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Matéria Negativa

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Matéria Negativa

Mensagem por Carlos Costa em 26th Maio 2011, 12:50

A única maneira de impedir o colapso gravitacional, tal como ocorre nos buracos negros, e evitar a ocorrência de um horizonte de acontecimentos será distribuir algum tipo de matéria através do wormhole, de modo que este mantenha a garganta aberta. Verifica-se que uma das maiores dificuldades impostas à construção de um wormhole transitável reside nas enormes tensões necessárias para mantê-lo aberto, empurrando as suas paredes para fora. Concretamente, uma restrição que advém da análise da aplicação da equação de Einstein da gravitação impõe que a tensão radial exceda a densidade de massa-energia. A matéria que satisfaz tal condição é denominada matéria exótica. A natureza exótica dessa matéria é especialmente problemática devido às implicações para as medições efectuadas por observadores que se movem através da garganta com uma velocidade radial próxima da velocidade da luz. Se a velocidade for suficientemente elevada, o viajante medirá uma densidade de energia negativa. Isto não significa que a matéria exótica tenha também uma densidade de energia negativa para um observador em repouso no interior do wormhole. A densidade de energia é um conceito relativo, não absoluto. Num dado referencial pode ter um carácter negativo e noutro positivo. A matéria exótica tem uma densidade de energia negativa para um viajante que atravesse o wormhole a uma velocidade próxima da da luz, mas possui uma densidade de energia positiva quando é medida por um observador em repouso no referencial do wormhole.

A suposição da inexistência de densidades de energia negativas constitui, possivelmente, um preconceito profundamente enraizado na mente humana, devido à aparente falta de evidência experimental. No entanto, a Teoria Quântica de Campo prevê a existência de densidades de energia negativas em certos estados de vácuo, sendo o chamado "efeito de Casimir" o mais conhecido. Este efeito pode ser obtido recorrendo a duas placas condutoras que se encontrem muito próximas uma da outra. Devido às condições de fronteira impostas pela proximidade das placas, estas excluem certos comprimentos de onda de radiação das flutuações quânticas de vácuo, diminuindo a energia do mesmo. Se medirmos a energia média entre as placas, obteremos um resultado interessante: os campos quânticos flutuantes têm um valor inferior a zero. Mas, de acordo com Einstein, energia e massa são equivalentes, logo, à energia negativa associada ao "efeito de Casimir" deverá corresponder uma massa negativa.


Simulação de uma imagem obtida através de um wormhole
É possível provar que qualquer wormhole não-estático e sem simetria esférica é constituído por matéria cuja densidade de energia é negativa para alguns observadores. Uma análise qualitativa possível é a seguinte: um feixe luminoso que entra numa boca e emerge na outra tem uma secção eficaz que inicialmente diminui e depois aumenta ao atravessar a garganta. A conversão do decréscimo para o acréscimo da secção recta eficaz apenas pode ser produzida pela repulsão gravitacional da matéria que constitui o wormhole, o que corresponde à existência de densidades de energia negativas. Esta restrição viola algumas condições de energia que são fundamentais para a demonstração de alguns teoremas importantes sobre a existência de singularidades.

A descoberta de que todos os wormholes necessitam de matéria exótica para mantê-los abertos suscitou uma intensa investigação em torno da violação das condições de energia, a qual prossegue ainda hoje. Paralelamente, gerou, também, uma certa resistência no sector mais conservador da comunidade científica, que, não obstante, tem vindo a decrescer consideravelmente.

Seria extremamente desconfortável para um viajante interagir com matéria que apresente tensões elevadíssimas. Existem várias maneiras de proteger um viajante de uma tal interacção. Morris e Thorne sugerem que poderíamos colocar um tubo de vácuo através do wormhole, com um diâmetro muito menor do que o raio da garganta, e utilizar tensões nas paredes do tubo para evitar o acoplamento da matéria exótica com o viajante. Essa possibilidade quebra a simetria esférica do wormhole, e teríamos de estudar as respectivas soluções das equações de campo de Einstein para um wormhole não-esférico. De facto, Matt Visser, um estudioso do assunto, descobriu soluções de wormholes cúbicos e poliédricos. Essas soluções têm a vantagem de um viajante não se deparar com matéria exótica na travessia. A matéria exótica que constitui o wormhole (apesar das suas tensões e densidade de energia enormes) poderá acoplar muito fracamente com a matéria normal, tal como acontece com os neutrinos e as ondas gravitacionais. Na ausência de uma compreensão mais completa das propriedades da matéria exótica, é impossível estabelecer uma análise concreta sobre a estabilidade do wormhole face a pequenas ou grandes perturbações, tais como as geradas pela travessia de uma nave espacial.

