Agujero de gusano

Esquema de un agujero de gusano que técnicamente permite elviaje a través del tiempo.Si uno de los dos extremos del puente atravesado por la línea verde está en movimiento, seguir la ruta roja y volver al punto inicial según en sentido opuesto a la ruta verde podría permitir volver atrás en el tiempo, ya que el espacio-tiempo representado contendríacurvas temporales cerradas.

Enfísica,unagujero de gusano,también conocido comopuente deEinstein-Rosen,es una estructura hipotética asociada a unespacio-tiempocuyatopologíaesmúltiplemente convexa.Dicha estructura es una solución posible de lasecuaciones de campo de Einsteinde larelatividad general,que esencialmente consiste en un puente a través delespacioy eltiempo.Un agujero de gusano tiene por lo menos dos extremos conectados a una únicagarganta,a través de la cual podría desplazarse lamateria.Hasta la fecha no se ha hallado ninguna evidencia de que el espacio-tiempo conocido contenga estructuras de este tipo, por lo que en la actualidad es solo una posibilidad teórica en la física.

Cuando una estrellasupergigante rojaexplota, arroja materia al exterior, de modo que acaba siendo de un tamaño inferior y se convierte en unaestrella de neutrones.Pero también puede suceder que se comprima tanto que absorba su propiaenergíaen su interior y desaparezca dejando unagujero negroen el lugar que ocupaba. Este agujero tendría una gravedad tan grande que ni siquiera laradiación electromagnéticapodría escapar de su interior. Estaría rodeado por una frontera esférica, llamadahorizonte de sucesos.La luz traspasaría esta frontera para entrar, pero no podría salir, por lo que el agujero visto desde grandes distancias debería ser completamente negro (aunqueStephen Hawkingpostuló que ciertos efectos cuánticos generarían la llamadaradiación de Hawking). Dentro del agujero los astrofísicos conjeturan que se forma una especie de cono sin fondo. En 1994, eltelescopio espacial Hubbledetectó la presencia de uno muy denso en el centro de lagalaxia elíptica M87,pues la alta aceleración de gases en esa región indica que debe haber un objeto 3500 millones de veces más masivo que elSol.Finalmente, este agujero podría terminar por absorber a la galaxia entera.​

La hipótesis sugiere que, de un lado, hay un agujero negro que absorbe la materia, pero, por el otro lado, habría un agujero blanco que expulsaría todo lo que traga el negro.

El primer científico en advertir de la existencia de agujeros de gusano fue el austríacoLudwig Flamm,en 1916. En este sentido, la hipótesis del agujero de gusano es una actualización de ladecimonónicateoría de unacuarta dimensiónespacial que suponía —por ejemplo—, dado un cuerpotoroidalen el que se podían encontrar las tresdimensionesespaciales comúnmente perceptibles, una cuarta dimensión espacial que abreviara las distancias y, de esa manera, los tiempos de viaje. Esta noción inicial fue planteada de manera más científica en 1921 por el matemático alemánHermann Weyl,sin embargo, no usó el término "agujero de gusano" (habló de "tubos unidimensionales" ), cuando este relacionó sus análisis de lamasaen términos de laenergíade uncampo electromagnético​ con la teoría de la relatividad deAlbert Einsteinpublicada en 1916.

En la actualidad, lateoría de cuerdasadmite la existencia de más de tres dimensiones espaciales (verhiperespacio), pero esas dimensionesextraestarían compactadas a escalas subatómicas (según lateoría de Kaluza-Klein), por lo que parece muy difícil (si no imposible) aprovecharlas para emprender viajes en el espacio y el tiempo.

Origen del nombre

El término «agujero de gusano» fue introducido por el físico teórico estadounidenseJohn Wheeleren 1957 (inspirado en la obra de Hermann Weyl) y mediante un artículo coescrito conCharles Misner:​

Este análisis obliga a considerar situaciones... donde hay un flujo neto de líneas de fuerza, a través de lo que lostopólogosllamarían "descomposición toroidal" del espacio con múltiples conexiones, y qué los físicos tal vez podrían excusarse para denominar más vívidamente un "agujero de gusano".

