Furacu de guxán

En física, un furacu de guxán, tamién conocíu como ponte d'Einstein-Rosen o furacu merucu, ye una hipotética carauterística topolóxica d'un espaciu-tiempu, descrita nes ecuaciones de la relatividá xeneral, qu'esencialmente consiste nun atayu al traviés del espaciu y el tiempu. Un furacu de guxán tien a lo menos dos estremos coneutaos a una única gargüelu, al traviés de la cual podría movese la materia. Hasta la fecha nun se topó nenguna evidencia de que l'espaciu-tiempu conocíu contenga estructures d'esti tipu, polo que na actualidá ye solo una posibilidá teórica na ciencia.

Cuando una estrella superxigante colorada esplota, refundia materia al esterior, de cuenta qu'acaba siendo d'un tamañu inferior y conviértese nuna estrella de neutrones. Pero tamién puede asoceder que s'estruya tantu qu'absuerba la so propia enerxía nel so interior y suma dexando un furacu negru nel llugar qu'ocupaba. Esti furacu tendría una gravedá tan grande que nin siquier la radiación electromagnético podría escapar del so interior. Taría arrodiáu per una frontera esférica, llamada horizonte de sucesos. La lluz trespasaría esta frontera pa entrar, pero nun podría salir, polo que'l furacu vistu dende grandes distancies tendría de ser dafechu negru (anque Stephen Hawking postuló que ciertos efeutos cuánticos xeneraríen la llamada radiación de Hawking). Dientro del furacu, los astrofísicos conxeturen que se forma una especie de conu ensin fondu. En 1994, el telescopiu espacial Hubble detectó la presencia d'unu bien trupu nel centru de la galaxa elíptica M87, pos l'alta aceleración de gases nesa rexón indica que debe d'haber un oxetu 3 500 millones de vegaes más masivu que'l Sol. Finalmente, esti furacu terminará per absorber a la galaxa entera.^[1]

El primer científicu n'alvertir de la esistencia de furacos de guxán foi'l austriacu Ludwig Flamm, en 1916. Nesti sentíu, la hipótesis del furacu de guxán ye una actualización de la decimonónica teoría d'una cuarta dimensión espacial que suponía —por casu—, dau un cuerpu toroidal nel que podíen atopase los trés dimensiones espaciales comúnmente perceptibles, una cuarta dimensión espacial qu'embriviera les distancies y, d'esa manera, los tiempos de viaxe. Esta noción inicial foi plantegada de manera más científica en 1921 pol matemáticu alemán Hermann Weyl, sicasí, nun usó'l términu "furacu de guxán" (faló de "tubos unidimensionales"), cuando esti rellacionó los sos analises de la masa en términos de la enerxía d'un campu electromagnéticu^[2] cola teoría de la relatividá d'Albert Einstein publicada en 1916.

Na actualidá, la teoría de cuerdes almite la esistencia de más de tres dimensiones espaciales (ver hiperespacio), pero eses dimensiones extra taríen amaceraes a escales subatómiques (según la teoría de Kaluza-Klein), polo que paez bien difícil (si non imposible) aprovechales pa entamar viaxes nel espaciu y el tiempu.

Orixe del nome

El términu «furacu de guxán» foi introducíu pol físicu teóricu estauxunidense John Wheeler en 1957 (inspiráu na obra de Weyl) nun artículu de 1957 co-escritu con Charles Misner:^[3]

Esti analís obliga a considerar situaciones ... onde hai un fluxu neto de llinies de fuercia, al traviés de lo que los topólogos llamaríen "descomposición toroidal" del espaciu con múltiples conexones, y qué los físicos seique podríen escusase pa denominar más vívidamente un "furacu de viérbene".

Charles Misner y John Wheeler en Annals of Physics

Provién de la siguiente analoxía usada pa esplicar el fenómenu: si'l universu ye la piel d'una manzana y un guxán viaxa sobre la so superficie, la distancia d'un puntu de la mazana a la so antípoda ye igual a la metá de la circunferencia de la mazana, siempres que'l guxán permaneza sobre la superficie d'esta. Pero si, en cuenta de esto, el guxán cavara un furacu direutamente al traviés de la mazana, la distancia que tendría que percorrer sería considerablemente menor, una y bones la distancia más cercana ente dos puntos ye una llinia recta que xune a dambos.

