209.- El legado científico de Stephen Hawking

Stephen Hawking

Stephen Hawking contribuyó más a nuestra comprensión de la gravedad que cualquier otro físico desde Albert Einstein.

Durante buena parte de la carrera de Hawking, los físicos teóricos estaban más interesados en la física de partículas y en las otras fuerzas de la naturaleza: el electromagnetismo, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte. La gravedad "clásica" (aquella que ignora las complicaciones de la mecánica cuántica) había sido explicada por Einstein en su teoría de la Relatividad General (RG), y la gravedad "cuántica" (la versión cuántica de la RG) parecía demasiado difícil. Al aplicar su intelecto prodigioso a la fuerza más conocida de la naturaleza, Hawking pudo llegar a varios resultados que tomaron por sorpresa a la comunidad en general.

El resultado más importante de Hawking fue la constatación de que los agujeros negros no son completamente negros: emiten radiación, como los objetos ordinarios. Antes de ese famoso artículo, demostró importantes teoremas sobre los agujeros negros y las singularidades, y luego estudió el universo en general. Sus contribuciones fueron importantes en cada fase de su carrera.


1.- El período clásico

La gravedad es un efecto de la 
curvatura del espacio-tiempo

Mientras trabajaba en su tesis de doctorado en Cambridge a mediados de la década de 1960, Hawking se interesó en el tema del origen y el destino final del universo. La herramienta adecuada para investigar este problema es la RG, la teoría de Einstein del espacio, el tiempo y la gravedad. De acuerdo con la RG, lo que percibimos como "gravedad" es un efecto de la curvatura del espacio-tiempo. Al comprender cómo esa curvatura es creada por la materia y la energía, podemos predecir cómo evoluciona el universo.

Durante esa misma época, en Oxford, Roger Penrose había demostrado un resultado notable: según la RG, el espacio y el tiempo pueden colapsar en una singularidad. Si la gravedad es la curvatura del espacio-tiempo, una singularidad es un punto donde la curvatura se vuelve infinitamente grande. Este teorema mostró que las singularidades no eran sólo curiosidades, sino una característica importante de la RG.

Agujero negro

El resultado de Penrose aplica a los agujeros negros, regiones del espacio-tiempo donde el campo gravitacional es tan fuerte que incluso la luz no puede escapar. Hawking tomó la idea de Penrose y la invirtió, apuntando al pasado de nuestro universo. Mostró que, bajo circunstancias similares, el espacio debe haber surgido desde una singularidad: el Big Bang.

Los cosmólogos modernos hablan (confusamente) sobre el "modelo" del Big Bang, una teoría muy exitosa que describe la evolución del universo en expansión durante miles de millones de años, y sobre la "singularidad" del Big Bang, que todavía no está aclarada. [Ver entrada 86].

A continuación, Hawking dirigió su atención a los agujeros negros. Penrose había demostrado que es posible extraer energía de un agujero negro rotatorio a expensas de su velocidad de rotación, hasta el punto de la detención. Hawking pudo demostrar que, aunque se podía extraer energía, el área del horizonte de sucesos que rodea el agujero negro siempre aumentaría en cualquier proceso físico. Este "teorema de área" era importante por derecho propio, y también evocaba un área de la física completamente separada: la termodinámica, el estudio del calor.

La termodinámica obedece un conjunto de leyes famosas. Por ejemplo, la primera ley nos dice que la energía se conserva, mientras que la segunda ley nos dice que la entropía, una medida del desorden del universo, nunca disminuye en un sistema aislado. Trabajando con James Bardeen y Brandon Carter, Hawking propuso un conjunto de leyes para la "mecánica de los agujeros negros", en estrecha analogía con la termodinámica. Al igual que en la termodinámica, la primera ley de la mecánica de los agujeros negros asegura que la energía se conserva. La segunda ley es el teorema del área de Hawking, según el cual el área del horizonte de eventos nunca disminuye. En otras palabras, el área del horizonte de sucesos de un agujero negro es análoga a la entropía de un sistema termodinámico; ambas tienden a aumentar con el tiempo.