Charles Misner y John Wheeler enAnnals of Physics

Proviene de la siguiente analogía usada para explicar el fenómeno: si eluniversoes la piel de unamanzana,y ungusanoviaja sobre su superficie, la distancia de un punto de la manzana a su antípoda es igual a la mitad de lacircunferenciade la manzana, siempre que el gusano permanezca sobre la superficie de ésta. Pero si en vez de esto, el gusano cavara un agujero directamente a través de la manzana, la distancia que tendría que recorrer sería considerablemente menor, ya que la distancia más cercana entre dos puntos es una línea recta que une a ambos.

Tipos de agujero de gusano

• Losagujeros de gusano del intrauniversoconectan 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, de manera que permitiría viajar entre ellas en un tiempo menor que el que tomaría hacer el viaje a través del espacio normal.
• Losagujeros de gusano del interuniversoasocian un universo con otro diferente y se denominan «agujeros de gusano de Schwarzschild». Esto permite especular sobre 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. En lateoría de cuerdas,un agujero de gusano es visto como la conexión entre dosD-branas,donde las bocas están asociadas a las branas y conectadas por un tubo de flujo. Se cree que los agujeros de gusano son una parte de laespuma cuánticao espaciotemporal.

Otra clasificación:

• Los agujeros de gusano euclídeos, estudiados en física de partículas.
• Losagujeros de gusano de Lorentz,principalmente estudiados en relatividad general y en gravedad semiclásica. Dentro de estos destacan losagujeros de gusano atravesables,un tipo especial de agujero de gusano de Lorentz que permitiría a un ser humano viajar de un lado al otro del agujero.

Hasta el momento se ha teorizado sobre diferentes tipos de agujeros de gusano, principalmente como soluciones matemáticas a la cuestión. Esencialmente, estos tipos de agujero de gusano son:

• El agujero de gusano de Schwarzschild supuestamente formado por unagujero negro de Schwarzschild,que se considera infranqueable.
• El agujero de gusano supuestamente formado por unagujero negro de Reissner-NordstrømoKerr-Newman,que resultaría franqueable, pero en una sola dirección, y que podría contener un agujero de gusano de Schwarzschild.
• El agujero de gusano deLorentz,que posee masa negativa y se estima franqueable en ambas direcciones (pasado y futuro).

Agujeros de gusano de Schwarzschild

Diagrama de un agujero de gusano de Schwarzschild.

Los agujeros de gusano de Lorentz, conocidos como agujeros de gusano de Schwarzschild o puentes de Einstein-Rosen, son nexos que unen áreas de espacio que puede ser modeladas como soluciones de vacío en las ecuaciones de campo de Einstein por unión de un modelo deagujero negroy uno deagujero blanco.Esta solución fue hallada porAlbert Einsteiny su compañeroNathan Rosen,que publicó primero el resultado en 1935. Sin embargo, en 1962,John A. WheeleryRobert W. Fullerpublicaron un artículo en el que divulgaban la demostración de que este tipo de agujero de gusano es inestable y se desintegraría instantáneamente 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 loscuásarespodían ser agujeros blancos, de modo que formaban las zonas terminales de los agujeros de gusano de este tipo. Sin embargo, investigaciones recientes descartan que los cuásares sean equiparables a losagujeros blancos.

Los agujeros de gusano de Schwarzschild inspiraron aKip Thornea imaginar el tránsito por ellos mediante la sujeción de sugargantay su apertura por medio de materia exótica (de masa y energía negativas).

Agujeros de gusano practicables

Imagen de un agujero de gusano practicable (que se puede atravesar) que conectaría el área frente al instituto de física de laUniversidad de Tubingacon las dunas próximas aBoulogne-sur-Mer,en el norte de Francia. La imagen ha sido recreada mediante unsoftwarede trazado de rayos en4D,en unamétrica de Morris-Thorne,aunque los efectos gravitatorios sobre la longitud de onda no se han simulado.​

Los agujeros de gusano practicables de Lorentz, también llamados atravesables, permitirían viajar no solo de una parte deluniversoa otra, sino incluso de un universo a otro. Los agujeros de gusano conectan dos puntos del espacio-tiempo, por lo que permitirían el viaje tanto en el espacio como en el tiempo. En la teoría de la relatividad general, la posibilidad de atravesar agujeros de gusano fue demostrada por primera vez porKip S. Thorney su graduadoMike Morrisen un artículo publicado en 1988. El tipo de agujero de gusano atravesable que ellos descubrieron se mantendría abierto por una especie de concha esférica demateria exóticadenominadaagujero de gusano de Morris-Thorne.Posteriormente se han descubierto otros tipos de agujeros de gusano atravesables, como uno que se mantiene abierto porcuerdas cósmicas,ya hipotetizado antes porMatt Visseren un artículo publicado en 1989.