Tipos de furacu de guxán

Los furacos de guxán del intrauniverso conecten una posición d'un universu con otra posición del mesmu universu nun tiempu distintu. Un furacu de guxán tendría de poder coneutar posiciones distantes nel universu por plegamientos espaciotemporales, de manera que dexaría viaxar ente elles nun tiempu menor que'l que tomaría faer el viaxe al traviés del espaciu normal.
Los furacos de guxán del interuniverso acomuñen un universu con otru distintu y denominar «furacos de guxán de Schwarzschild». Esto dexa especular sobre si tales furacos de guxán podríen usase pa viaxar d'un universu a otru paralelu. Otra aplicación d'un furacu de guxán podría ser el viaxe nel tiempu. Nesi casu, sería un atayu pa movese d'un puntu espaciotemporal a otru. Na teoría de cuerdes, un furacu de guxán ye vistu como la conexón ente dos D-branas, onde les boques tán acomuñaes a les branas y coneutaes per un tubu de fluxu. Créese que los furacos de guxán son una parte de la espluma cuántica o espaciotemporal.

Otra clasificación:

Los furacos de guxán euclídeos, estudiaos en física de partícules.
Los furacos de guxán de Lorentz, principalmente estudiaos en relatividá xeneral y en gravedá semiclásica. Dientro d'estos destaquen los furacos de guxán atravesables, un tipu especial de furacu de guxán de Lorentz que dexaría a un ser humanu viaxar d'un llau al otru del furacu.

Hasta'l momentu haise teorizado sobre distintos tipos de furacos de guxán, principalmente como soluciones matemátiques a la cuestión. Esencialmente, estos tipos de furacu de guxán son:

El furacu de guxán de Schwarzschild supuestamente formáu por un furacu negru de Schwarzschild, que se considera infranquiable.
El furacu de guxán supuestamente formáu por un furacu negru de Reissner-Nordstrøm o Kerr-Newman, que resultaría franqueable, pero nuna sola direición, y que podría contener un furacu de guxán de Schwarzschild.
El furacu de guxán de Lorentz, que tien masa negativo y envalórase franqueable en dambes direiciones (pasáu y futuru).

Furacos de guxán de Schwarzschild

Los furacos de guxán de Lorentz, conocíos como furacos de guxán de Schwarzschild o pontes d'Einstein-Rosen, son nexos que xunen árees d'espaciu que puede ser modelaes como soluciones de vacíu nes ecuaciones de campu d'Einstein por unión d'un modelu de furacu negru y unu de furacu blancu. Esta solución foi topada por Albert Einstein y el so compañeru Nathan Rosen, que publicó primero la resultancia en 1935. Sicasí, en 1962, John A. Wheeler y Robert W. Fuller publicaron un artículu nel que sopelexaben la demostración de qu'esti tipu de furacu de guxán ye inestable y se desintegraría instantáneamente asina formárase.

Primero que los problemes d'estabilidá de los furacos de guxán de Schwarzschild fixérense evidentes, propúnxose que los cuásares podíen ser furacos blancos, de cuenta que formaben les zones terminales de los furacos de guxán d'esti tipu. Sicasí, investigaciones recién refuguen que los cuásares sían equiparables a los furacos blancos.

Los furacos de guxán de Schwarzschild inspiraron a Kip Thorne a imaxinar el tránsitu por ellos por aciu la suxeción de la so gargüelu y la so apertura per mediu de materia exótico (de masa y enerxía negatives).

