¿Cómo darte la mano a ti mismo, que ha volado desde el futuro? ¿Por qué un león puede materializarse de repente en tu habitación? ¿Cómo llegar a otro Universo, visitar una máquina del tiempo y qué es un "agujero blanco"? Sergey Krasnikov, investigador principal del Laboratorio de Física Estelar del Observatorio Principal (Pulkovo), habló sobre esto.
Sergey Vladilenovich, ¿qué es un agujero de gusano?
- No hay una definición muy estricta. Tales definiciones son necesarias cuando se prueban algunos teoremas, pero casi no hay teoremas rigurosos, por lo tanto, se limitan principalmente a conceptos figurativos, imágenes. Imagine que sacamos una bola de nuestro espacio tridimensional en una habitación y sacamos exactamente la misma bola en otra habitación, y pegamos los límites resultantes de estos agujeros.
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Por lo tanto, cuando entremos en una habitación dentro de esta bola anterior, que se ha convertido en un agujero, saldremos a otra habitación, de un agujero que se formó en lugar de otra bola. Si nuestro espacio no fuera tridimensional, sino bidimensional, se vería como una hoja de papel a la que se pega un bolígrafo. El análogo tridimensional y su desarrollo con el tiempo se llama agujero de gusano.
¿Cómo se estudian los agujeros de gusano?
- Esta es una actividad puramente teórica. Nadie ha visto nunca agujeros de gusano y, en general, no hay certeza de que existan. Comenzaron a estudiar los agujeros de gusano, partiendo de la pregunta: ¿existen tales mecanismos en la naturaleza que nos garanticen que tales agujeros en la naturaleza no pueden existir? Estos mecanismos no se encontraron, por lo que podemos asumir que los agujeros de gusano son un fenómeno real.
¿Es posible, en principio, ver un agujero de gusano?
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- Por supuesto. Si en una habitación cerrada de repente sales de la nada a una persona, entonces observas un agujero de gusano. Los agujeros de gusano como objeto de estudio fueron inventados y promovidos por el físico teórico estadounidense John Wheeler, quien con su ayuda quiso explicar, ni más ni menos, las cargas eléctricas. Déjanos explicarte. Describir un campo eléctrico libre desde el punto de vista de la física teórica no es una tarea muy difícil.
Pero es muy difícil describir una carga eléctrica desde el mismo punto de vista. Una carga eléctrica aparece en este sentido como algo muy misterioso: una sustancia, separada del campo, de origen desconocido, y no está claro cómo manejarla en la física clásica. La idea de Wheeler fue la siguiente. Digamos que tenemos un agujero de gusano microscópico, que está plagado de líneas de fuerza: por un extremo, estas líneas entran en él y por el otro salen.
Un observador externo que no sepa que estos dos extremos están conectados por líneas de fuerza, tal objeto lo percibirá como una simple esfera en el espacio, examinará el campo a su alrededor y se verá como el campo de una carga puntual. Solo el observador pensará que se trata de una especie de sustancia misteriosa que tiene una carga, etc., y todo porque no sabe que en realidad es un agujero de gusano.
Por supuesto, esta es una idea muy elegante, y muchos han intentado desarrollarla, pero no han avanzado mucho, porque los electrones son, después de todo, objetos cuánticos y, naturalmente, nadie sabe cómo describir los agujeros de gusano a nivel cuántico. Pero si asumimos que la hipótesis es correcta, entonces los agujeros de gusano son más que un fenómeno cotidiano, todo lo que está asociado con la electricidad finalmente estará ligado a ellos.
La materia exótica es un concepto clásico de la física que describe cualquier sustancia (generalmente hipotética) que viola una o más condiciones clásicas, o que no consta de bariones conocidos. Estas sustancias pueden tener cualidades tales como densidad de energía negativa o repeler en lugar de atraer debido a la gravedad. La materia exótica se utiliza en algunas teorías, como la teoría de la estructura de los agujeros de gusano. El representante más famoso de la materia exótica es el vacío en la región con presión negativa producido por el efecto Casimir.