Base teórica

Definición

La definicióntopológicade agujero de gusano no es nada intuitiva. Se dice que en una regióncompactadelespacio-tiempoexiste un agujero de gusano cuando suconjunto fronteraes trivial desde el punto de vista topológico, pero su interior no essimplemente conexo.Formalizar esta idea conduce a definiciones como la siguiente, tomada delLorentzian Wormholes,deMatt Visser:

Si unespacio-tiempo de Lorentzcontiene una región compacta Ω y si la topología de Ω es de la forma Ω ~ R x Σ, donde Σ es una 3-variedad de topología no trivial, cuyafronteratiene topología de la forma dΣ ~ S², y si además lashipersuperficiesΣ son detipo espacial,entonces la región Ω contiene un agujero de gusano intrauniversal cuasipermanente.

Caracterizar agujeros de gusano del interuniverso es más difícil. Por ejemplo, podemos imaginar un universorecién nacidoconectado a suprogenitorpor unombligoestrecho. Cabría considerar el ombligo como la garganta de un agujero de gusano, por la cual el espacio-tiempo está 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 lagravedad cuántica,que se obtiene al condensar la relatividad general con lamecánica cuántica,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 demateria extraña,una sustancia teórica que contiene energía de densidad negativa. Sin embargo, no ha sido matemáticamente probado que este sea un requisito absoluto para este tipo agujeros de gusano atravesados ni se ha establecido que la materia exótica no puede existir.

Aún no se sabe empíricamente si existen agujeros de gusano. Una solución a lasecuacionesde larelatividad general(tal como la que encontrara L. Flamm) que hiciera posible la existencia de un agujero de gusano sin el requisito de unamateria exótica—sustancia teórica que poseería una densidad deenergía negativa— no ha sido todavía verificada. Muchos físicos, incluidoStephen Hawking(con suconjetura de protección cronológica), consideran que a causa de lasparadojas(¿o acasoaporías?) unviaje en el tiempoa través de un agujero de gusano implicaría que existiera algo fundamental en las leyes de la física que impida tales fenómenos (vercensura cósmica).

En marzo de 2005,Amos Orivisualizó un agujero de gusano que permitía viajar en el tiempo sin requerir materia exótica y satisfaciendo todas las condiciones energéticas. La estabilidad de esta solución es incierta, por lo que sigue sin quedar claro si se requeriría una precisión infinita para que se formase y permitiese el viaje en el tiempo y si los efectos cuánticos 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 espacio-tiempo 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:​

$ds^{2}=-c^{2}{\text{d}}t^{2}+{\text{d}}l^{2}+(k^{2}+l^{2})({\text{d}}\theta ^{2}+\sin ^{2}\theta \,{\text{d}}\phi ^{2})$

Un tipo demétricade agujero de gusano no atravesado es lasolución de Schwarzschild:

$ds^{2}=-\left(1-{\frac {2GM}{c^{2}r}}\right){\text{d}}t^{2}+{\frac {{\text{d}}r^{2}}{1-{\cfrac {2GM}{c^{2}r}}}}+r^{2}({\text{d}}\theta ^{2}+\sin ^{2}\theta \,{\text{d}}\phi ^{2})$

representado por primera vez porElliscomo un caso especial dedrenaje de Ellis.

El puente de Einstein-Rosen se describió en un artículo publicado en julio de 1935.​​

Para la solución estática simétricamente esférica de Schwarzschild.