Furacos de guxán practicables

Imaxe d'un furacu de guxán practicable (que puede travesase) que coneutaría l'área frente al institutu de física de la Universidá de Tubinga coles dunes próximes a Boulogne-sur-Mer, nel norte de Francia. La imaxe foi recreada por aciu un *software* de trazáu de rayos en 4D, nuna métrica de Morris-Thorne, anque los efeutos gravitatorios sobre la llonxitú d'onda nun s'asemeyaron.^[4]

Los furacos de guxán practicables de Lorentz, tamién llamaos atravesables, dexaríen viaxar non solo d'una parte del universu a otra, sinón inclusive d'un universu a otru. Los furacos de guxán conecten dos puntos del espaciu-tiempu, polo que dexaríen el viaxe tantu nel espaciu como nel tiempu. Na teoría de la relatividá xeneral, la posibilidá de travesar furacos de guxán foi demostrada per primer vegada por Kip S. Thorne y el so graduáu Mike Morris nun artículu publicáu en 1988. El tipu de furacu de guxán atravesable qu'ellos afayaron caltendríase abiertu por una especie de concha esférica de materia exótico denomada furacu de guxán de Morris-Thorne. Darréu afayáronse otros tipos de furacos de guxán atravesables, como unu que se caltién abiertu por cuerdes cósmiques, yá hipotetizado antes por Matt Visser nun artículu publicáu en 1989.

Base teórica

Definición

La definición topolóxica de furacu de guxán nun ye intuitiva. Dizse que nuna rexón compacta del espaciu-tiempu esiste un furacu de guxán cuando'l so conxuntu frontera ye trivial dende'l puntu de vista topolóxicu, pero'l so interior nun ye a cencielles conexu. Formalizar esta idea conduz a definiciones como la siguiente, tomada del Lorentzian Wormholes, de Matt Visser:

Si un espaciu-tiempu de Lorentz contién una rexón compacta Ω y si la topoloxía de Ω ye de la forma Ω ~ R x Σ, onde Σ ye una 3-variedá de topoloxía non trivial, que la so frontera tien topoloxía de la forma dΣ ~ S², y si amás les hipersuperficies Σ son de tipu espacial, entós la rexón Ω contién un furacu de guxán intrauniversal cuasipermanente.

Carauterizar furacos de guxán del interuniverso ye más difícil. Por casu, podemos imaxinar un universu naciellu conectáu al so proxenitor por un embelicu estrechu. Cabría considerar l'embelicu como'l gargüelu d'un furacu de guxán, pola cual l'espaciu-tiempu ta conectáu.

Plausibilidad

Sábese que los furacos de guxán de Lorentz son posibles dientro de la relatividá xeneral, pero la posibilidá física d'estes soluciones ye incierta. Inclusive, desconozse si la teoría de la gravedá cuántica, que se llogra al entestar la relatividá xeneral cola mecánica cuántica, dexaría la esistencia d'estos fenómenos. La mayoría de les soluciones conocíes de la relatividá xeneral que dexen la esistencia de furacos de guxán trevesaos riquen la esistencia de materia estraño, una sustancia teórico que contién enerxía de densidá negativa. Sicasí, nun foi matemáticamente probáu qu'esti seya un requisitu absolutu pa esti tipu furacos de guxán trevesaos nin s'estableció que la materia exótico nun puede esistir.

Entá nun se sabe empíricamente si esisten furacos de guxán. Una solución a les ecuaciones de la relatividá xeneral (tal como la qu'atopara L. Flamm) que fixera posible la esistencia d'un furacu de guxán ensin el requisitu d'una materia exótico —sustancia teórico que tendría una densidá d'enerxía negativa— nun foi inda verificada. Munchos físicos, incluyíu Stephen Hawking (col so conxetura de proteición cronolóxica), consideren que por causa de les paradoxes (¿o acasu aporíes?) un viaxe nel tiempu al traviés d'un furacu de guxán implicaría qu'esistiera daqué fundamental nes lleis de la física que torgue tales fenómenos (ver censura cósmica).

En marzu de 2005, Amos Ori visualizó un furacu de guxán que dexaba viaxar nel tiempu ensin riquir materia exótico y satisfaciendo toles condiciones enerxétiques. La estabilidá d'esta solución ye incierta, polo que sigue ensin quedar claru si riquiríase una precisión infinita por que se formara y dexara el viaxe nel tiempu y si los efeutos cuánticos protexeríen la secuencia cronolóxica del tiempu nesti casu.

