Găurile de vierme sunt adesea imaginate ca tuneluri prin spațiu sau timp — scurtături prin univers. Dar această imagine se bazează pe o neînțelegere a lucrărilor fizicienilor Albert Einstein și Nathan Rosen.
În 1935, studiind comportamentul particulelor în regiuni cu gravitație extremă, Einstein și Rosen au introdus ceea ce au numit un „pod”: o legătură matematică între două copii perfect simetrice ale spațiu-timpului. Nu era conceput ca un pasaj pentru călătorii, ci ca o modalitate de a menține consistența dintre gravitație și fizica cuantică. Abia mai târziu podurile Einstein–Rosen au fost asociate cu găurile de vierme, deși au puține în comun cu ideea originală.
Dar eu și colegii mei arătăm că podul original Einstein–Rosen indică ceva mult mai ciudat — și mai fundamental — decât o gaură de vierme.
Enigma la care lucrau Einstein și Rosen nu avea legătură cu călătoria în spațiu, ci cu modul în care câmpurile cuantice se comportă în spațiu-timp curbat. Interpretat astfel, podul Einstein–Rosen acționează ca o oglindă în spațiu-timp: o legătură între două săgeți microscopice ale timpului.
Mecanica cuantică descrie natura la cele mai mici scări, precum particulele, în timp ce teoria relativității generale a lui Einstein se aplică gravitației și spațiu-timpului. Reconcilierea celor două rămâne una dintre cele mai profunde provocări ale fizicii. Iar reinterpretarea noastră ar putea oferi un drum spre această unificare.
Un moștenire înțeleasă greșit
Interpretarea de „gaură de vierme” a apărut decenii după lucrările lui Einstein și Rosen, când fizicienii au speculat despre trecerea dintr-o parte în cealaltă a spațiu-timpului, cel mai notabil în cercetări din anii '80.
Dar chiar acele analize au arătat cât de speculativă era ideea: în cadrul relativității generale, o astfel de călătorie este interzisă. Podul se strânge mai repede decât ar putea trece lumina prin el, făcându-l netraversabil. Podurile Einstein–Rosen sunt, așadar, instabile și neobservabile — structuri matematice, nu portaluri.
Cu toate acestea, metafora găurii de vierme a înflorit în cultura populară și în fizica teoretică speculativă. Ideea că găurile negre ar putea conecta regiuni îndepărtate ale cosmosului — sau chiar ar putea funcționa ca mașini ale timpului — a inspirat nenumărate articole, cărți și filme.
Totuși, nu există dovezi observaționale pentru găuri de vierme macroscopice, nici vreo justificare teoretică solidă pentru a le aștepta în teoria lui Einstein. Deși extensii speculative ale fizicii — precum forme exotice de materie sau modificări ale relativității generale — au fost propuse pentru a susține asemenea structuri, acestea rămân netestate și extrem de ipotetice.
Două săgeți ale timpului
Lucrarea noastră recentă reanalizează enigma podului Einstein–Rosen folosind o interpretare cuantică modernă a timpului, construită pe idei dezvoltate de Sravan Kumar și João Marto.
Majoritatea legilor fundamentale ale fizicii nu fac diferența între trecut și viitor sau între stânga și dreapta. Dacă timpul sau spațiul sunt inversate în ecuațiile lor, legile rămân valabile. Luând aceste simetrii în serios, obținem o altă interpretare a podului Einstein–Rosen.
Mai degrabă decât un tunel prin spațiu, el poate fi înțeles ca două componente complementare ale unei stări cuantice. Într-una, timpul curge înainte; în cealaltă, curge invers din poziția sa oglindită.
Această simetrie nu este o preferință filosofică. Odată ce infinitățile sunt excluse, evoluția cuantică trebuie să rămână completă și reversibilă la nivel microscopic — chiar și în prezența gravitației.
„Podul” exprimă faptul că ambele componente temporale sunt necesare pentru a descrie un sistem fizic complet. În situații obișnuite, fizicienii ignoră componenta inversată alegând o singură săgeată a timpului.
