Stephen Hawking nos dejó a mediados de marzo de 2018 a la edad de 76 años. Ya se han escrito muchos artículos sobre él, sin excluir mi trabajo reciente:
Comenzando a escribir los artículos mencionados, me encontré con el siguiente material que escribí hace varios años, que describe el patrimonio científico de Stephen Hawking. Una revista la solicitó cuando Hawking cayó enfermo, y todos pensaron que iba a morir; esta no era la primera vez, y cada vez que todos se equivocaban. Estoy seguro de que este artículo nunca fue publicado, ¡así que aquí está!
El legado científico de Stephen Hawking
Stephen Hawking es un raro ejemplo de un científico que es a la vez una celebridad y un fenómeno cultural. Sin embargo, también es un raro ejemplo de un fenómeno cultural con una merecida fama. Sus contribuciones se pueden describir de manera muy simple: Hawking hizo más contribuciones a nuestra comprensión de la gravedad que cualquier físico desde Albert Einstein.
Y la palabra "gravedad" es muy importante aquí. Durante gran parte de la carrera de Hawking, los físicos teóricos estuvieron generalmente más interesados en la física de partículas y otras fuerzas de la naturaleza: el electromagnetismo y las interacciones nucleares fuertes y débiles. La gravedad "clásica", que ignoraba las complejidades de la mecánica cuántica, fue completamente descrita por Einstein en su teoría general de la relatividad, y la gravedad "cuántica" (la versión cuántica de la teoría general de la relatividad) parecía demasiado complicada. Aplicando su asombroso intelecto a la fuerza más conocida de la naturaleza, Hawking pudo producir varios resultados que sorprendieron enormemente a toda la comunidad.
Sin duda, el resultado más importante del trabajo de Hawking fue la comprensión de que los agujeros negros no son completamente negros: emiten, como los objetos ordinarios. Antes de este trabajo, demostró importantes teoremas sobre BH y singularidades, y luego estudió el Universo en su conjunto. En cada fase de su carrera, hizo una u otra contribución clave a la ciencia.
Periodo clásico
Mientras trabajaba en su tesis doctoral en Cambridge a mediados de la década de 1960, Hawking se interesó en las preguntas sobre el origen y el destino final del universo. Una herramienta adecuada para investigar este problema fue GR, la teoría del espacio, el tiempo y la gravedad de Einstein. Según la relatividad general, lo que percibimos como gravedad es un reflejo de la curvatura del espacio-tiempo. Al comprender cómo la curvatura es creada por la materia y la energía, podemos predecir la evolución del universo. Esto se puede decir como el período "clásico" de Hawking, para contrastar la relatividad general clásica y sus estudios posteriores en el campo de la teoría cuántica de campos y la gravedad cuántica.
Casi al mismo tiempo, Roger Penrose de Oxford realizó una prueba notable: según GTR, bajo una amplia gama de condiciones, el espacio y el tiempo colapsarán hacia adentro y formarán una singularidad. Si la gravedad es la curvatura del espacio-tiempo, entonces la singularidad es un punto en el tiempo en el que esta curvatura se vuelve infinitamente grande. El teorema mostró que las singularidades no eran solo algunas maravillas; son una propiedad importante de GR.
El resultado de Penrose se aplicó a los agujeros negros, secciones de espacio-tiempo en las que el campo gravitacional resulta ser tan fuerte que incluso la luz no puede escapar de allí. Dentro del agujero negro, una singularidad acecha en el futuro. Hawking tomó la idea de Penrose y la volvió del revés, enviándola al pasado del Universo. Mostró que bajo las mismas condiciones generales, se suponía que el espacio emergería de una singularidad: el Big Bang. Los cosmólogos modernos dicen (y confunden a todos) sobre el modelo del Big Bang, que es una teoría muy exitosa que describe la evolución de un Universo en expansión durante miles de millones de años, y sobre la singularidad del Big Bang, una comprensión de la que aún no podemos presumir.