Métrica de los furacos de guxán

Les teoríes sobre la métrica de los furacos de guxán describen la xeometría del espaciu-tiempu d'un furacu de guxán y sirven de modelos teóricos pal viaxe nel tiempu. Un exemplu simple de la métrica d'un furacu de guxán trevesáu podría ser el siguiente:

$ds^{2}=-c^{2}{\text{d}}t^{2}+{\text{d}}l^{2}+(k^{2}+l^{2})({\text{d}}\theta ^{2}+\sin ^{2}\theta \,{\text{d}}\phi ^{2})$

Un tipu de métrica de furacu de guxán non trevesáu ye la solución de Schwarzschild:

$ds^{2}=-\left(1-{\frac {2GM}{c^{2}r}}\right){\text{d}}t^{2}+{\frac {{\text{d}}r^{2}}{1-{\cfrac {2GM}{c^{2}r}}}}+r^{2}({\text{d}}\theta ^{2}+\sin ^{2}\theta \,{\text{d}}\phi ^{2})$

Furacos de guxán y viaxes nel tiempu

Interpretación artística d'un furacu de guxán como tuviera de ser vistu por un observador que tuviera travesando'l horizonte de sucesos d'un furacu de guxán de Schwarzschild, que ye similar a un furacu negru de Schwarzschild, pero cola peculiaridá de tener, en cuenta de la rexón en que se debiera atopar la singularidá gravitacional (nel casu del furacu negru), un camín inestable escontra un furacu blancu qu'esistiría n'otru universu (vease multiverso). Esta rexón ye inaccesible nel casu d'un furacu de guxán de Schwarzschild en cuantes que la ponte ente'l furacu negru y el blancu colapsaría siempres primero que l'observador tenga tiempu de travesalo. Vease *White Holes and Wormholes* pa un discutiniu más téunicu y una animación que representa lo qu'un observador miraría travesando un furacu de guxán de Schwarzschild.

En teoría, un furacu de guxán podría dexar viaxar nel tiempu al traviés del espaciu-tiempu. Esto podría llevase a cabu acelerando l'estremu final d'un furacu de guxán a una velocidá relativamente alta respectu del so otru estremu. La dilatación de tiempu relativista resultaría nuna boca del furacu de guxán acelerada avieyando más amodo que la boca estacionaria, vistu por un observador esternu, de forma asemeyada a lo que se repara na paradoxa de los ximielgos. Sicasí, el tiempu pasa distintu al traviés del furacu de guxán respeuto del esterior, polo que los relós sincronizaos en cada boca van permanecer sincronizaos pa daquién viaxando al traviés del furacu de guxán, ensin importar cuanto se muevan les boques. Esto quier dicir que cualquier cosa qu'ente pela boca acelerada del furacu de guxán podría salir pela boca estacionaria nun puntu temporal anterior al del so entrada si la dilatación de tiempu foi abondu.

Por casu, supongamos que dos relós en dambes boques amuesen l'añu 2000 antes d'acelerar una de les boques y, n'acelerando una de les boques hasta velocidaes cercanes a la de la lluz, xuntamos dambes boques cuando na boca acelerada'l reló marca l'añu 2017 y na boca estacionaria marca l'añu 2013. D'esta forma, un viaxeru qu'entrara pela boca acelerada nesti momentu saldría pela boca estacionaria cuando'l so reló tamién marcara l'añu 2013, na mesma rexón del espaciu pero cinco años nel pasáu. Tal configuración de furacos de guxán dexaría a una partícula de la Llinia d'universu del espaciu-tiempu formar un circuitu espaciu-temporal zarráu, conocíu como curva zarrada de tipu tiempu. El cursu al traviés d'un furacu de guxán al traviés d'una curva zarrada de tipu tiempu fai qu'un furacu de guxán tenga carauterístiques de buecu temporal.

