miniatura|upright=1.3|Um buraco de minhoca representado como uma superfície bidimensional. O trajeto a é o caminho mais curto pelo espaço normal entre os pontos 1 e 2. O trajeto b é um caminho mais curto por um buraco de minhoca.
Um buraco de minhoca é uma estrutura hipotética que conecta pontos distintos do espaço-tempo. Pode ser visualizado como um túnel com duas extremidades em pontos separados do espaço-tempo, ou seja, em lugares diferentes, em momentos diferentes ou com essas duas diferenças ao mesmo tempo. Os buracos de minhoca se baseiam em uma solução particular das equações de campo de Einstein e são compatíveis com a relatividade geral.
Em 1995, Matt Visser propôs que poderia haver muitos buracos de minhoca no universo caso cordas cósmicas de massa negativa tivessem se formado no universo primordial. Alguns físicos, como Kip Thorne, propuseram maneiras de criar buracos de minhoca artificialmente.
Terminologia Em 1928, o matemático, filósofo e físico teórico alemão Hermann Weyl propôs uma hipótese da matéria baseada em buracos de minhoca ao analisar a massa em relação à energia do campo eletromagnético. Ele, porém, não usou o termo "buraco de minhoca", mas a expressão "tubos unidimensionais".
O astrônomo britânico Arthur Eddington usou o termo inglês worm-holes em seu livro de divulgação The Nature of the Physical World, de 1928. Ali, a expressão é uma metáfora para partículas materiais que atravessam o "veio" do espaço-tempo, sem o sentido de atalho pelo espaço-tempo.
O físico teórico estadunidense John Archibald Wheeler, inspirado pelo trabalho de Weyl, empregou o termo wormhole, "buraco de minhoca" em inglês. Em um artigo de 1957, escrito com Charles W. Misner, os autores escreveram:
Esta análise nos obriga a considerar situações... em que há um fluxo líquido de linhas de força através do que os topólogos chamariam de uma "ansa" do espaço multiplamente conexo, e que os físicos talvez possam ser perdoados por chamar, de maneira mais expressiva, de "buraco de minhoca".Charles Misner e John Wheeler, em Annals of Physics.
Definições modernas Do ponto de vista topológico, um buraco de minhoca intrauniverso, que conecta dois pontos de um mesmo universo, é uma região compacta do espaço-tempo cuja fronteira é topologicamente trivial, mas cujo interior não é simplesmente conexo. A formalização dessa ideia leva a definições como a apresentada por Matt Visser em Lorentzian Wormholes, de 1996.
Se um espaço-tempo lorentziano contém uma região compacta , e a topologia de tem a forma , em que é uma variedade tridimensional de topologia não trivial, cuja fronteira tem topologia da forma , e as hipersuperfícies são todas do tipo espaço, então a região contém um buraco de minhoca intrauniverso quase permanente. Apêndice B, p. 24.
Do ponto de vista geométrico, buracos de minhoca são regiões do espaço-tempo que impõem restrições à deformação gradual de superfícies fechadas. Em The Physics of Stargates, de Enrico Rodrigo, por exemplo, um buraco de minhoca é definido informalmente como:
uma região do espaço-tempo que contém um "tubo de universo", a evolução temporal de uma superfície fechada, que não pode ser deformado continuamente, por encolhimento, até se tornar uma linha de universo, a evolução temporal de um ponto ou observador.
Desenvolvimento miniatura|direita|Diagrama de imersão de um buraco de minhoca de Schwarzschild.
Buracos de minhoca de Schwarzschild O primeiro tipo de solução com buraco de minhoca a ser descoberto foi o buraco de minhoca de Schwarzschild, que estaria presente na métrica de Schwarzschild de um buraco negro eterno. Verificou-se, porém, que ele entraria em colapso rápido demais para que qualquer coisa o atravessasse de uma extremidade à outra. Acreditava-se que os buracos de minhoca que poderiam ser atravessados nos dois sentidos, chamados de buracos de minhoca atravessáveis, só seriam possíveis se fosse usada matéria exótica com densidade de energia negativa para estabilizá-los. Trabalhos posteriores propuseram que buracos de minhoca microscópicos atravessáveis poderiam existir sem matéria exótica. Eles exigiriam apenas matéria fermiônica com carga elétrica e massa pequena o suficiente para não entrar em colapso e formar um buraco negro carregado. Embora esses buracos de minhoca, se forem possíveis, talvez permitam apenas a transferência de informações, buracos de minhoca atravessáveis por seres humanos poderiam existir caso o modelo Randall-Sundrum 2, uma teoria baseada em branas e compatível com a teoria das cordas, corresponda à realidade. 50px|alt=Licença Creative Commons Atribuição Disponível sob a licença CC BY 4.0.
Pontes de Einstein-Rosen As pontes de Einstein-Rosen, ou pontes ER, receberam esse nome em referência a Albert Einstein e Nathan Rosen. Elas conectam regiões do espaço e podem ser modeladas como soluções do vácuo das equações de campo de Einstein. São partes intrínsecas da versão maximamente estendida da métrica de Schwarzschild para um buraco negro eterno, sem carga elétrica e sem rotação. Nesse caso, "maximamente estendida" significa que o espaço-tempo não deve ter "bordas". Qualquer trajetória possível de uma partícula em queda livre, que segue uma geodésica no espaço-tempo, deve poder ser prolongada arbitrariamente para o futuro ou o passado da partícula.