Construção e estabilidade de um wormhole transitável

Se é certo que os buracos negros parecem ser uma consequência inevitável da evolução estelar, já não se pode afirmar que exista um mecanismo natural para a criação de wormholes. A construção de um wormhole é um assunto muito problemático. É possível imaginar duas estratégias para construir um wormhole: uma quântica e outra clássica.

A estratégia quântica é baseada nas flutuações de vácuo gravitacionais. Estas são flutuações aleatórias e probabilísticas na curvatura do espaço-tempo devido às tensões entre regiões espaciais adjacentes que continua e mutuamente retiram e restituem energia. Pensa-se que as flutuações de vácuo gravitacionais existem em todo o espaço, mas os seus efeitos são tão pequenos que, com a actual tecnologia, é impossível detectá-los.

Em 1955, John Wheeler combinou de um modo grosseiro as leis da Mecânica Quântica e da Relatividade Geral, deduzindo que em regiões da ordem da escala de Planck, 10-35 m, as flutuações de vácuo são tão grandes que o espaço-tempo como o conhecemos "fervilha", constituindo uma autêntica espuma designada "espuma quântica". É possível visualizá-la melhor recorrendo à seguinte analogia: imagine-se um observador, voando nas alturas, que vê o oceano por baixo como sendo perfeitamente plano; diminuindo a sua altitude de voo, as ondas do mar passam a ser ligeiramente visíveis e, descendo mais ainda, depara-se com uma infinidade de ondas na superfície marinha. Segundo Wheeler, a "espuma quântica" existe em qualquer região do espaço-tempo, mas, para vê-la, seria necessário um hipotético super-microscópio que permitisse observar o espaço a escalas cada vez menores. Seria preciso descer da escala humana, da ordem de grandeza do metro, passando pela escala do átomo, 10-10m, e do núcleo atómico, 10-15m, até à escala de Planck, 10-35m. A escalas relativamente grandes, o espaço seria observado como plano e suave, mas, ao aproximarmo-nos da escala de Planck, começaria a ondular ligeiramente, para culminar numa espécie de "ebulição", correspondente a uma "espuma quântica" probabilística. Poderíamos imaginar uma civilização avançadíssima a extrair um wormhole transitável dessa "espuma quântica", expandindo-o até atingir dimensões macroscópicas.


Versão artística da espuma quântica
Thomas Roman, outro estudioso do assunto, oferece uma perspectiva interessante. Suponhamos que um wormhole transitável poderia formar-se no Universo recém-nascido, através de uma flutuação quântica. É possível que se possa converter um wormhole quântico num wormhole com dimensões clássicas, num cenário inflacionário do Universo.

Relativamente à estratégia clássica, poderíamos imaginar uma civilização extremamente avançada a distorcer o espaço-tempo à escala macroscópica, para construir um wormhole. Seria preciso romper o "tecido" do espaço-tempo em duas regiões e cozê-las juntas. Este romper do espaço-tempo, na realidade, consiste no aparecimento de uma singularidade, a qual, possivelmente, é governada pelas leis de uma "teoria de gravitação quântica" ainda por formular. A esse mecanismo dá-se o nome de mudança topológica. Não saberemos se as mudanças topológicas são exequíveis até à elaboração e compreensão duma eventual "teoria de gravitação quântica".

É claro, qualquer esperança de construir um wormhole depende da futura descoberta de um campo exótico, ou seja, de um estado quântico de campos cuja tensão exceda a densidade de energia à escala macroscópica. Mesmo que um campo exótico venha a estar disponível, existem outras dificuldades, nomeadamente: a possibilidade da mecânica quântica proibir uma mudança topológica do espaço-tempo; a eventualidade dos wormholes poderem ser altamente instáveis; e a possibilidade da matéria exótica acoplar fortemente com a matéria normal, o que impediria uma travessia.

À laia de conclusão podemos destacar o seguinte: apesar de todas as dificuldades apresentadas, não existe qualquer prova irrefutável que proíba a existência de wormholes como soluções das equações de Einstein da gravitação. De modo que não nos resta senão admitir os wormholes transitáveis no espaço-tempo como uma possibilidade digna de investigação.

Carlos Costa
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