consideran que a causa de las
paradojas, (¿o acaso aporías?), que un viaje en el tiempo a
través de un agujero de gusano implicaría que existiría
algo fundamental en las leyes de la física que impide tales
fenómenos (ver censura cósmica).
En marzo de 2005, Amos Ori visualizóun agujero de
gusano que permitía viajar en el tiempo, sin precisar materia
exótica y satisfaciendo todas las condiciones energéticas.
La estabilidad de esta solución es incierta, por lo que sigue sin estar
claro si se requeriría una precisión infinita para que se formase
y permitiese el viaje en el tiempo, y también si los efectos
cuanticos protegerían la secuencia cronológica del
tiempo en este caso.
Métrica de los agujeros de gusano
Las teorías sobre la métrica de los agujeros de gusano describen
la geometría del espaciotiempo de un agujero de
gusano y sirven de modelos teóricos para el viaje en el tiempo. Un
ejemplo simple de la métrica de un agujero de gusano atravesado
podría ser el siguiente:
Un tipo de métrica de agujero de gusano no atravesado es la
solución de Schwarzschild:
Agujeros de gusano y viajes en el tiempo
Interpretación artística de un agujero de gusano como debiera ser
visto por un observador que estuviera atravesando el horizonte de sucesos de un
agujero de gusano de Shwarzschild, el cual es similar a un agujero negro de
Schwarzschild pero con la característica de poseer en
substitución de la región en que se debiera encontrar la
singularidad gravitacional (en el caso del agujero negro) un camino inestable
hacia un agujero blanco que existiría en otro universo (véase
multiverso). Esta región es inaccesible en el caso de un
agujero de gusano de Schwarzschild, en cuanto el puente entre el agujero negro
y el agujero blanco colapsaría siempre antes de que el observador tenga
tiempo deatravesarlo. Véase White Holes and Wormholes para una
discusión mas técnica y una animación que
representa lo que un observador podría ver
cayendo en un agujero de gusano de tipo Schwarzschild.Un agujero de gusano
podría permitir en teoría el viaje en el tiempo. Esto
podría llevarse a cabo acelerando el extremo final de un
agujero de gusano a una velocidad relativamente alta respecto de su otro
extremo. La dilatación de tiempo relativista resultaría en una
boca del
agujero de gusano acelerada envejeciendo mas lentamente que la boca
estacionaria, visto por un observador externo, de forma parecida a lo que se
observa en la paradoja de los gemelos. Sin embargo, el tiempo pasa diferente a
través del
agujero de gusano respecto del exterior, por
lo que, los relojes sincronizados en cada boca permaneceran
sincronizados para alguien viajando a través del agujero de gusano, sin importar cuanto
se muevan las bocas. Esto quiere decir que cualquier cosa que entre por la boca
acelerada del
agujero de gusano podría salir por la boca estacionaria en un punto
temporal anterior al de su entrada si la dilatación de tiempo ha sido
suficiente.
Por ejemplo, supongamos que dos relojes en ambas bocas muestran el año
2000 antes de acelerar una de las bocas y, tras acelerar una de las bocas hasta
velocidades cercanas a la de la luz, juntamos ambas
bocas cuando en la boca acelerada el reloj marca el año 2010 y en la
boca estacionaria marca el año 2005. De esta forma, un
viajero que entrara por la boca acelerada en este momento saldría porla
boca estacionaria cuando su reloj también marcara el año 2005, en
la misma región del
espacio pero cinco años en el pasado. Tal configuración de
agujeros de gusano permitiría a una partícula de la Línea de universo del
espacio-tiempo formar un circuito espacio-temporal cerrado, conocido como curva cerrada de
tipo tiempo. El curso a través de un agujero de
gusano a través de una curva cerrada de tipo tiempo hace que un agujero
de gusano tenga caraterísticas de hueco temporal.
Se considera que es practicamente imposible convertir a un agujero de gusano en una 'maquina del tiempo' de este
modo. Algunos analisis usando aproximaciones semiclasicas que
incorporan efectos cuanticos en la relatividad general señalan
que una retroalimentación de partículas virtuales
circularían a través del agujero de gusano con una
intensidad en continuo aumento, destruyéndolo antes de que cualquier
información pudiera atravesarlo, de acuerdo con lo que postula la
conjetura de protección cronológica. Esto ha sido puesto en duda,
sugiriendo que la radiación se dispersaría después de
viajar a través del agujero de gusano, impidiendo
así su acumulación infinita. Kip S. Thorne mantiene un debate al
respecto en su libro Agujeros negros y tiempo curvo (Black Holes and Time
Warps).[2] También se ha descrito el denominado
Anillo Romano, una configuración formada por mas de un agujero de
gusano. Este anillo parece permitir una línea de tiempo cerrado con
agujeros de gusano estables cuando es analizado bajo el prisma de la gravedad
semiclasica,pero sin una teoría completa de la gravedad
cuantica aún no se puede saber si dicha aproximación
semiclasica es aplicable en este caso.
Viajes superiores a la velocidad de la luz
La relatividad especial sólo tiene aplicación localmente. Los
agujeros de gusano — si en efecto existiesen— permitirían
teóricamente el viaje superluminal (mas rapido que la luz) asegurando que la velocidad de la luz no es excedida
localmente en ningún momento. Al viajar a través de un agujero de gusano, las velocidades son subluminales (por
debajo de la velocidad de la luz). Si dos puntos estan conectados por un agujero de gusano, el tiempo que se tarda en atravesarlo
sería menor que el tiempo que tarda un rayo de luz en hacer el viaje por
el exterior del
agujero de gusano. Sin embargo, un rayo de luz
viajando a través del
agujero de gusano siempre alcanzaría al viajero. A modo de
analogía, rodear una montaña por el costado hasta el lado opuesto
a la maxima velocidad puede tomar mas tiempo que cruzar por
debajo de la montaña a través de un túnel a menor
velocidad, ya que el recorrido es mas corto.
Subatómicamente se hipotetiza la existencia de una espuma
cuantica o de una espuma de espacio-tiempo, avanzando con la conjetura,
se hipotetiza la posibilidad de existencia de agujeros de gusano en la misma,
aunque si estos existieran serían altamente inestables y solo se
podrían estabilizar invirtiendo enormes cantidades de energía
(por ejemplo con aceleradores de partículas gigantescos que puedan crear
un plasma de quarks-gluones).
