¿Qué son los agujeros de gusano?

Los portales a través del espacio y el tiempo han sido el motor para el desarrollo de tramas de algunas de las películas más míticas de la historia del cine, así como para grandes novelas y cómics. No es ninguna sorpresa conocer que la cultura se ha nutrido de los más apasionantes secretos de la física para llenar las salas de cine de todo el mundo y para vender libros.

Pero como bien dicen, la realidad a veces supera la ficción. Y aunque los portales que conectan espacios y tiempos distintos en el Universo e incluso en Universos diferentes sea siendo algo propio de la ciencia ficción, la historia de la física nos ha demostrado que, tal vez, tengan más de ciencia que de ficción.

Estamos hablando de los famosos agujeros de gusano, unas hipotéticas entidades que se desprenden de las ecuaciones de la Relatividad General de Einstein y que, en teoría, consistirían en puentes o atajos a través del tejido espacio-tiempo. Portales a través del espacio y del tiempo. Puentes para viajar más deprisa que la luz.

Pero, ¿qué son exactamente estos agujeros de gusano? ¿Existen? ¿Se han observado alguna vez? ¿Cómo se forman? ¿Realmente podrían transportar personas a rincones alejados del Universo? ¿Podríamos crearlos? ¿Cuál es la historia detrás de su descubrimiento? Prepárate para que te estalle la cabeza, porque en el artículo de hoy vamos a sumergirnos en los más increíbles secretos de los agujeros de gusano.

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¿Qué es un agujero de gusano?

Haremos una cosa. Primero te digo qué son los agujeros de gusano. Y como se va entender poco (muy poco) luego ya entraremos más en profundidad. ¿Te parece? Bien. Un agujero de gusano es una hipotética entidad topológica que se desprende de las ecuaciones descritas en la Teoría de la Relatividad General y que consistiría en un atajo a través del espacio y del tiempo.

Los agujeros de gusano, pues, serían una especie de puentes que conectan dos puntos del espacio y del tiempo a través de una garganta a través de la cual podría, en teoría, desplazarse la materia. Una especie de autopista tanto en el espacio como en el tiempo. Un puente que conecta dos lugares diferentes en tiempos distintos.

La Teoría de la Relatividad General nos hizo dejar de pensar en el espacio como un tejido de tres dimensiones y empezar a pensar en el Universo como un tejido de 4 dimensiones donde las tres espaciales y la temporal forman el conocido como espacio-tiempo.

Un espacio-tiempo que, dependiendo de los componentes que se encuentren en él, puede deformarse. Ahí estaría el origen de la gravedad. Pero también de cosas raras. Como por ejemplo los agujeros negros, que son una región donde el espacio-tiempo se comprime tanto que se forma una singularidad donde las leyes de la relatividad se rompen, o, que es lo que nos interesa hoy, los agujeros de gusano.

Imagina que tienes una hoja. Te dibujo un punto en cada lado de la hoja y te digo que dibujes el camino más rápido entre estos puntos. Seguramente lo que harás es dibujarme una línea recta. Muy bien. Eso está bien en un espacio-tiempo que no se ha doblado. Pero el espacio-tiempo puede doblarse.

Y ahora es cuando te vendría de listo, doblaría el papel para que los puntos se tocaran y haría un agujero atravesando la hoja con el boli. Ahí tienes el agujero de gusano. Una ventana a un lugar remoto que conecta espacios y tiempos distintos. Sí. Un portal. Pero esto acaba de empezar. Y es momento de sumergirnos en su historia.

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Agujeros en el Universo: ¿callejones sin salida?

Año 1916. Ludwig Flamm, físico austríaco que -spoiler- creó la teoría de los más tarde denominados agujeros de gusano, se dio cuenta de que los agujeros gravitacionales descritos por la métrica de Schwarzschild, una solución exacta de las ecuaciones de Einstein de campo gravitatorio y que plantea también la solución a la existencia de los agujeros negros, no tenía por qué ser un callejón sin salida.