Para satisfazer essa exigência, é necessário que, além da região interior do buraco negro, na qual as partículas entram ao atravessarem o horizonte de eventos a partir do exterior, haja uma região interior separada, a de um buraco branco. Essa região permite extrapolar as trajetórias das partículas que um observador externo vê se afastando do horizonte de eventos. Assim como há duas regiões interiores separadas no espaço-tempo maximamente estendido, também há duas regiões exteriores separadas, às vezes chamadas de dois "universos" diferentes. O segundo universo permite extrapolar algumas trajetórias possíveis de partículas nas duas regiões interiores. Isso significa que o interior do buraco negro pode conter partículas que caíram de qualquer um dos universos. Um observador que tenha caído de um deles poderia, então, ver a luz que caiu do outro. Da mesma forma, partículas do interior do buraco branco podem escapar para qualquer um dos universos. As quatro regiões podem ser vistas em um diagrama do espaço-tempo que usa coordenadas de Kruskal-Szekeres.
Nesse espaço-tempo, é possível escolher sistemas de coordenadas nos quais uma hipersuperfície de tempo constante forme uma superfície do tipo espaço. Trata-se de um conjunto de pontos com a mesma coordenada temporal, separados entre si por intervalos do tipo espaço. Se for traçado um "diagrama de imersão" da curvatura espacial nesse instante, ele terá a forma de um tubo que conecta as duas regiões exteriores, a "ponte de Einstein-Rosen". A métrica de Schwarzschild corresponde a um buraco negro idealizado que existe eternamente do ponto de vista de observadores externos. Um buraco negro mais realista, formado em algum instante pelo colapso de uma estrela, exigiria outra métrica. Quando a matéria estelar em queda é acrescentada a um diagrama das regiões de um buraco negro, desaparecem as partes correspondentes ao interior do buraco branco e ao outro universo. pp. 190–191.
A ponte de Einstein-Rosen foi descoberta por Ludwig Flamm em 1916, Tradução do título: "Comentários sobre a teoria da gravidade de Einstein". poucos meses depois de Schwarzschild publicar sua solução, e foi redescoberta por Albert Einstein e seu colega Nathan Rosen, que publicaram o resultado em 1935. Em 1962, John Archibald Wheeler e Robert W. Fuller publicaram um artigo no qual demonstraram que esse tipo de buraco de minhoca é instável quando conecta duas partes do mesmo universo. A passagem se fecha rápido demais para que a luz, ou qualquer partícula mais lenta que ela, consiga ir de uma região exterior à outra.
Na relatividade geral, o colapso gravitacional de uma massa suficientemente compacta forma um buraco negro de Schwarzschild com uma singularidade. Na teoria gravitacional de Einstein-Cartan-Sciama-Kibble, esse colapso forma uma ponte de Einstein-Rosen regular. Essa teoria amplia a relatividade geral ao retirar uma restrição de simetria da conexão afim e adotar sua parte antissimétrica, o tensor de torção, como variável dinâmica. A torção incorpora naturalmente o momento angular intrínseco da matéria na mecânica quântica, o spin. O acoplamento mínimo entre a torção e os espinores de Dirac produz uma interação repulsiva entre spins que se torna intensa na matéria fermiônica em densidades extremamente altas. Essa interação impede a formação de uma singularidade gravitacional, como a de um buraco negro. A matéria em colapso atinge uma densidade enorme, mas finita, e volta a se expandir, formando o outro lado da ponte.
Embora os buracos de minhoca de Schwarzschild não sejam atravessáveis nos dois sentidos, sua existência inspirou Kip Thorne a imaginar buracos de minhoca atravessáveis nos quais a "garganta" de um buraco de minhoca de Schwarzschild seria mantida aberta por matéria exótica, material com massa ou energia negativa.
Outros buracos de minhoca não atravessáveis são os buracos de minhoca lorentzianos, propostos inicialmente por John Archibald Wheeler em 1957. Eles formam uma espuma do espaço-tempo em uma variedade do espaço-tempo da relatividade geral com geometria lorentziana. Artigo que dá continuidade ao trabalho de Misner e Wheeler de dezembro de 1957. Há também os buracos de minhoca euclidianos, cujo nome vem das variedades euclidianas, uma estrutura de variedade riemanniana.
Buracos de minhoca atravessáveis
O efeito Casimir mostra que a teoria quântica de campos permite que a densidade de energia em certas regiões do espaço seja negativa em relação à energia do vácuo da matéria comum. Entretanto, demonstrou-se teoricamente que essa teoria não permite estados em que a energia seja arbitrariamente negativa por um intervalo de tempo arbitrário. Alguns físicos, como Stephen Hawking, Kip Thorne e outros, defenderam que esses efeitos poderiam permitir a estabilização de um buraco de minhoca atravessável. O único processo natural conhecido cuja previsão teórica permite formar um buraco de minhoca no âmbito da relatividade geral e da mecânica quântica foi proposto por Juan Maldacena e Leonard Susskind na conjectura ER = EPR. A hipótese da espuma quântica é às vezes usada para propor que pequenos buracos de minhoca poderiam surgir e desaparecer espontaneamente na escala de Planck. Versões estáveis desses buracos de minhoca foram propostas como candidatas a matéria escura. Também se propôs que, se um pequeno buraco de minhoca mantido aberto por uma corda cósmica de massa negativa tivesse surgido por volta do Big Bang, a inflação cósmica poderia tê-lo expandido até dimensões macroscópicas.
miniatura|direita|Simulação de um buraco de minhoca atravessável que conecta a praça em frente aos institutos de física da Universidade de Tubinga às dunas próximas de Bolonha do Mar, no norte da França. A imagem foi calculada por traçado de raios em quatro dimensões, com a métrica de um buraco de minhoca de Morris-Thorne. Os efeitos gravitacionais sobre o comprimento de onda da luz não foram simulados.