¿Qué tipo de agujeros de gusano hay?
- Desde el punto de vista del recorrido teórico, existen agujeros de gusano transitables e intransitables. Los intransitables son aquellos a través de los cuales se destruye el pasaje, y esto sucede tan rápido que ningún objeto simplemente tiene tiempo para ir de un extremo al otro. Por supuesto, el más interesante para el estudio es el segundo tipo de agujeros de gusano: pasable. Incluso hay una hermosa teoría que dice que lo que solíamos considerar como agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias son en realidad las bocas de los agujeros de gusano. Esta teoría está casi sin desarrollar y, naturalmente, aún no ha encontrado ninguna confirmación, existe, más bien, como una especie de idea. Su esencia es que fuera del agujero de gusano solo ves que en el centro de la galaxia hay un determinado objeto esféricamente simétrico, pero no puedes decir qué es: un agujero de gusano o un agujero negro.porque estás fuera de este objeto.
De hecho, solo se pueden distinguir por un parámetro: la masa. Si la masa resulta ser negativa, lo más probable es que se trate de un agujero de gusano, pero si la masa es positiva, entonces se necesita información adicional, porque el agujero negro puede resultar ser un agujero de gusano. La masa negativa en general es uno de los momentos centrales de toda la historia del agujero de gusano. Porque para ser transitable, un agujero de gusano debe llenarse con lo que se llama una sustancia exótica, una sustancia en la que, al menos en algunos lugares, en algunos puntos, la densidad de energía es negativa.
En el nivel clásico, nadie ha visto nunca una sustancia así, pero sabemos con certeza que, en principio, puede existir. Se han registrado efectos cuánticos que conducen a la aparición de dicha sustancia. Este es un fenómeno bastante conocido y se llama efecto Casimir. Fue registrado oficialmente. Y está relacionado precisamente con la existencia de densidad de energía negativa, lo cual es muy inspirador.
El efecto Casimir es un efecto que consiste en la atracción mutua de cuerpos conductores sin carga bajo la influencia de fluctuaciones cuánticas en el vacío. La mayoría de las veces, estamos hablando de dos superficies de espejo paralelas sin carga ubicadas a una distancia cercana, pero el efecto Casimir también existe para geometrías más complejas. La razón del efecto son las fluctuaciones de energía del vacío físico debido a la constante creación y desaparición de partículas virtuales en él. El efecto fue predicho por el físico holandés Hendrik Casimir en 1948 y luego confirmado experimentalmente.
En general, en la ciencia cuántica, la densidad de energía negativa es algo bastante común, con lo que, por ejemplo, se asocia la evaporación de Hawking. Si existe tal densidad, podemos hacer la siguiente pregunta: ¿qué tamaño tiene la masa del agujero negro (el parámetro del campo gravitacional creado por él)? Hay una solución a este problema que es aplicable a los agujeros negros, es decir, objetos con masa positiva, y hay una solución que es aplicable a una masa negativa.
Si hay suficiente materia exótica en el agujero de gusano, la masa exterior de este objeto será negativa. Por tanto, uno de los principales tipos de "observación" de los agujeros de gusano es el seguimiento de objetos en relación con los cuales se puede suponer que tienen una masa negativa. Y si encontramos un objeto así, entonces con un grado de probabilidad bastante alto podemos decir que se trata de un agujero de gusano.
Los agujeros de gusano también se dividen en intramundo e intermundo. Si destruimos el túnel entre las dos bocas del segundo tipo de agujeros, podremos ver dos universos completamente desvinculados. Tal agujero de gusano se llama intermundo. Pero si hacemos lo mismo y vemos que todo está bien, nos quedamos en el mismo Universo, entonces tenemos un agujero de gusano intramundo. Estos dos tipos de agujeros de gusano tienen mucho en común, pero también hay una diferencia importante. El hecho es que el agujero de gusano intramundo, si existe, tiende a convertirse en una máquina del tiempo. En realidad, fue en el contexto de esta suposición que surgió la última oleada de interés en los agujeros de gusano.
