- Què és l'espai-temps?
- Túnels a través d'l'espai - temps
- La inestabilitat dels forats de cuc
- Diferències entre forats negres i forats de cuc
- Varietat / tipus de forats de cuc
- Serà possible veure algun dia els forats de cuc?
- referències
Un forat de cuc, en astrofísica i cosmologia, és un passadís que connecta dos punts en el teixit de l'espai-temps. Tal com la poma caient inspirar la teoria de la gravitació d'Isaac Newton en 1687, els cucs que perforen les pomes han inspirat noves teories, també en el marc de la gravitació.
Així com el cuc aconsegueix arribar a un altre punt de la superfície de l'illa a través d'un túnel, els forats de cuc espai-temporals constitueixen dreceres teòrics que permeten viatjar a llocs distants de l'univers en menys temps.
Forat de cuc espai-temporal: visió artística. Font: Pixabay.
És una idea que ha capturat i segueix capturant la imaginació de molts. Mentrestant, els cosmòlegs s'ocupen de buscar formes de comprovar la seva existència. Però pels moments encara són objecte d'especulació.
Per acostar-se una mica a la comprensió dels forats de cuc, la possibilitat de viatjar en el temps a través d'ells i les diferències que hi ha entre els forats de cuc i els forats negres, cal situar-se en el concepte d'espai-temps.
Què és l'espai-temps?
El concepte d'espai-temps està estretament vinculat a el del forat de cuc. Per això cal establir primerament què és i quina és la seva característica principal.
L'espai-temps és on ocorren tots i cadascun dels successos en l'univers. I l'univers al seu torn és la totalitat de l'espai-temps, capaç d'albergar totes les formes de matèria-energia i més…
Quan el nuvi es troba amb la núvia és un succés, però aquest succés té unes coordenades espacials: el lloc de la trobada. I una coordenada temporal: any, mes, dia i hora de la trobada.
El naixement d'una estrella o l'explosió d'una supernova, també són successos que es desenvolupen en l'espai-temps.
Ara bé, en una regió de l'univers lliure de massa i interaccions, l'espai-temps és pla. Això vol dir que dos rajos lluminosos que comencen paral·lels segueixen així, mentre es mantinguin en aquesta regió. Per cert, per un raig de llum el temps és etern.
És clar que l'espai-temps no sempre és pla. L'univers conté objectes que posseeixen massa que modifiquen l'espai-temps, originant una curvatura espai-temporal a escala universal.
Va ser el mateix Albert Einstein el qual es va donar compte, en un moment d'inspiració que ell va cridar "la idea més feliç de la meva vida", que un observador accelerat és localment indistingible d'un altre que estigui proper a un objecte massiu. És el famós principi d'equivalència.
I un observador accelerat corba l'espai-temps, és a dir la geometria euclidiana deixa de ser vàlida. Per tant, a l'entorn d'un objecte massiu com una estrella, un planeta, una galàxia, un forat negre o l'univers mateix, l'espai-temps es corba.
Aquesta curvatura és percebuda pels éssers humans com una força anomenada gravetat, quotidiana però misteriosa alhora.
La gravetat és tan enigmàtica com la força que ens empeny cap endavant quan l'autobús en què viatgem frena bruscament. És com si de sobte alguna cosa invisible, fosc i massiu, per uns instants es posés davant i ens atragués, impulsant d'improvís cap endavant.
Els planetes es mouen en forma el·líptica al voltant de el Sol perquè la massa d'aquest produeix una depressió a la superfície espai-temporal que fa que els planetes curven les seves trajectòries. Un raig lluminós també corba seva trajectòria seguint la depressió espai-temporal produïda pel Sol.
Túnels a través d'l'espai - temps
Si l'espai-temps és una superfície corba, en principi res no impedeix que una zona es connecti amb una altra a través d'un túnel. Viatjar a través d'un túnel així, implicaria no només canviar de lloc, sinó que també ofereix la possibilitat d'anar a un altre temps.
Aquesta idea ha inspirat molts llibres, sèries i pel·lícules de ciència ficció, entre elles la famosa sèrie nord-americana dels anys seixanta "El túnel de el temps" i més recentment «Deep Space 9» de la franquícia Star Trek i la pel·lícula Interstellar de l'2014.
La idea va provenir de la mateixa Einstein, qui buscant solucions a les equacions de camp de la Relativitat General, va trobar al costat de Nathan Rosen una solució teòrica que permetia connectar dues regions diferents de l'espai-temps a través d'un túnel que funcionava com a drecera.
Aquesta solució es coneix com el pont d'Einstein - Rosen i apareix en un treball publicat el 1935.
No obstant això el terme «forat de cuc» es va usar per primera vegada el 1957, gràcies als físics teòrics John Wheeler i Charles Misner en una publicació d'aquest any. Anteriorment s'havia parlat de "tubs unidimensionals" per referir-se a la mateixa idea.