Considérase que ye práuticamente imposible convertir a un furacu de guxán nuna máquina del tiempu» d'esta miente. Dellos analises usando aproximamientos semiclásicas qu'incorporen efeutos cuánticos na relatividá xeneral señalen qu'una retroalimentación de partícules virtuales circularíen al traviés del furacu de guxán con una intensidá en continuu aumentu, destruyéndolo primero que cualquier información pudiera travesalo, acordies con lo que postula la conxetura de proteición cronolóxica. Esto foi puestu en dulda, suxiriendo que la radiación esvalixaríase dempués de viaxar al traviés del furacu de guxán, torgando asina la so acumuladura infinita. Kip S. Thorne caltién un alderique al respeutu nel so llibru Furacos negros y tiempu curvu (Black Holes and Time Warps).^[5] Tamién se describió'l denomináu Aniellu Romanu, una configuración formada por más d'un furacu de guxán. Esti aniellu paez dexar una llinia de tiempu zarráu con furacos de guxán estables cuando ye analizáu sol prisma de la gravedá semiclásica, pero ensin una teoría completa de la gravedá cuántica entá nun puede sabese si dicha aproximamientu semiclásica ye aplicable nesti casu.

Viaxes a velocidaes cimeres a la de la lluz

La relatividá especial namái tien aplicación llocalmente. Los furacos de guxán — si n'efeutu esistieren— dexaríen teóricamente'l viaxe superluminal (más rápidu que la lluz) asegurando que la velocidá de la lluz nun ye entepasada llocalmente en nengún momentu. Al viaxar al traviés d'un furacu de guxán, les velocidaes son subluminales (per debaxo de la velocidá de la lluz). Si dos puntos tán coneutaos per un furacu de guxán, el tiempu que se tarda en travesalo sería menor que'l tiempu que tarda un rayu de lluz en faer el viaxe pol esterior del furacu de guxán. Sicasí, un rayu de lluz viaxando al traviés del furacu de guxán siempres algamaría al viaxeru. A manera d'analoxía, arrodiar un monte pola banda hasta'l llau opuestu a la máxima velocidá puede tomar más tiempu que cruciar per debaxo del monte al traviés d'un túnel a menor velocidá, una y bones el percorríu ye más curtiu.

Subatómicamente se hipotetiza la esistencia d'una espluma cuántica o d'una espluma d'espaciu-tiempu, avanzando cola conxetura, se hipotetiza la posibilidá d'esistencia de furacos de guxán na mesma, anque si estos esistieren seríen altamente inestables y solo podríen estabilizase invirtiendo enormes cantidaes d'enerxía (por casu con aceleradores de partícules xigantescos que puedan crear un plasma de quarks-gluones).

Ver tamién

Referencies

↑ Luis Eduardo Galindo Neira (2007). Augusto Ochoa: Ciencies sociales. Bogotá, Colombia: Santillana S. A., páx. 203. ISBN 958-24-1092-2.
↑ COLEMAN, Korte. Hermann Weyl's Raum-Zeit -Materie and a General Introduction to His Scientific Work, p. 199
↑ «Classical physics as geometry». Ann. Phys. 2: p. 525. 1957. doi:10.1016/0003-4916(57)90049-0.
↑ Pueden apreciase otres animaciones ya imáxenes computarizadas de furacos de viérbene practicables del mesmu autor en esta páxina. En esta otra pueden vese imáxenes adicionales.
↑ Wormholes