En el caso de un agujero de gusano intramundo, hay dos formas diferentes de mirar a un vecino: directamente a través del túnel o de forma indirecta. Si comienza a mover una boca de un agujero de gusano en relación con la otra, entonces, de acuerdo con la conocida paradoja de los gemelos, la segunda persona, que regresa del viaje, será más joven que la restante. Por otro lado, cuando miras por el túnel, ambos están sentados en laboratorios inmóviles, desde su punto de vista, no pasa nada, sus relojes están sincronizados. Así, tienes la oportunidad teórica de sumergirte en este túnel y salir en un momento que, desde el punto de vista de un observador externo, precede al momento en que te sumergiste. El retraso llevado a un grado apropiado dará lugar a la posibilidad de un viaje circular en el espacio-tiempo,cuando regrese a su punto de partida original y estreche la mano de su encarnación anterior.
La paradoja de los gemelos es un experimento mental con el que intentan "probar" la inconsistencia de la teoría especial de la relatividad. Según SRT, desde el punto de vista de los observadores "estacionarios", todos los procesos de objetos en movimiento se ralentizan. Por otro lado, el principio de relatividad declara la igualdad de los marcos de referencia inerciales. Sobre esta base se construye el razonamiento que conduce a una aparente contradicción. Para mayor claridad, se considera la historia de dos hermanos gemelos. Uno de ellos (el viajero) realiza un vuelo espacial y el segundo (que se queda en casa) permanece en la Tierra. Muy a menudo, la "paradoja" se formula de la siguiente manera:
Desde el punto de vista de un adicto a la televisión, el reloj de un viajero en movimiento tiene un paso del tiempo lento, por lo que al regresar debe retrasarse con respecto al reloj de un adicto a la televisión. Por otro lado, la Tierra se estaba moviendo en relación con el viajero, por lo que el reloj de la persona hogareña debería retrasarse. De hecho, los hermanos son iguales, por lo tanto, después de regresar, sus relojes deben mostrar la misma hora. Sin embargo, según el SRT, el reloj del viajero se quedará rezagado. Esta violación de la aparente simetría de los hermanos se ve como una contradicción.
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¿Cuál es la diferencia fundamental entre un agujero de gusano y un agujero negro?
- En primer lugar, debo decir que hay dos tipos de agujeros negros: los que se formaron como consecuencia del colapso de las estrellas, y los que existieron inicialmente, surgieron con la aparición del propio Universo. Estos son dos tipos de agujeros negros fundamentalmente diferentes. Hubo un tiempo en que existía un concepto como "agujero blanco", ahora rara vez se usa. Un agujero blanco es el mismo negro, pero evoluciona hacia atrás en el tiempo. La materia simplemente vuela hacia un agujero negro, pero nunca puede escapar de allí. De un agujero blanco, por el contrario, la materia solo sale volando, pero no puedes entrar de ninguna manera. De hecho, esto es algo muy natural si recordamos que la Teoría General de la Relatividad es simétrica en el tiempo, lo que significa que si hay agujeros negros, también deben existir agujeros blancos. Su totalidad es un agujero de gusano.
¿Qué se sabe sobre la estructura interna de los agujeros de gusano?
- Hasta ahora, en este sentido, solo se están construyendo modelos. Por un lado, sabemos que la aparición de esta materia exótica puede haber sido descubierta incluso de forma experimental, y aún quedan muchas preguntas. El único modelo de un agujero de gusano que conozco que es más o menos consistente con la realidad es el modelo de un agujero de gusano en evaporación inicial (desde el comienzo del Universo). Debido a esta evaporación, dicho agujero permanece transitable durante mucho tiempo.
¿En qué estás trabajando exactamente?
- Me dedico a una actividad puramente teórica, lo que generalmente se puede llamar la estructura causal del espacio-tiempo es la Teoría de la Relatividad clásica, a veces semiclásica (la cuántica, como sabes, aún no existe).
