Las cuatro preguntas fundamentales de Stephen Hawking

El 14 de marzo se cumplen seis años del fallecimiento de Stephen Hawking. En su web personal (ahora reemplazada), Hawking se definía como “cosmólogo, viajero espacial y héroe”. Fue, ciertamente, las tres cosas. Declaraba trabajar en las leyes básicas que gobiernan el universo, y describía cuáles habían sido sus tres descubrimientos principales.

Los sintetizaremos aquí. Y abordaremos, a partir de ellos, cuatro preguntas trascendentales a las que Hawking dio respuesta: ¿Dónde nacen el tiempo y el espacio? ¿Dónde mueren? ¿Es finito el universo? ¿Tiene futuro la humanidad en él?

En base a Einstein

El trabajo de Hawking tiene como punto de partida la extraordinaria teoría que tenemos sobre el cosmos: la Relatividad General de Albert Einstein. Una concepción revolucionaria del tiempo y del espacio (del espacio-tiempo), fundamentada en el principio de equivalencia de las fuerzas. Fruto, a su vez, de un momento Eureka: una caída libre imaginada por Einstein desde lo alto del tejado de su casa.

De su penetrante lógica, amparada en principios increíblemente obvios, resultó una única ley posible para el cosmos, dada por sus ecuaciones de campo relativistas. Que, para nuestro universo, acorde al principio cosmológico, admiten una sola solución: la de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker.

Resultado excepcional: ¡una única ecuación y solución posibles para el universo!

Hawking partió de ahí y fue capaz de ir más allá, con sorprendentes teoremas de singularidad (Hawking-Penrose) y resultados sobre la termodinámica del espacio-tiempo (Bekenstein-Hawking). Con ellos, logró dar respuesta a cuestiones eternas.

¿Dónde nacen el tiempo y el espacio?

Usando la teoría de Einstein, Hawking concluyó que nuestro universo tuvo un origen en el pasado, un principio. Ese fue su primer descubrimiento. Los teoremas de singularidad de Hawking-Penrose establecen que el espacio-tiempo comenzó en una singularidad: la del Big Bang.

Se demuestra retrocediendo en el tiempo, empleando las ecuaciones de la teoría y las condiciones que se dieron en el universo primitivo (recreadas, en parte, en grandes laboratorios, como el CERN).

Llega un punto en que el tiempo y el espacio desaparecen: ya no es posible retroceder más atrás. ¡Allí está su origen! Es como buscar las fuentes del Nilo, como hizo Livingstone, el lugar preciso donde nace.

¿Y dónde terminan?

El espacio-tiempo alcanza su final en cada uno de los agujeros negros que constantemente se forman en el cosmos. Son las otras singularidades que surgen de los teoremas de Hawking-Penrose. Sumideros donde el tiempo y el espacio desaparecen para siempre.

Tales resultados condujeron a la necesidad de cuantizar la gravedad, para poder validarlos a escalas muy pequeñas. Solo entonces podrían considerarse definitivos, y no meras aproximaciones clásicas a la realidad. En otras palabras, había que combinar la Relatividad General de Einstein y la Física Cuántica: las dos grandes teorías del siglo XX.

Un primer paso en esa dirección lo dio el propio Hawking, con su segundo gran descubrimiento: la radiación de Hawking.

“Todo agujero negro de Schwarzschild, de masa M, emite radiación electromagnética como si fuera un cuerpo negro perfecto a temperatura: T = ℏc³/8πGMk.”

Fórmula mágica, que combina las más importantes constantes fundamentales de la naturaleza: la de Planck, ℏ (física cuántica); la velocidad de la luz, c (física relativista); la de gravitación universal, G (física newtoniana); la de Boltzmann, k (termodinámica); y el número π (la matemática).

Todas las teorías físicas principales reunidas en una simple fórmula. ¡Una bellísima sinfonía universal!

Hawking abrió con ella nuevas sendas aún inexploradas. Una, hacia la cuantización de la gravedad. Otra, hacia la naciente teoría de la información cuántica y sus sorprendentes paradojas cósmicas.

¿Es finito nuestro universo?

Esta cuestión ha intrigado a muchas generaciones. Durante siglos se creyó que el universo era eterno, infinito en el espacio y en el tiempo. Luego se mudó de opinión, varias veces.

Hasta que Hawking y Hartle demostraron que, si en el inicio el tiempo fuese imaginario, entonces el universo carecería de bordes y fronteras. Sería finito, aunque ilimitado, y no habría singularidad inicial. La forma en que se originó estaría determinada entonces por las leyes de la Física.

Ese fue su tercer descubrimiento, la conjetura de Hartle-Hawking sobre un universo autosuficiente, de algún modo.

¿Tiene futuro la humanidad en el universo?

Ya en los últimos años de su vida, Hawking analizó los gravísimos problemas que afrontamos. Concluyó que podrían devenir letales para la humanidad si no los resolvemos en los próximos cien años.

Hawking era optimista: predijo que, para entonces, habremos establecido colonias autosostenibles fuera de la Tierra. Y los avances de la inteligencia (humana y artificial) habrán encontrado la solución a los múltiples problemas que ahora acechan. Abriendo un horizonte nuevo, de siglos de esperanza.

Su consejo final a los jóvenes científicos (siempre constituyeron su audiencia preferida) fue que mantuviesen permanentemente viva esa sensación maravillosa al contemplar nuestro vasto y complejo universo: “No hay nada comparable a experimentar un momento Eureka, a descubrir por vez primera algo que nadie sabía”.

Hasta que el universo se desvanezca, o desaparezcamos los humanos, los descubrimientos tan extraordinarios que Stephen Hawking nos legó —como su bellísima fórmula, grabada ahora en su lápida— engendrarán nuevos conocimientos. En este espacio-tiempo singular en el que hoy, seis años después de su muerte, le recordamos.

Emilio Elizalde, Profesor de Investigacion Senior, Física Teórica y Cosmología, Instituto de Ciencias del Espacio (ICE - CSIC)

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.