Bibliografía

DeBenedictis, Andrew and Das, A.. «On a General Class of Wormhole Geometries». arXiv eprint server. Consultáu'l 12 d'agostu de 2005.
Dzhunushaliev, Vladimir. «Strings in the Einstein's paradigm of matter». arXiv eprint server. Consultáu'l 12 d'agostu de 2005.
Einstein, Albert and Rosen, Nathan. The Particle Problem in the General Theory of Relativity. Physical Review 48, 73 (1935).
Fuller, Robert W. and Wheeler, John A.. Causality and Multiply-Connected Space-Time. Physical Review 128, 919 (1962).
Garattini, Remo. «How Spacetime Foam modifies the brick wall». arXiv eprint server. Consultáu'l 12 d'agostu de 2005.
González-Díaz, Pedro F.. «Quantum time machine». arXiv eprint server. Consultáu'l 12 d'agostu de 2005.
González-Díaz, Pedro F.. «Ringholes and closed timelike curves». arXiv eprint server. Consultáu'l 12 d'agostu de 2005.
Khatsymosky, Vladimir M.. «Towards possibility of self-maintained vacuum traversable wormhole». arXiv eprint server. Consultáu'l 12 d'agostu de 2005.
Krasnikov, Serguei. «Counter example to a quantum inequality». arXiv eprint server. Consultáu'l 12 d'agostu de 2005.
Krasnikov, Serguei. «The quantum inequalities do not forbid spacetime shortcuts». arXiv eprint server. Consultáu'l 12 d'agostu de 2005.
Li, Li-Xin. «Two Open Universes Connected by a Wormhole: Exact Solutions». arXiv eprint server. Consultáu'l 12 d'agostu de 2005.
Morris, Michael S., Thorne, Kip S., and Yurtsever, Ulvi. Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition. Physical Review Letters 61, 1446–1449 (1988).
Morris, Michael S. and Thorne, Kip S.. Wormholes in spacetime and their use for interstellar travel: A tool for teaching general relativity (enllaz rotu disponible n'Internet Archive; ver l'historial y la última versión).. American Journal of Physics 56, 395-412 (1988).
Nandi, Kamal K. and Zhang, Yuan-Zhong. «A Quantum Constraint for the Physical Viability of Classical Traversable Lorentzian Wormholes». arXiv eprint server. Consultáu'l 12 d'agostu de 2005.
Ori, Amo. «A new time-machine model with compact vacuum core». arXiv eprint server. Consultáu'l 12 d'agostu de 2005.
Roman, Thomas, A.. «Some Thoughts on Energy Conditions and Wormholes». arXiv eprint server. Consultáu'l 12 d'agostu de 2005.
Teo, Edward. «Rotating traversable wormholes». arXiv eprint server. Consultáu'l 12 d'agostu de 2005.
Visser, Matt. «The quantum physics of chronology protection by Matt Visser.». arXiv eprint server. Consultáu'l 12 d'agostu de 2005. An excellent and more concise review.
Visser, Matt. Traversable wormholes: Some simple examples. Physical Review D 39, 3182–3184 (1989).

Enllaces esternos

La Física de los Viaxes nel Tiempu al traviés d'un Furacu de guxán Archiváu 2018-04-21 en Wayback Machine por Raúl Isea.
Creating a Traversable Wormhole por Mohammad Mansouryar (n'inglés).
¿Qué ye esautamente un furacu de guxán? respuesta de Richard F. Holman, William A. Hiscock y Matt Visser (n'inglés).
¿Por qué furacos de guxán? por Matt Visser (n'inglés).
Furacos de guxán na relatividá xeneral por Soshichi Uchii (n'inglés).
Nuevos furacos de guxán ameyoraos por John G. Cramer (n'inglés).
Tiempu, viaxe nel tiempu y furacos de guxán trevesaos inclúi un foru de discutiniu (n'inglés).
Furacos blancos y furacos de guxán Archiváu 2011-09-27 en Wayback Machine presenta una escelente descripción de los furacos de guxán de Schwarzschild con gráficos y animaciones, por Andrew J. S. Hamilton (n'inglés).
Wormhole on arxiv.org
Scientific American Magazine (December 2005 Issue) Wormhole Un xuegu sobre furacos de guxán (n'inglés).
Wormhole MUD - A Sci-Fi Multi-User Dungeon

[Ciencies_Sociales-1] Luis Eduardo Galindo Neira (2007). Augusto Ochoa: Ciencies sociales. Bogotá, Colombia: Santillana S. A., páx. 203. ISBN 958-24-1092-2.

[2] COLEMAN, Korte. Hermann Weyl's Raum-Zeit -Materie and a General Introduction to His Scientific Work, p. 199

[3] «Classical physics as geometry». Ann. Phys. 2: p. 525. 1957. doi:10.1016/0003-4916(57)90049-0.

[4] Pueden apreciase otres animaciones ya imáxenes computarizadas de furacos de viérbene practicables del mesmu autor en esta páxina. En esta otra pueden vese imáxenes adicionales.

[5] Wormholes

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]