Més tard en 1980, Carl Sagan estava escrivint la novel·la de ciència ficció "Contacte", llibre de què més tard es va fer una pel·lícula. La protagonista anomenada Elly, descobreix vida extraterrestre intel·ligent a 25 mil anys llum de distància. Carl Sagan volia que Elly viatgés fins allà, però d'una manera que fos científicament creïble.
Recórrer 25 mil anys llum de distància no és tasca fàcil per a un humà, llevat que es busqui una drecera. Un forat negre no pot ser solució, atès que a l'acostar-se a la singularitat, la gravetat diferencial desgarraría a la nau ia la seva tripulació.
A la recerca d'altres possibilitats, Carl Sagan va consultar a un dels principals experts en forats negres de l'època: Kip Thorne, qui va començar a pensar en l'assumpte i es va adonar que els ponts d'Einstein-Rosen o els forats de cuc de Wheeler eren la solució.
No obstant això Thorne també es va adonar que la solució matemàtica era inestable, és a dir, el túnel s'obre, però a el poc temps s'estrangula i desapareix.
La inestabilitat dels forats de cuc
És possible utilitzar els forats de cuc per viatjar grans distàncies en l'espai i en el temps?
Des que van ser ideats, els forats de cuc han servit a nombroses trames de ciència ficció per portar els seus protagonistes a llocs remots ia experimentar les paradoxes de el temps no lineal.
Kip Thorne va trobar dues solucions possibles a el problema de la inestabilitat dels forats de cuc:
- Mitjançant l'anomenada escuma quàntica. A escala de Planck (10 -35 m) hi ha fluctuacions quàntiques capaços de connectar dues regions de l'espai-temps a través de microtúneles. Una hipotètica civilització molt avançada podria trobar la manera d'eixamplar els passatges i mantenir el temps suficient perquè passi un humà.
- Matèria de massa negativa. Segons els càlculs publicats el 1990 pel mateix Thorne, es necessitarien ingents quantitats d'aquesta matèria estranya per mantenir oberts els extrems de l'forat de cuc.
El notable d'aquesta última solució, és que a diferència dels forats negres, no hi ha singularitat ni fenòmens quàntics, i la passada dels humans a través d'aquest tipus de túnels seria factible.
D'aquesta manera, els forats de cuc no només permetrien connectar regions llunyanes en l'espai, sinó també separades en el temps. Per tant són màquines per viatjar en el temps.
Stephen Hawking, el gran referent de la cosmologia de finals de segle XX, no creia factibles ni els forats de cuc ni les màquines de el temps, a causa de les moltíssimes paradoxes i contradiccions que sorgeixen d'ells.
Això no ha disminuït els ànims d'altres investigadors, que han suggerit la possibilitat que dos forats negres en diferents zones de l'espai-temps, estiguin connectats internament per un forat de cuc.
Encara que això no seria pràctic per als viatges espai - temporals, ja que a part de les tribulacions que portaria entrar a la singularitat de l'forat negre, no hi hauria cap possibilitat de sortir per l'altre extrem, ja que és un altre forat negre.
Diferències entre forats negres i forats de cuc
Quan es parla d'un forat de cuc, també es pensa immediatament en els forats negres.
Un forat negre es forma naturalment, després de l'evolució i mort d'un estel que tingui certa massa crítica.
Sorgeix després que l'estrella esgota el seu combustible nuclear i es comença a contraure irreversiblement causa de la seva pròpia força gravitacional. Prossegueix implacablement fins causar un col·lapse tal, que res a una distància menor que el radi de l'horitzó de successos pot escapar, ni tan sols la llum.
En comparació, un forat de cuc és una aparició excepcional, conseqüència d'una hipotètica anomalia en la curvatura de l'espai-temps. En teoria és possible travessar per ells.
No obstant això si algú intentés passar per un forat negre, la intensa gravetat i l'extrema radiació en l'entorn proper de la singularitat el convertiria en un prim fil de partícules subatòmiques.
Es té evidència indirecta i només molt recentment directa, de l'existència dels forats negres. Entre aquestes evidències estan l'emissió i detecció d'ones gravitacionals per l'atracció i rotació de dos colossals forats negres, detectades per l'observatori d'ones gravitatòries LIGO.
Hi ha evidència que en el centre de les grans galàxies, com la nostra Via Làctia hi ha un forat negre súper massiu.
La ràpida rotació de les estrelles properes a el centre, així com la ingent quantitat de radiació d'alta freqüència que d'allà emana, són proves indirectes que hi ha un enorme forat negre que explica la presència d'aquests fenòmens.
Tot just va ser el 10 d'abril de 2019 que es va mostrar a el món la primera fotografia d'un forat negre supermassiu (7.000 milions de vegades la massa de el Sol), situat en una galàxia molt llunyana: Messier 87 en la constel·lació de Virgo, a 55 milions d'anys llum de la Terra.