$ds^{2}=-{\frac {1}{1-{\frac {2m}{r}}}}dr^{2}-r^{2}(d\theta ^{2}+\sin ^{2}\theta \,d\phi ^{2})+(1-{\frac {2m}{r}})dt^{2}$

($ds$= momento apropiado,$c$= 1)

Si uno reemplaza$r$por$u$según $u^{2}=r-2m$

El espacio de cuatro dimensiones se describe matemáticamente mediante dos partes congruentes u "hojas", que corresponden a$u$> 0 y$u$< 0, que están unidas por un hiperplano$r=2m$o$u$= 0 en el que$g$desaparece. Llamamos a tal conexión entre las dos hojas un "puente" (autores=A. Einstein, N. Rosen, "The Particle Problem in the General Theory of Relativity" )

Para la combinación gravedad y electricidad, Einstein y Rosen derivaron la solución esférica simétrica de Schwarzschild

$\phi _{1}=\phi _{2}=\phi _{3}=0,\phi _{4}={\frac {\epsilon }{4}},$

$ds^{2}=-{\frac {1}{(1-{\frac {2m}{r}}-{\frac {\epsilon ^{2}}{2r^{2}}})}}dr^{2}-r^{2}(d\theta ^{2}+\sin ^{2}\theta \,d\phi ^{2})+(1-{\frac {2m}{r}}-{\frac {\epsilon ^{2}}{2r^{2}}})dt^{2}$

($\epsilon$= carga eléctrica)

Las ecuaciones de campo sin denominadores en el caso en que$m$= 0 se pueden escribir

$\phi _{\mu \nu }=\phi _{\mu,\nu }-\phi _{\nu,\mu }$

$g^{2}\phi _{\mu \nu;\sigma }g^{\nu \sigma }=0$

$g^{2}(R_{ik}+\phi _{i\ Alpha }\phi _{k}^{\ Alpha }-{\frac {1}{4}}g_{ik}\phi _{\ Alpha \beta }\phi ^{ab})=0$

Para eliminar las singularidades, si se reemplaza$r$por$u$según la ecuación:

$u^{2}=r^{2}-{\frac {\epsilon ^{2}}{2}}$

y con$m$= 0 se obtiene​​

$\phi _{1}=\phi _{2}=\phi _{3}=0,\phi _{4}=\epsilon /(u^{2}+{\frac {\epsilon ^{2}}{2}})^{\frac {1}{2}}$

$ds^{2}=-du^{2}-(u^{2}+{\frac {\epsilon ^{2}}{2}})(d\theta ^{2}+\sin ^{2}\theta \,d\phi ^{2})+({\frac {2u^{2}}{2u^{2}+\epsilon ^{2}}})dt^{2}$

La solución está libre de singularidades para todos los puntos finitos en el espacio de las dos hojas (autores=A. Einstein, N. Rosen, "The Particle Problem in the General Theory of Relativity" )

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 elhorizonte de sucesosde unagujero de gusano de Schwarzschild,que es similar a unagujero negro de Schwarzschild,pero con la peculiaridad de poseer, en vez de la región en que se debiera encontrar lasingularidadgravitacional (en el caso del agujero negro), un camino inestable hacia unagujero blancoque existiría en otrouniverso(véasemultiverso). Esta región es inaccesible en el caso de un agujero de gusano de Schwarzschild en cuanto que el puente entre el agujero negro y el blanco colapsaría siempre antes de que el observador tenga tiempo de atravesarlo. VéaseWhite Holes and Wormholespara una discusión más técnica y una animación que representa lo que un observador vería atravesando un agujero de gusano de Schwarzschild.

En teoría, un agujero de gusano podría permitir viajar en el tiempo a través del espacio-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. Ladilatación de tiemporelativista resultaría en una boca del agujero de gusano acelerada envejeciendo más lentamente que la boca estacionaria, visto por un observador externo, de forma parecida a lo que se observa en laparadoja 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 permanecerán 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 2017 y en la boca estacionaria marca el año 2013. De esta forma, un viajero que entrara por la boca acelerada en este momento saldría por la boca estacionaria cuando su reloj también marcara el año 2013, en la misma región del espacio pero cuatro años en el pasado. Tal configuración de agujeros de gusano permitiría a una partícula de laLínea de universodelespacio-tiempoformar un circuito espacio-temporal cerrado, conocido comocurva 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 características dehueco temporal.