Hasta que Flamm se puso por medio, creíamos que la única posibilidad es que entrar en un agujero gravitacional de un agujero negro era un viaje sin regreso. Pero Flamm encontró una nueva solución a las ecuaciones. Se dio cuenta de que los agujeros gravitacionales podrían ser, en realidad, un embudo con dos salidas. Flamm, sin saberlo, estaba poniendo la semilla para el desarrollo de una teoría que tiene mucho especulación pero también mucho de ciencia.

Sea como sea, ni siquiera el propio Flamm le dio importancia, pues él y la comunidad científica creyeron que simplemente se habían encontrado con una curiosidad matemática más de tantas dentro de la relatividad general. Pero cuando el propio Albert Einstein se metió en el tema, la cosa cambió.

Era el año 1935. Albert Einstein y Nathan Rosen, un físico israelí, expandieron esta idea de los embudos espacio-temporales y desarrollaron la teoría de los conocidos como puentes de Einstein-Rosen. Y es aquí cuando tenemos que detenernos. Porque vienen curvas. Nunca mejor dicho.

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Los puentes de Einstein-Rosen: ¿portales entre agujeros negros y blancos?

Seguro que conoces los agujeros negros. Y dentro de sus locuras, son bastante normalitos. Pero es hora de hablar de sus “primos raritos”. Los agujeros blancos. Unos cuerpos celestes hipotéticos que se desprenden de las ecuaciones de Einstein y que serían el inverso matemático de los agujeros negros. Matemáticamente hablando, los agujeros blancos son lo opuesto a los negros.

Y son opuestos en todo. Los agujeros blancos serían agujeros negros que, a diferencia de estos, expulsan materia y energía y avanzan (entre comillas) hacia atrás en el tiempo. De los agujeros negros nada puede escapar. En los agujeros blancos, nada puede entrar. Solo expulsan materia y energía. Todo sale de un agujero blanco pero nada puede entrar.

Y aunque, recordemos, estos agujeros blancos son hipotéticos, plantean una posibilidad asombrosa. Si los agujeros blancos no pueden absorber nada, ¿de dónde viene la materia y energía que expulsan? Y otra cosa, si los agujeros negros no paran de engullirlo todo, ¿dónde va la materia y energía que tragan? Imagino que ya ves que vamos a responder a ambas preguntas a la vez. Mataremos a dos pájaros de un tiro.

Porque es aquí cuando entran en juego los puentes de Einstein-Rosen. Ambos agujeros, el blanco y el negro, que formarían parte de realidades diferentes, quedarían unidos por unos pasajes espacio-temporales que vendrían a ser estos agujeros de gusano. Aunque todavía no tenían este nombre. No nos adelantemos. La cosa es que los puentes de Einstein-Rosen serían el pasaje para que la materia engullida por un agujero negro viajara hasta un agujero blanco, que la escupiría. Tan sencillo y tan complicado a la vez.

Demasiado bueno para ser cierto. Pues sí. Era muy bonito sobre el papel, pero no podíamos determinar que estos pasajes realmente existieran. Y durante 20 años, nadie volvió a hablar de ellos. Pero todo cambió cuando John Wheeler y Bob Fuller entraron en escena.

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El nacimiento de los agujeros de gusano

Finales de los años 50. John Archibald Wheeler y Robert Fuller, físicos estadounidenses, volvieron a tomar la hipótesis de los puentes de Einstein-Rosen y se dieron cuenta de que estos pasajes no tenían por qué conectar realidades distintas, sino que podrían ser túneles que conectan puntos distintos pero dentro de una misma realidad.

Ambos físicos trabajaron en esta teoría hasta que, en 1957, Wheeler bautizó estas hipotéticas entidades como “agujeros de gusano”. El concepto acababa de nacer. Pero también vendrían las complicaciones. Y menudas complicaciones. Si bien imaginando un espacio de tres dimensiones, estos agujeros de gusano funcionaban (matemáticamente hablando), todo se colapsaba cuando entraba en juego el tiempo.