Dar aproape de găuri negre sau în universuri în expansiune și colaps, ambele direcții trebuie incluse pentru o descriere cuantică coerentă. Aici apar în mod natural podurile Einstein–Rosen.
Rezolvarea paradoxului informației
La nivel microscopic, podul permite informației să traverseze ceea ce pentru noi pare un orizont al evenimentelor — un punct fără întoarcere. Informația nu dispare; continuă să evolueze, dar de-a lungul direcției temporale inverse.
Acest cadru oferă o rezolvare naturală paradoxului informației din găurile negre. În 1974, Stephen Hawking a arătat că găurile negre radiază căldură și se pot evapora, aparent ștergând toată informația despre ceea ce a căzut în ele — contrazicând principiul cuantic conform căruia evoluția trebuie să conserve informația.
Paradoxul apare doar dacă insistăm să descriem orizonturile folosind o singură săgeată temporală extinsă la infinit — o presupunere pe care mecanica cuantică nu o cere.
Dacă descrierea completă include ambele direcții de timp, nimic nu se pierde cu adevărat. Informația părăsește direcția timpului nostru și reapare de-a lungul celei inverse. Completitudinea și cauzalitatea sunt păstrate, fără a apela la fizică exotică.
Aceste idei sunt greu de înțeles pentru că suntem ființe macroscopice care experimentează doar o singură direcție a timpului. La scara noastră, dezordinea — sau entropia — tinde să crească. O stare foarte ordonată evoluează natural către una dezordonată, niciodată invers. Aceasta ne dă săgeata timpului.
Dar mecanica cuantică permite comportamente mai subtile. Interesant, dovezi pentru această structură ascunsă ar putea deja să existe. Radiația cosmică de fond — ecoul Big Bangului — arată o mică, dar persistentă asimetrie: o preferință pentru o anumită orientare spațială față de imaginea sa oglindită.
Această anomalie îi intrigă pe cosmologi de două decenii. Modelele standard îi atribuie o probabilitate extrem de scăzută — dacă nu sunt incluse componentele cuantice oglindite.
Ecouri ale unui univers anterior?
Această imagine se leagă natural de o posibilitate mai profundă. Ceea ce numim „Big Bang” poate să nu fi fost începutul absolut, ci un recul — o tranziție cuantică între două faze ale evoluției cosmice, oglindite în timp.
Într-un astfel de scenariu, găurile negre ar putea funcționa ca poduri nu doar între direcții temporale, ci între diferite epoci cosmologice. Universul nostru ar putea fi interiorul unei găuri negre formate într-un alt cosmos-părinte. Acesta s-ar fi format pe măsură ce o regiune închisă a spațiu-timpului colapsa, revenea și începea să se extindă ca universul pe care îl observăm astăzi.
Dacă această imagine este corectă, ea oferă și o cale pentru testare observațională. Relicve din faza pre-recul — precum găuri negre mai mici — ar putea supraviețui tranziției și reapărea în universul nostru în expansiune. O parte din materia nevăzută pe care o atribuim materiei întunecate ar putea fi, de fapt, constituită din asemenea relicve.
În această viziune, Big Bangul a evoluat din condițiile unei contracții precedente. Găurile de vierme nu sunt necesare: podul este temporal, nu spațial — iar Big Bangul devine o poartă, nu un început.
Această reinterpretare a podurilor Einstein–Rosen nu oferă scurtături prin galaxii, nici călătorii în timp, nici găuri de vierme SF sau hiperspațiu. Oferă ceva mult mai profund. Oferă o imagine cuantică coerentă a gravitației în care spațiu-timpul încorporează un echilibru între direcții opuse ale timpului — și în care universul nostru ar fi putut avea o istorie înainte de Big Bang.
Nu răstoarnă relativitatea lui Einstein sau fizica cuantică — le completează. Următoarea revoluție în fizică poate să nu ne ducă mai repede decât lumina — dar ar putea dezvălui că timpul, în adâncul lumii microscopice și într-un univers care se contractă și se reîntoarce, curge în ambele sensuri.
Traducere după Wormholes may not exist de Enrique Gaztanaga, profesor de astrofizică la Institute of Cosmology and Gravitation, University of Portsmouth.
