Los agujeros de gusano a menudo se imaginan como túneles a través del espacio o el tiempo: atajos a través del universo. Pero esta imagen se basa en una mala comprensión del trabajo de los físicos Albert Einstein y Nathan Rosen.
En 1935, mientras estudiaban el comportamiento de las partículas en la región de gravedad extrema, Einstein y Rosen Lo que ellos llaman “puentes”.: una conexión matemática entre dos copias perfectamente simétricas del espacio-tiempo. No estaba pensado como un pasaje para viajar, sino como un medio Mantener la coherencia Entre la gravedad y la física cuántica. Sólo más tarde se asociaron los puentes Einstein-Rosen con los agujeros de gusano, aunque la idea original tenía poco que ver con ello.
pero en Nueva investigaciónMis colegas y yo demostramos que el puente Einstein-Rosen original apunta a algo mucho más extraño (y más fundamental) que un agujero de gusano.
El enigma que abordaron Einstein y Rosen nunca fue sobre los viajes espaciales, sino sobre cómo se comportan los campos cuánticos en el espacio-tiempo curvo. Explicado de esta manera, el puente Einstein-Rosen actúa como un espejo del espacio-tiempo: una conexión entre dos flechas microscópicas del tiempo.
La mecánica cuántica gobierna la naturaleza en las escalas más pequeñas, como las partículas, mientras que la teoría de la relatividad general de Einstein se aplica a la gravedad y el espaciotiempo. Conciliar ambos es uno de los desafíos más profundos de la física. Y, sorprendentemente, nuestra reinterpretación puede ofrecer una manera de hacer precisamente eso.
Un legado de malentendidos
La explicación del “agujero de gusano” surgió décadas después del trabajo de Einstein y Rosen, cuando los físicos plantearon la hipótesis de cruzar de un lado al otro del espacio-tiempo, En particular, la investigación de finales de los años 1980.
Pero esos mismos análisis también dejaron claro cuán especulativa era la idea: en la relatividad general, ese tipo de viajes está prohibido. El puente se derriba a la velocidad de la luz, no se puede cruzar. Los puentes Einstein-Rosen son, por tanto, inestables y observables: estructuras matemáticas, no portales.
Sin embargo, la metáfora del agujero de gusano floreció en la cultura popular y en la física teórica especulativa. La idea de que los agujeros negros podrían conectar regiones distantes del universo (incluso actuar como máquinas del tiempo) ha inspirado innumerables artículos, libros y películas.
Sin embargo, no hay evidencia observacional de agujeros de gusano macroscópicos, ni ninguna razón teórica convincente para esperar que existan dentro de la teoría de Einstein. Aunque las hipotéticas extensiones de la física (a saber, Forma externa de la materia. o Modificación de la relatividad general. — propuestas para apoyar dichas estructuras no han sido probadas y son altamente especulativas.
Dos flechas del tiempo
Nuestro trabajo reciente revisa el rompecabezas del puente Einstein-Rosen utilizando una interpretación cuántica moderna del tiempo basada en ideas desarrolladas por Shravan Kumar y Joao Marto.
La mayoría de las leyes fundamentales de la física no distinguen entre pasado y futuro o entre izquierda y derecha. Si el tiempo o el espacio se invierten en sus ecuaciones, las leyes siguen siendo válidas. Tomar en serio estas simetrías conduce a una interpretación diferente del puente Einstein-Rosen.
Más que un túnel a través del espacio, se entiende como dos componentes complementarios de un estado cuántico. En uno, el tiempo avanza; En otro caso, regresa desde su posición reflejada en el espejo.
Esta simetría no es una elección filosófica. Una vez excluido el infinito, la evolución cuántica debe ser completa y reversible a nivel microscópico, incluso en presencia de gravedad.
“Puente” expresa el hecho de que ambos elementos temporales son necesarios para describir un sistema físico completo. En circunstancias normales, los físicos eligen una única flecha del tiempo e ignoran el componente de inversión del tiempo.