Se considera que es prácticamente imposible convertir a un agujero de gusano en una «máquina del tiempo» de este modo. Algunos análisis usando aproximaciones semiclásicas que incorporan efectos cuánticos en la relatividad general señalan que una retroalimentación departículas virtualescircularían 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 laconjetura 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. Thornemantiene un debate al respecto en su libroAgujeros negros y tiempo curvo(Black Holes and Time Warps).​ También se ha descrito el denominadoAnillo Romano,una configuración formada por más 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 semiclásica, pero sin una teoría completa de lagravedad cuánticaaún no se puede saber si dicha aproximación semiclásica es aplicable en este caso.

Viajes a velocidades superiores a la de la luz

La relatividad especial solo tiene aplicaciónlocalmente.Los agujeros de gusano — si en efecto existiesen— permitirían teóricamente el viajesuperluminal(más rápido que la luz) asegurando que lavelocidad de la luzno 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 están 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 elexteriordel 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 máxima velocidad puede tomar más tiempo que cruzar por debajo de la montaña a través de un túnel a menor velocidad, ya que el recorrido es más corto.

Subatómicamente se hipotetiza la existencia de unaespuma cuánticao de unaespuma 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 unplasmadequarks-gluones).

Viaje interuniversal

Una posible resolución de las paradojas resultantes de los viajes en el tiempo a través de los agujeros de gusano se basa en lainterpretación de los muchos mundos.

En 1991,David Deutschdemostró que la teoría cuántica es totalmente coherente (en el sentido de que la llamadamatriz de densidadpuede estar libre de discontinuidades) en períodos de tiempo con curvas cerradas de tiempo.​ Sin embargo, más tarde se demostró que dicho modelo de curva de tiempo cerrado puede tener inconsistencias internas, ya que conducirá a fenómenos extraños como la distinción de estados cuánticos no ortogonales y la distinción de la mezcla adecuada e inadecuada.​​ Por consiguiente, se evita el bucle de retroalimentación positiva destructiva de partículas virtuales que circulan a través de una máquina de tiempo de agujero de gusano, un resultado indicado por cálculos semi-clásicos. Una partícula que regresa del futuro no regresa a su universo de origen sino a un universo paralelo. Esto sugiere que una máquina de tiempo de agujero de gusano con un salto de tiempo extremadamente corto es un puente teórico entre universos paralelos contemporáneos.​

Debido a que una máquina del tiempo de agujero de gusano introduce un tipo de no linealidad en la teoría cuántica, este tipo de comunicación entre universos paralelos es consistente con la propuesta deJoseph Polchinskide unteléfono Everett​ (llamado así porHugh Everett) en la formulación deSteven Weinbergde la mecánica cuántica no lineal.​

La posibilidad de comunicación entre universos paralelos se ha denominadoviajes interuniversales.​

Véase también

• Agujero negro
  • Agujero negro supermasivo
  • Microagujero negro
• Agujero negro de Schwarzschild
• Agujero negro en rotación
• Agujero blanco
• Espuma cuántica
• John Wheeler
• Kip S. Thorne
• Kepler 452b
• Gravastar
• Conjetura de protección cronológica
• Multiverso
• Espacio-Tiempo

Referencias

Bibliografía

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Enlaces externos

• La Física de los Viajes en el Tiempo a través de un Agujero de gusanoArchivadoel 21 de abril de 2018 enWayback Machine.por Raúl Isea.
• Creating a Traversable Wormholepor Mohammad Mansouryar(en inglés).
• ¿Qué es exactamente un agujero de gusano?respuesta de Richard F. Holman, William A. Hiscock y Matt Visser(en inglés).
• ¿Por qué agujeros de gusano?por Matt Visser(en inglés).
• Agujeros de gusano en la relatividad generalpor Soshichi Uchii(en inglés).
• Nuevos agujeros de gusano mejoradospor John G. Cramer(en inglés).
• Tiempo, viaje en el tiempo y agujeros de gusano atravesadosincluye un foro de discusión(en inglés).
• Agujeros blancos y agujeros de gusanopresenta una descripción de los agujeros de gusano de Schwarzschild con gráficos y animaciones, por Andrew J. S. Hamilton(en inglés).
• Wormhole on arxiv.org
• Scientific American Magazine (December 2005 Issue) WormholeUn juego sobre agujeros de gusano(en inglés).
• Wormhole MUD- A Sci-FiMulti-User Dungeon

• Datos:Q7544
• Multimedia:Wormholes/Q7544