2.- Evaporación de agujeros negros

Hawking y sus colaboradores estaban justificadamente orgullosos de las leyes de la mecánica de los agujeros negros, pero las consideraban simplemente como una analogía, no como una conexión literal entre la gravedad y la termodinámica. En 1972, un estudiante graduado de la Universidad de Princeton llamado Jacob Bekenstein sugirió que el comportamiento de los agujeros negros no era similar a la termodinámica, sino que en realidad era termodinámica. Específicamente, los agujeros negros tenían entropía.

Como muchas ideas audaces, la de Bekenstein se encontró con la resistencia de los expertos, y en particular, con la de Stephen Hawking, quien era el experto mundial en agujeros negros. Hawking era ciertamente escéptico, y por una buena razón. Si la mecánica del agujero negro es realmente sólo una forma de termodinámica, ello implica que los agujeros negros tienen una cierta temperatura, y los objetos que tienen temperatura emiten radiación, la famosa "radiación del cuerpo negro". Entonces, si Bekenstein tenía razón, ello implicaba que los agujeros negros no eran realmente negros (aunque el propio Bekenstein no llegó tan lejos).

Para abordar este problema a fondo se debe ir más allá de la RG, ya que la teoría de Einstein es puramente "clásica", es decir, no incluye la mecánica cuántica. Hawking sabía que los físicos rusos Alexander Starobinsky y Yakov Zeldovich habían investigado los efectos cuánticos en las cercanías de los agujeros negros y habían predicho un fenómeno llamado "superradiancia". Así como Penrose había demostrado que se podía extraer energía de un agujero negro en rotación, Starobinsky y Zeldovich demostraron que los agujeros negros giratorios podían emitir radiación espontáneamente a través de la mecánica cuántica. Hawking no era un experto en la teoría de campos cuánticos, que en ese momento era competencia de los físicos de partículas, no de los relativistas generales. Pero Hawking aprendía rápidamente, y se lanzó a la difícil tarea de comprender los aspectos cuánticos de los agujeros negros para poder encontrar el error de Bekenstein.

En cambio se sorprendió a sí mismo, y en el proceso revolucionó la física teórica. Lo que Hawking finalmente descubrió fue que Bekenstein tenía razón (los agujeros negros sí tienen entropía) y que las extraordinarias implicaciones de esta idea eran ciertas: los agujeros negros no son completamente negros. Actualmente se denomina la "entropía de Bekenstein-Hawking" de los agujeros negros, los cuales emiten "radiación Hawking" a su "temperatura Hawking".

Partículas virtuales

Existe una forma sencilla de entender la radiación Hawking. La mecánica cuántica dice (entre otras cosas) que no se puede asociar un estado clásico definido a un sistema, ya que siempre existirá una incertidumbre intrínseca en lo que se verá al observarlo. Esto es cierto incluso en el espacio vacío: cuando se observa con suficiente atención, el espacio aparentemente vacío está realmente vivo con "partículas virtuales" que aparecen y desaparecen constantemente. Hawking demostró que, en las proximidades de un agujero negro, un par de partículas virtuales se pueden separar: una cae en el agujero y la otra escapa como radiación. Sorprendentemente, la partícula que cae tiene energía negativa desde el punto de vista de un observador externo. El resultado es que la radiación gradualmente reduce la masa del agujero negro, el cual se "evapora".

El resultado de Hawking tuvo implicaciones obvias y profundas sobre cómo pensamos acerca de los agujeros negros. En lugar de ser un callejón sin salida cósmico, donde la materia y la energía desaparecen para siempre, es un objeto dinámico que eventualmente se evaporará por completo. Pero este descubrimiento planteó una pregunta cuya respuesta todavía no conocemos: cuando la materia cae en un agujero negro y el agujero negro irradia, ¿adónde va la información?