En la teoría clásica no relativista, se puede encontrar evidencia suficientemente convincente de que el viaje en el tiempo no puede existir, pero en la relatividad general no existe tal evidencia. Y Einstein, cuando estaba desarrollando su teoría, era consciente de esto. Se pregunta si hay alguna forma de excluir esta posibilidad. Entonces no hizo frente a esta tarea, como él mismo dijo más tarde. Aunque Einstein creó un lenguaje para estudiar este tema, la tarea siguió siendo académica. El interés en él explotó a fines de la década de 1940 cuando Gödel propuso un modelo cosmológico que contenía tales curvas cerradas.
Pero como Gödel siempre ofreció algo exótico, reaccionaron con interés, pero sin consecuencias científicas graves. Y luego, a fines del siglo pasado, gracias principalmente a la ciencia ficción, por ejemplo, la película "Contact" con Jodie Foster, se revivió nuevamente el interés en el tema del viaje en el tiempo con la ayuda de agujeros de gusano. El autor de la novela, según la cual se escribió el guión de la película, es un astrónomo muy famoso, divulgador de la ciencia Carl Sagan.
Abordó el asunto con mucha seriedad y le pidió a su amigo, también un relativista muy famoso, Kip Thorne, que averiguara si todo lo descrito en la película era posible desde el punto de vista de la ciencia. Y publicó un artículo semi-popular en la revista para profesores de física estadounidenses "Los agujeros de gusano como herramienta para el estudio de la Teoría General de la Relatividad", donde consideró la posibilidad de viajar en el tiempo a través de agujeros de gusano.
Y debo decir que entonces en la ciencia ficción, la idea de viajar a través de agujeros negros era popular. Pero entendió que un agujero negro es un objeto absolutamente impenetrable: viajar a través de ellos es imposible, por lo que consideró los agujeros de gusano como una oportunidad para viajar en el tiempo. Aunque esto se sabía antes, pero por alguna razón la gente tomó sus conclusiones como una idea completamente nueva y se apresuró a investigarla. Además, se hizo hincapié en la presunción de que una máquina del tiempo no puede existir, pero decidimos averiguar por qué. Y rápidamente quedó claro que no había objeciones obvias a la existencia de tal máquina. Desde entonces, se han iniciado estudios a mayor escala y han comenzado a aparecer teorías. En general, desde entonces también he estado haciendo esto.
"Contact" es una película de ciencia ficción de 1997. Dirigida por Robert Zemeckis. Trama principal: Ellie Arroway (Judy Foster) dedicó toda su vida a la ciencia, se convierte en participante de un proyecto de búsqueda de inteligencia extraterrestre. Todos los intentos de buscar señales extraterrestres son infructuosos y el futuro de su proyecto está en juego. Ellie está desesperada por encontrar apoyo, pero inesperadamente recibe ayuda del excéntrico multimillonario Hadden. Y aquí está el resultado: Ellie capta la señal. La decodificación de señales muestra que contiene una descripción del dispositivo técnico. Su propósito no está claro, pero se planea un lugar para una persona en su interior.
Después de la creación y el lanzamiento del dispositivo, Ellie se embarca en un viaje a través del sistema de agujeros de gusano y es transportada, probablemente a un planeta en otro sistema estelar. Al despertar allí, a la orilla del mar, conoce a un representante de otra civilización, que eligió la imagen de su difunto padre. Mirando a su alrededor, la heroína se da cuenta de que esta área ha sido recreada por una mente alienígena en su mente en la imagen de un dibujo que hizo en la infancia. El extraterrestre le dice que el dispositivo le permite organizar un sistema de rutas de comunicación interestelar, y la Tierra a partir de ahora se convierte en miembro de la comunidad de civilizaciones del Universo.
Ellie regresa a la Tierra. Desde el punto de vista de los observadores externos, después del lanzamiento de la instalación, no le pasó nada y su cuerpo no abandonó nuestro planeta. Ellie se encuentra en una situación paradójica. Como científica, desde el punto de vista de la ciencia rigurosa, no puede confirmar de ninguna manera sus palabras. También se revela una circunstancia más: la cámara de video colocada a Ellie durante el viaje no registró nada, pero la duración de la grabación en blanco no fue de unos segundos, sino de 18 horas …
¿Es posible "hacer" un agujero de gusano?