Pero cerca de los agujeros negros, o en un universo en expansión y colapso, una descripción cuántica coherente debe incluir ambos aspectos. Aquí es donde se forma naturalmente el puente Einstein-Rosen.
Resolviendo la paradoja de la información
A nivel microscópico, el puente nos permite cruzar información que nos aparece como el horizonte de sucesos, un punto sin retorno. Los datos no se pierden; Continúa evolucionando pero en la dirección temporal opuesta, reflejada.
Este marco ofrece una resolución natural de la famosa paradoja de la información de los agujeros negros. En 1974, Stephen Hawking presentado Agujeros negros que irradian calor y pueden eventualmente evaporarse, aparentemente borrando toda la información sobre lo que cayó en ellos, contradiciendo el principio cuántico de que la evolución debe preservar la información.
La paradoja surge sólo cuando insistimos en describir el horizonte utilizando una única flecha unilateral del tiempo extrapolada al infinito, una suposición que no requiere la propia mecánica cuántica.
Si la descripción cuántica completa incluye ambas direcciones del tiempo, en realidad no se pierde nada. La información abandona nuestra dirección del tiempo y reaparece en la dirección opuesta. Se preservan la integridad y la causalidad, sin invocar nueva física superflua.
Estos conceptos son difíciles de comprender porque somos seres macroscópicos que experimentan sólo una dimensión del tiempo. A escala diaria, el desorden (o la entropía) aumenta. Un estado muy ordenado evoluciona naturalmente hacia el desorden, y nunca al revés. Nos da una flecha en el tiempo.
Pero la mecánica cuántica permite un comportamiento más sutil. Sorprendentemente, es posible que ya existan pruebas de esta estructura oculta. El fondo cósmico de microondas (el resplandor del Big Bang) muestra una desigualdad pequeña pero persistente: una preferencia por una orientación espacial sobre su imagen especular
Esta anomalía ha desconcertado a los cosmólogos durante dos décadas. Los modelos estándar asignan a esto una probabilidad muy baja, a menos que se incluyan elementos cuánticos espejo.
¿Ecos del universo anterior?
Esta imagen se conecta naturalmente con una posibilidad más profunda. Lo que llamamos el “Big Bang” puede no haber sido un comienzo absoluto, sino un rebote: una transición cuántica entre dos fases de evolución cósmica invertidas en el tiempo.
En tal escenario, los agujeros negros pueden actuar como puentes no sólo entre direcciones temporales, sino también entre diferentes épocas cósmicas. nuestro universo El interior de un agujero negro puede ser El otro, formado en el cosmos paterno. Es posible que se haya formado cuando una región cerrada del espacio-tiempo colapsó, rebotó y comenzó a expandirse hacia el universo que observamos hoy.
Si esta imagen es correcta, también proporciona un medio para tomar decisiones observacionales. Los restos de la fase previa al rebote, como los pequeños agujeros negros, pueden sobrevivir a la transición y resurgir en nuestro universo en expansión. Alguna materia invisible a la que nos referimos como materia oscura puede en realidad estar formada por tales restos.
Desde este punto de vista, el Big Bang evolucionó a partir de un estado compresivo anterior. Los agujeros de gusano no son necesarios: el puente es temporal, no espacial, y el Big Bang se convierte en una entrada, no en un comienzo.
Esta reinterpretación del puente Einstein-Rosen no ofrece atajos a través de la galaxia, ni viajes en el tiempo, ni agujeros de gusano ni hiperespacio de ciencia ficción. Lo que ofrece es más profundo. Esto ofrece una imagen cuántica consistente de la gravedad, donde el espacio-tiempo encarna un equilibrio entre los opuestos del tiempo y donde nuestro universo puede haber tenido una historia antes del Big Bang.
No derroca la relatividad ni la física cuántica de Einstein: las completa. La próxima revolución en física tal vez no nos lleve más rápido que la luz, pero puede revelar que el tiempo, en lo profundo del mundo microscópico y en un universo que rebota, fluye en ambas direcciones.