Aquesta fotografia d'un forat negre va ser possible gràcies a la xarxa mundial de telescopis, anomenada "Event Horizon Telescope", amb la participació de més de 200 científics de tot el món.
Dels forats de cuc en canvi, no es té cap evidència fins a la data. Els científics han estat capaços de detectar i fer el seguiment d'un forat negre, però el mateix no ha estat possible amb els forats de cuc.
Per tant són objectes hipotètics, encara que teòricament factibles, com en un temps ho van ser també els forats negres.
Varietat / tipus de forats de cuc
Malgrat que encara no han estat detectats, o potser precisament per això, s'han imaginat diferents possibilitats per als forats de cuc. Totes són teòricament factibles, ja que satisfan les equacions d'Einstein per a la relativitat general. Aquí hi ha algunes:
- Forats de cuc que connecten dues regions espai-temporals d'un mateix univers.
- Els forats de cuc capaços de connectar un univers amb un altre univers.
- Ponts d'Einstein-Rosen, en els quals la matèria pogués passar d'una obertura fins a l'altra. Encara que aquest pas de matèria causaria una inestabilitat, fent col·lapsar a túnel sobre si mateix.
- El forat de cuc de Kip Thorne, amb una closca esfèrica de matèria de massa negativa. És estable i atravesable en ambdues direccions.
- L'anomenat forat de cuc de Schwarzschild, consistent en dos forats negres estàtics connectats. No són atravesables, ja que matèria i llum queden atrapats entre els dos extrems.
- Els forats de cuc amb càrrega i / o rotació o de Kerr, consistents en dos forats negres dinàmics connectats internament, atravesables en una sola direcció.
- Escuma quàntica d'espai-temps, l'existència es teoritza a nivell subatòmic. L'escuma està composta per túnels subatómicos altament inestables que connecten diferents zones. Per estabilitzar-los i ampliar-los es requeriria la creació d'un plasma de quarks i gluons, que demandaria una quantitat gairebé infinita d'energia per a la seva generació.
- Més recentment gràcies a la teoria de cordes, s'ha teoritzat sobre forats de cuc sostinguts mitjançant cordes còsmiques.
- Forats negres entrellaçats i després separats, dels quals sorgeix un forat espai-temporal, o pont d'Einstein-Rosen que es manté unit per la gravetat. Es tracta d'una solució teòrica proposta al setembre de 2013 pels físics Joan Maldacena i Leonard Susskind.
Tots són perfectament possibles, ja que no són contradictoris amb les equacions d'Einstein de la relativitat general.
Serà possible veure algun dia els forats de cuc?
Per molt temps, els forats negres van ser solucions teòriques de les equacions d'Einstein. El mateix Einstein va posar en dubte la possibilitat que alguna vegada poguessin ser detectats per la humanitat.
Albert Einstein (1879-1955), autor de la teoria de la relativitat. Font: Pixabay.
Així que durant molt de temps, els forats negres van romandre com una predicció teòrica, fins que es van trobar i es van ubicar. Els científics alberguen la mateixa esperança pel que fa als forats de cuc.
És molt possible que ells també estiguin per allà, però encara no ha après a localitzar-los. Encara que segons una publicació molt recent, els forats de cuc si deixarien petjades i ombres observables fins i tot amb telescopis.
Es creu que els fotons es desplacen al voltant de el forat de cuc generant un anell lluminós. Els fotons propera cauen dins i deixen després de si una ombra que permetrà diferenciar-los dels forats negres.
D'acord amb Rajibul Shaikh, físic de l'Institut Tata de Recerca Fonamental de Mumbai a l'Índia, un tipus de forat de cuc rotatori produiria una ombra més gran i deformada que la d'un forat negre.
En el seu treball, Shaikh ha estudiat les ombres teòriques projectades per una certa classe de forats de cuc giratoris, enfocant-se en el paper crucial de la gola de l'forat per a la formació d'una ombra de fotons que permeti identificar-lo i diferenciar-lo d'un forat negre.
Shaikh també ha analitzat la dependència de l'ombra amb el gir de l'forat de cuc i més l'ha comparat amb l'ombra que projectava un forat negre giratori de Kerr, trobant significatives diferències. Es tracta d'un treball completament teòric.
A part d'això, pels moments, els forats de cuc romanen com abstraccions matemàtiques, però és possible que molt aviat s'aconsegueixi albirar algun. El que es trobi a l'altre extrem, de moment segueix sent objecte de conjectures.
referències
- El entrelanzamiento quàntic peude donar lloc a la gravetat. Pres de cienciaaldia.com
- Progress of Physics, Vol 61, Issue September 2013 Pages 781 -811
- Forat de cuc. Pres de wikipedia.org
- Espai-temps. Pres de wikipedia.org.
- David Nield (2018). Crazy New Paper Suggests Wormholes Cast Shadows We Could Easily See With Telescopes. Pres de sciencealert.com