Agujeros negros y pequeños universos y otros ensayos

1. Vida temprana y superación de la adversidad

Intento llevar una vida lo más normal posible y no pensar en mi condición ni lamentar las cosas que me impide hacer, que no son tantas.

Un comienzo difícil. Nacido exactamente 300 años después de la muerte de Galileo, la infancia de Hawking estuvo marcada por mudanzas, una educación progresiva y una familia considerada excéntrica. No tenía buena coordinación física y aprendió a leer tarde, pero mostró desde temprano una curiosidad intelectual a través de juegos complejos y un deseo de entender cómo funcionaban las cosas.

Diagnóstico y determinación. Poco después de comenzar su doctorado en Cambridge, le diagnosticaron ELA (esclerosis lateral amiotrófica) y le dieron solo unos años de vida. Este golpe inicial y el período de desesperación fueron superados gracias a que la enfermedad avanzó más lentamente de lo esperado y, sobre todo, a su compromiso con Jane Wilde, que le dio un motivo para vivir y trabajar.

Adaptándose a la discapacidad. A medida que su condición empeoraba, necesitando silla de ruedas y perdiendo finalmente el habla, Hawking se adaptó con la ayuda fundamental de su familia, estudiantes, enfermeros y la tecnología. Un sistema informático y un sintetizador de voz le permitieron seguir comunicándose, dando conferencias y escribiendo, demostrando una gran resiliencia y negándose a ser definido por su enfermedad.

2. La naturaleza de las teorías científicas y la realidad

Considero que la posición solipsista de que todo es creación de nuestra imaginación es una pérdida de tiempo.

Modelos del universo. Hawking entiende una teoría física simplemente como un modelo matemático para describir observaciones. Una buena teoría es elegante, explica una amplia gama de fenómenos y hace predicciones comprobables. Sostiene que carece de sentido preguntar si una teoría corresponde a una “realidad” independiente del modelo que usamos para interpretarla.

La teoría precede al experimento. Los avances en física teórica suelen impulsarse por la búsqueda de coherencia lógica y elegancia matemática, más que solo por resultados experimentales. Primero se proponen teorías, que hacen predicciones, y luego se prueban mediante observaciones; si estas no concuerdan, la teoría se abandona o modifica.

La realidad depende de la teoría. Lo que percibimos como real está condicionado por la teoría científica que aceptamos. Conceptos como el espacio y el tiempo absolutos parecían reales bajo la física newtoniana, pero fueron revolucionados por la relatividad de Einstein, mostrando que nuestra comprensión de la realidad evoluciona con nuestros marcos teóricos.

3. El origen del universo: de la singularidad a la ausencia de fronteras

Esto significaría que la ciencia por sí sola no podría predecir cómo comenzó el universo.

El problema del Big Bang. La observación de que el universo se expande implica que las galaxias estuvieron alguna vez mucho más juntas, sugiriendo un punto en el pasado (el Big Bang) donde la densidad y la curvatura del espacio-tiempo eran infinitas: una singularidad. La relatividad general clásica predice esta singularidad, pero falla allí, por lo que no puede predecir cómo comenzó el universo.

Evitando la singularidad. Los primeros intentos para evitar una singularidad inicial incluyeron la teoría del estado estacionario (creación continua de materia) y modelos donde el universo rebotaba tras una fase de contracción. Sin embargo, evidencias observacionales como el fondo cósmico de microondas y los teoremas de singularidad refutaron estas alternativas, reforzando la idea de un comienzo singular.

La propuesta sin fronteras. Combinando la relatividad general con la mecánica cuántica, la “propuesta sin fronteras” sugiere que la historia del universo en tiempo imaginario es finita pero no tiene borde ni singularidad, como la superficie de la Tierra. En este estado, las leyes científicas podrían determinar por sí solas las condiciones iniciales y la evolución del universo, eliminando la necesidad de una intervención externa.

4. Agujeros negros: no tan negros después de todo

Para mi gran sorpresa, descubrí que el agujero negro parecía emitir partículas a un ritmo constante.

Colapso gravitacional. Las estrellas masivas, tras agotar su combustible nuclear, colapsan bajo su propia gravedad. Si la masa supera cierto límite (aproximadamente el doble de la masa del Sol), el colapso continúa hasta que la velocidad de escape supera la de la luz, formando un agujero negro: una región de la que nada puede escapar.

El horizonte de sucesos. El límite de un agujero negro es el horizonte de sucesos, un punto sin retorno. La relatividad general clásica predice que todo lo que atraviesa el horizonte queda atrapado y colapsa en una singularidad en el centro, perdiendo toda información excepto masa, carga y momento angular (el “teorema sin pelo”).

Emisión cuántica. De manera contraintuitiva, la mecánica cuántica predice que los agujeros negros no son completamente negros, sino que emiten partículas y radiación (radiación de Hawking). Esto ocurre porque pares virtuales de partículas y antipartículas aparecen constantemente cerca del horizonte; una puede caer mientras la otra escapa, apareciendo como radiación emitida, lo que hace que el agujero negro pierda masa lentamente y eventualmente se evapore.

5. La búsqueda de una teoría unificada

Sin embargo, hay que incluir la gravedad para obtener una teoría completamente unificada.

Cuatro fuerzas fundamentales. La física describe el universo mediante cuatro interacciones fundamentales: nuclear fuerte, electromagnetismo, nuclear débil y gravedad. Se han logrado avances significativos unificando las tres primeras (por ejemplo, la teoría Salam-Weinberg que unifica electromagnetismo y fuerzas débiles, y las teorías de gran unificación que intentan incluir la fuerza fuerte).