Si se arroja una enciclopedia al fuego, se puede pensar que la información contenida en su interior se pierde para siempre. Pero de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, no se pierde en absoluto; si se pudiera capturar cada fotón y cada partícula de ceniza que emerge del fuego, en principio se podría reconstruir todo lo que entró en él, incluso el texto en las páginas del libro. Pero si el resultado de Hawking se toma al pie de la letra, los agujeros negros parecen destruir la información, al menos desde la perspectiva del mundo exterior. Este enigma es el "acertijo de pérdida de información en los agujeros negros" y ha estado incomodando a los físicos durante décadas.


3.- Cosmología cuántica

El trabajo de Hawking sobre la radiación del agujero negro se basó en una mezcla de ideas cuánticas y clásicas. En su modelo, el agujero negro en sí fue tratado de manera clásica, de acuerdo con las reglas de la RG; mientras tanto, las partículas virtuales cerca del agujero negro fueron tratadas mediante las reglas de la mecánica cuántica. El objetivo final de muchos físicos teóricos es construir una teoría verdadera de la gravedad cuántica, en la cual el espacio-tiempo en sí mismo sea parte del sistema cuántico.

Si hay un tema donde la mecánica cuántica y la gravedad juegan un papel central, es el del origen del universo. Y a esta pregunta, como era de esperar, Hawking dedicó la última parte de su carrera. Al hacerlo, estableció la agenda para el ambicioso proyecto de los físicos de entender de dónde viene nuestro universo.

En la mecánica cuántica, un sistema no tiene una posición o velocidad; su estado se describe mediante una "función de onda", que nos da la probabilidad de que midamos una posición o velocidad particular si observamos el sistema. En 1983, Hawking y James Hartle publicaron un trabajo titulado "Función de Onda del Universo". Propusieron un procedimiento sencillo a partir del cual se podría calcular el estado de todo el universo.

No sabemos si la función de onda Hartle-Hawking es realmente la descripción correcta del universo. De hecho, debido a que no tenemos una teoría completa de la gravedad cuántica, ni siquiera sabemos si su procedimiento es sensato. Pero su trabajo demostró que podíamos hablar sobre el comienzo del universo en forma científica.

Recreación artística del inicio del universo

Estudiar el origen del universo ofrece la posibilidad de conectar la gravedad cuántica con las características observables del universo. Los cosmólogos creen que la distribución de estrellas y galaxias que observamos hoy proviene de pequeñas variaciones en la densidad de la materia en el universo primigenio. Una teoría completa del origen del universo podría ser capaz de predecir estas variaciones, y llevar a cabo este programa es una gran ocupación de los físicos de hoy. Hawking realizó una serie de contribuciones a este programa, tanto desde su función de onda del universo como en el contexto del modelo del "universo inflacionario" propuesto por Alan Guth. [Ver entrada 101].

Simplemente hablar sobre el origen del universo es un paso provocativo. Plantea la posibilidad de que la ciencia pueda proporcionar una descripción completa y autónoma de la realidad, una perspectiva que se extiende más allá de la ciencia, a los dominios de la filosofía y la teología. Hawking, siempre provocativo, nunca rehuyó esas implicaciones.

Le gustaba recordar una conferencia de cosmología organizada por el Vaticano, en la que supuestamente el Papa Juan Pablo II advirtió a los científicos presentes que no investigaran el origen del universo, porque ese era el momento de la creación y por lo tanto el trabajo de Dios. Pero las advertencias de ese tipo no frenaron a Hawking, quien vivió su vida en una incansable búsqueda de respuestas a las preguntas más fundamentales que la ciencia podía abordar.

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Sean Carroll

Traducción condensada e ilustrada del artículo "Stephen Hawking’s Scientific Legacy", publicado por Sean Carroll, 16-03-2018.


Otras referencias

- Libro Illustrated Theory of Everything: The Origin and Fate of the Universe, Stephen Hawking, 2006.

- Stephen Hawking’s scientific legacy: Black holes, event horizons and an exit from eternal inflation

- Documental Before the Big Bang 5: The No Boundary Proposal


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101.- Sobre la Inflación Cósmica