Estos agujeros de gusano podían formarse, pero nos encontramos con el problema de que tendríamos que atravesar dos horizontes de sucesos. Y la región del medio, que es el interior del agujero negro, se cerraría en cuanto se alcanzara la singularidad. Se colapsaría tan rápido que ni siquiera la luz podría atravesar este pasaje. En otras palabras, que no se podían atravesar.

Con Wheeler habíamos conseguido describir estos agujeros de gusano. Pero si era imposible que la materia los atravesara, ¿de qué nos servía? Si la gracia de los agujeros de gusano es que las personas podamos atravesarlos para viajar a otra galaxia. Nos habíamos topado con otro callejón sin salida que haría que no continuara su investigación hasta muchos años después.

Años 80. Kip Thorne, uno de los más legendarios físicos teóricos estadounidenses, se propuso, especialmente por charlas con Carl Sagan sobre su novela Contact, desarrollar una teoría no para que estos agujeros de gusano pudieran existir (esto ya lo teníamos), sino para el paso definitivo. Que fueran atravesables. Thorne, en los años ochenta, se propuso encontrar el modo de conseguir que un humano atravesara estos portales por el espacio-tiempo. ¿Cómo? Bueno. Prepárate.

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Creación de agujeros de gusano: ¿podremos atravesarlos?

Contexto. No hemos visto jamás un agujero de gusano. Creemos que pueden existir. Pero tampoco estamos seguros. Parece que no se pueden atravesar porque son muy inestables. Kip Thorne nos dice que a lo mejor sí. Bueno, pues veamos cómo. Evidentemente, los hipotéticos pasajes entre agujeros gravitacionales (un agujero negro y uno blanco) quedan descartados. Son inestables, no pueden atravesarse y, bueno, no sería demasiado ético arrojar a alguien a un agujero negro.

El físico teórico desarrolló dos teorías para la formación de agujeros de gusano estables y atravesables que no requirieran de lanzar a nadie a un agujero negro. ¿Lo consiguió? Bueno, si a una conjetura le quieres llamar “conseguir”, sí. Al final, todo son especulaciones. Pero molan mucho. Así que empecemos.

1. La formación cuántica de agujeros de gusano: la espuma cuántica

Mezclar agujeros de gusano con mecánica cuántica. ¿Qué podría salir mal? Exacto. Todo. Pero vamos a ver cómo podría, una civilización ultra avanzada, crear agujeros de gusano con la, digamos, receta cuántica. Necesitaríamos solo un ingrediente: la espuma cuántica. Pero menudo ingrediente.

Tenemos que viajar desde nuestro mundo macroscópico hasta el mundo cuántico, concretamente a la escala de Planck. Estamos hablando de escalas de 0,0000000000000000000000000000000001 centímetros. La escala mínima que representa la distancia más pequeña que puede existir en el Universo.

Pues bien, dentro de la mecánica cuántica, existe la teoría de que, supuestamente, la estructura base del espacio sería lo que se conoce como espuma cuántica. Una especie de malla con turbulencias que nos hace descartar la concepción de un espacio que puede dividirse infinitamente. Tiene un límite. Esta espuma cuántica.

Y en esta espuma cuántica, que sigue las leyes de la física cuántica (recordemos que Feynman dijo una vez que si crees que entiendes la física cuántica, es que no entiendes la física cuántica) podría haber espacios conectados entre sí. Estos lazos de la espuma cuántica serían agujeros de gusano. Miniagujeros de gusano, “para ser más exactos”.

Kip Thorne nos dijo que lo único que tendríamos que hacer es manipular esta espuma cuántica para incrementar el tamaño de estos lazos cuánticos y así utilizarlos como agujeros de gusano estables que permitieran el viaje de personas. Ni qué decir tiene que estamos lejísimos de tal cosa. ¿Una civilización muy pero que muy avanzada? Quién sabe.