El desafío de la gravedad. La gravedad, aunque la más débil, es la fuerza más difícil de incorporar en una teoría cuántica. La relatividad general clásica predice singularidades donde falla, por lo que se necesita una teoría cuántica de la gravedad para describir condiciones extremas como el Big Bang o el interior de los agujeros negros.

Supergravedad y supercuerdas. Los candidatos actuales para una teoría unificada incluyen la supergravedad y las teorías de supercuerdas. Estas buscan unificar todas las partículas (materia y portadoras de fuerza) e interacciones, resolviendo infinitos y proporcionando una descripción completa y sin parámetros del universo, aunque la verificación experimental sigue siendo difícil debido a las energías extremadamente altas involucradas.

6. Tiempo imaginario y la suma sobre historias

Creo que el tiempo imaginario llegará a parecer tan natural como ahora nos parece la Tierra redonda.

Más allá del tiempo real. El tiempo imaginario es un concepto matemático, distinto del tiempo real que experimentamos, que se comporta como otra dimensión espacial. Aunque inicialmente contraintuitivo, Hawking sostiene que es una herramienta necesaria para la gravedad cuántica, así como la Tierra redonda reemplazó la idea de Tierra plana.

La suma sobre historias de Feynman. La mecánica cuántica puede formularse considerando que un sistema no tiene una única historia, sino que sigue todos los caminos o historias posibles. La probabilidad de un resultado se calcula sumando las contribuciones de todas las historias posibles, un concepto crucial para aplicar la teoría cuántica al universo entero.

Espacio-tiempo sin fronteras. Aplicando la suma sobre historias al universo, especialmente en tiempo imaginario, se sugieren historias finitas pero sin fronteras ni singularidades, como la superficie de una esfera. Esta condición “sin fronteras” permite que las leyes físicas determinen completamente el estado del universo, incluido su comienzo.

7. Determinismo, libre albedrío y comportamiento humano

¿Está todo determinado? La respuesta es sí, lo está. Pero podría no estarlo, porque nunca podemos saber qué está determinado.

El desafío científico al libre albedrío. La existencia de leyes bien definidas que rigen el universo sugiere que todo, incluidas las acciones humanas, está predeterminado. Esto plantea problemas filosóficos sobre el libre albedrío, la responsabilidad y cómo una teoría simple puede explicar la complejidad universal.

Complejidad a partir de la incertidumbre. La complejidad del universo surge del principio de incertidumbre cuántica en sus etapas iniciales, dando lugar a una familia de historias posibles. Aunque las leyes fundamentales son simples, los detalles específicos de nuestra historia son un resultado entre muchos, no especificados de forma trivial por las ecuaciones básicas.

Teoría efectiva del libre albedrío. El comportamiento humano, gobernado por sistemas biológicos complejos (cerebros con ~10^26 partículas), es prácticamente impredecible debido al caos y la enorme cantidad de variables, a pesar de leyes subyacentes simples. Adoptamos la “teoría efectiva” del libre albedrío y la responsabilidad porque es imposible calcular resultados deterministas, y esta creencia tiene ventajas para la supervivencia reforzadas por la selección natural.

8. El futuro del universo: expansión o colapso

Así que la pregunta crucial para el futuro del universo es: ¿cuál es la densidad media?

Expansión cósmica. Las observaciones muestran que el universo se expande, con galaxias alejándose unas de otras. Esta expansión es notablemente uniforme a gran escala, permitiendo predecir el destino general del universo según su densidad media.

La densidad determina el destino. El futuro del universo depende de si su densidad media está por encima o por debajo de un valor crítico.

• Por encima de la densidad crítica: la gravedad detendrá la expansión, conduciendo a una singularidad de “gran colapso”.
• Por debajo de la densidad crítica: el universo se expandirá para siempre, volviéndose cada vez más frío y vacío.

El misterio de la materia oscura. La materia visible representa solo alrededor del 1% de la densidad crítica. Evidencias de la rotación de galaxias y cúmulos galácticos indican cantidades significativas de “materia oscura” invisible, elevando la materia conocida a cerca del 10% de la densidad crítica. La existencia de suficiente materia oscura adicional para alcanzar la densidad crítica sigue siendo una incógnita, posiblemente relacionada con la teoría de la inflación o partículas aún no descubiertas como neutrinos masivos.

9. El éxito inesperado de Una breve historia del tiempo

Todavía me sorprende bastante la acogida que tuvo mi libro, Una breve historia del tiempo.

Dirigido a un público amplio. Hawking escribió Una breve historia del tiempo para explicar ideas complejas sobre el universo a un público masivo, con la esperanza de transmitir la emoción del progreso científico sin apoyarse demasiado en ecuaciones (famosamente aconsejado que cada ecuación reduciría a la mitad las ventas).

Superando obstáculos. La creación del libro requirió un gran esfuerzo, incluyendo reescrituras basadas en comentarios del editor y la adaptación de su método de comunicación tras perder la voz por una traqueotomía, usando un ordenador y sintetizador de voz.

Impacto e interpretación. La enorme popularidad del libro superó las expectativas, convirtiéndose en un éxito de ventas prolongado. Aunque algunos lo compraron por la historia humana o como símbolo de estatus, muchos lectores se enfrentaron a los conceptos desafiantes, demostrando el interés público por preguntas fundamentales sobre el origen y la naturaleza del universo.