- Sobre esto hay un resultado científico estricto. Esto se debe al hecho de que no existen resultados exactos sobre el estudio de los agujeros de gusano. Hay un teorema probado hace mucho tiempo, y dice lo siguiente. Existe la hiperbolicidad global. En este caso, no importa en absoluto lo que signifique, pero el punto es que mientras y dado que el espacio es globalmente hiperbólico, es imposible crear un agujero de gusano; puede existir en la naturaleza, pero no funcionará para hacerlo nosotros mismos.
Si logra romper la hiperbolicidad global, entonces tal vez pueda crear un agujero de gusano. Pero el hecho es que esta violación en sí misma es algo tan exótico, tan mal estudiado y mal entendido que el efecto secundario del nacimiento de un agujero de gusano ya es algo relativamente menor en comparación con el hecho mismo de que lograste violar la hiperbolicidad global.
Aquí está ocurriendo algo muy famoso, llamado el "principio de estricta censura cósmica", que dice que el espacio es siempre globalmente hiperbólico. Pero esto, en principio, no es más que un deseo. No hay evidencia de la corrección de este principio, solo hay una cierta confianza interna inherente en muchas personas de que el espacio-tiempo debería ser globalmente hiperbólico. Si es así, es imposible crear un agujero de gusano; debe buscar uno existente. Mientras tanto, el propio autor, Roger Penrose, expresó serias dudas sobre la fidelidad del principio de censura cósmica, pero esa es otra historia.
¿Es decir, crear un agujero de gusano requiere unos costes energéticos importantes?
- Es muy difícil decir algo aquí. El problema es que cuando se viola su hiperbolicidad global, al mismo tiempo se viola la previsibilidad; esto es prácticamente lo mismo. De alguna manera puede cambiar geométricamente el espacio a su alrededor, por ejemplo, tomar una bolsa y ponerla en otro lugar. Pero existen ciertos límites dentro de los cuales puede hacer esto, en particular, el límite impuesto por la previsibilidad. Por ejemplo, a veces puedes decir lo que sucederá en 2 segundos y otras no. El límite de lo que puede o no puede predecir se encuentra precisamente en la hiperbolicidad global. Si su espacio-tiempo es globalmente hiperbólico, puede predecir su evolución.
Si asumimos que en algún momento viola la hiperbolicidad global, todo se vuelve muy malo con la previsibilidad. Por tanto, surge una cosa asombrosa, por ejemplo, tal que aquí y ahora puede materializarse un agujero de gusano por el que saltará un león. Será un fenómeno exótico, pero no violará ninguna ley de la física. Por otro lado, puede gastar mucho esfuerzo, dinero y recursos para facilitar de alguna manera este proceso. Pero el resultado seguirá siendo el mismo: en ambos casos, no se sabe si aparecerá un agujero de gusano o no. En la física clásica, no podemos hacer nada al respecto; si quiere, lo hará, no lo quiere, no surgirá; la ciencia cuántica todavía no nos da ninguna pista al respecto.
El principio de "censura cósmica" fue formulado en 1969 por Roger Penrose en la siguiente forma figurativa: "La naturaleza aborrece una singularidad desnuda". Dice que las singularidades del espacio-tiempo aparecen en lugares que, como las regiones internas de los agujeros negros, están ocultos a los observadores. Este principio aún no ha sido probado y existen razones para dudar de su absoluta corrección (por ejemplo, el colapso de una nube de polvo con un gran momento angular conduce a una “singularidad desnuda”, pero no se sabe si esta solución de las ecuaciones de Einstein es estable con respecto a pequeñas perturbaciones de los datos iniciales).
La formulación de Penrose (una forma fuerte de censura cósmica) sugiere que el espacio-tiempo como un todo es globalmente hiperbólico.
Posteriormente, Stephen Hawking propuso una formulación diferente (una forma débil de censura cósmica), donde sólo se asume la hiperbolicidad global del componente "futuro" del espacio-tiempo.
Olga Fadeeva