Y si esto de la espuma cuántica no te acaba de convencer, no te preocupes. Hay otra forma cuántica de crear agujeros de gusano. Tendríamos que ser una civilización capaz de movernos sobre las diez dimensiones para así manipular las cuerdas que, de acuerdo a la teoría de cuerdas, conforman el nivel más elemental de la materia.

Después del Big Bang, las fluctuaciones cuánticas espaciotemporales a la escala de Planck podrían haber creado infinidad de agujeros de gusano a través de estos hilos unidimensionales. Las cuerdas podrían haber mantenido abiertos estos pasajes desde el origen del Universo. Solo tendríamos que viajar a la décima dimensión y manipularlas. No veo el problema.

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2. La formación clásica de agujeros de gusano: la materia exótica

De acuerdo, todo esto de la mecánica cuántica es demasiada especulación. Volvamos un poco a lo clásico. O, al menos, a un nivel del Universo que podemos percibir. El mundo macroscópico. Porque si podemos crear agujeros de gusano sin viajar al mundo cuántico, hombre, pues mejor. El problema es que necesitaríamos un ingrediente un poco extraño: la materia exótica. Pero no nos adelantemos.

Lo que queremos conseguir es crear un agujero de gusano a través de la relatividad general. Nada de mecánica cuántica. Y Kip Thorne también nos dio la solución. En este caso, el problema no es estirar la espuma cuántica de un agujero de gusano ya estable, sino tener un agujero de gusano ya de nuestro tamaño pero hacerlo estable.

Y la única forma de evitar que la gravedad cerrara inmediatamente este portal por el espacio-tiempo sería disponer de una materia que generara repulsión, no atracción. Si no se te ocurre nada, vas bien. Ninguna materia del Universo (ni siquiera la antimateria o la materia oscura) tiene esta cualidad. Toda la materia genera atracción.

¿Por qué? Porque toda la materia del Universo es de masa positiva. Necesitaríamos una materia de densidad de energía negativa. Es decir, una materia de masa negativa. Algo que ha sido bautizado como materia exótica. “Exótica” porque no hay ni rastro de ella ni ninguna prueba de que pueda existir. Es solo una especulación.

Si descubriéramos (o una civilización muchísimo más avanzada creara) esta materia exótica de masa negativa, entonces tendríamos una materia que generaría repulsión gravitatoria. Antigravedad. Y con ella, podríamos evitar que el agujero de gusano se cerrara. Ahora solo tendríamos que perforar el espacio-tiempo en dos regiones distintas y unirlas. “Solo”. Con ello, podríamos tener un agujero negro sin enfrentarnos a la singularidad de un agujero negro, que es lo que hacía que todo se derrumbara.

¿Primer problema? Podríamos generar paradojas. No olvidemos que en los agujeros de gusano el tiempo se tuerce, por lo que podríamos aparecer en un pasado (como viajando en una máquina del tiempo) y alterar así el curso de la realidad de la que venimos.

¿Segundo problema? Necesitaríamos una pared de masa generadora de energía negativa en el centro del agujero de gusano. Y, seamos sinceros, muy saludable no suena esto. Así que tendríamos que poner la materia exótica fuera del camino de los viajantes. Pero, entonces, ¿cómo mantendríamos abierto el agujero?

Bueno, Matt Visser, matemático neozelandés, para hacer frente a esta problemática, ideó un agujero de gusano cúbico, con alambres de materia exótica que definen los bordes y un espacio plano relativamente seguro para viajar por los lados. Solo faltaba que se metieran los matemáticos.

Sea como sea, la materia exótica no parece existir. Y no parece que jamás vayamos a ser capaces de manipular la espuma cuántica. Así que los agujeros de gusano atravesables quedan, de momento, descartados. Pero siempre nos quedará el cine.