Entonces Hawking dirigió su atención a los agujeros negros. Otro resultado interesante de los cálculos de Penrose fue que la energía se puede extraer de un agujero negro giratorio, esencialmente extrayendo energía de su rotación hasta que se detiene. Hawking pudo demostrar que, aunque es posible extraer energía, la región del horizonte de eventos que rodea al BH aumentará en cualquier proceso físico. Este "teorema de área" era importante tanto en sí mismo como en relación con un campo de física completamente diferente: la termodinámica que estudia la transferencia de calor.
La termodinámica obedece a un conjunto de leyes famosas. Por ejemplo, la primera ley dice que la energía se conserva, y la segunda que la entropía, una medida del desorden del universo, en un sistema cerrado nunca disminuye. Trabajando con
James Bardin y
Brandon Carter , Hawking propuso un conjunto de leyes de "mecánica de agujeros negros" similar a la termodinámica. Como en termodinámica, la primera ley de la mecánica BH garantiza la conservación de energía. La segunda ley, el teorema de Hawking Square, sugiere que el área del horizonte de eventos nunca disminuye. En otras palabras, el área del horizonte de eventos BH es muy similar a la entropía de un sistema termodinámico: aumentan con el tiempo.
Evaporación del agujero negro
Hawking y sus colegas estaban orgullosos de las leyes de la mecánica de BH, pero consideraban que eran solo una analogía formal, no una conexión literal entre la gravedad y la termodinámica. En 1972, el graduado de la Universidad de Princeton,
Jacob Beckenstein , sugirió que había más. Basado en brillantes experimentos de pensamiento, sugirió que el comportamiento de BH no es solo similar a la termodinámica, es termodinámica. En particular, BH tiene entropía.
Al igual que muchas ideas audaces, esta idea se encontró con la resistencia de los expertos, y en ese momento Stephen Hawking era el experto mundial en BH. Hawking era escéptico de ella, y por una buena razón. Si la mecánica de BH resultara ser una forma de termodinámica, esto significaría que BH tiene temperatura. Y emiten objetos con temperatura: la famosa "radiación de cuerpo negro", que desempeñó un papel central en el desarrollo de la mecánica cuántica. Entonces, si Bekenshtein tenía razón, esto significaría que el agujero negro no es realmente negro (aunque el propio Bekenshtein no fue tan lejos en sus declaraciones).
Para abordar este problema seriamente, es necesario expandir la atención más allá de los límites de la relatividad general, ya que la teoría de Einstein es puramente "clásica": no incluye las ideas de la mecánica cuántica. Hawking sabía que los físicos rusos
Alexei Starobinsky y
Yakov Zeldovich estaban estudiando los efectos cuánticos cerca de los agujeros negros y
predijeron un efecto como "superradiación". Así como Penrose demostró que la energía puede extraerse de un agujero negro giratorio, Starobinsky y Zeldovich mostraron que los agujeros negros giratorios pueden emitir radiación espontáneamente debido a los efectos de la mecánica cuántica. Hawking no era un experto en las técnicas de la teoría cuántica de campos, porque en ese momento los expertos en física de partículas, y no en relatividad general, entendían este campo. Pero rápidamente estudió y se abalanzó sobre la difícil tarea de comprender los aspectos cuánticos de BH para encontrar un error de Bekenstein.
En cambio, se sorprendió a sí mismo y en el proceso dio vuelta la física teórica. Descubrió que Bekenstein tenía razón, BH tiene entropía, y que las increíbles consecuencias de esta idea también eran ciertas: los agujeros negros no son completamente negros. Hoy llamamos a esta propiedad de BH "entropía de Beckenstein-Hawking" y emiten "radiación de Hawking" a su "temperatura de Hawking".
"En los dedos" podemos entender la radiación de Hawking de la siguiente manera. La mecánica cuántica dice (entre otras cosas) que un sistema no puede ser llevado a la fuerza a un cierto estado clásico; siempre hay una incertidumbre interna en lo que ves cuando lo miras. Esto es cierto incluso para el espacio vacío: si se mira lo suficientemente cerca, lo que parecía un espacio vacío se llenará de "partículas virtuales" que aparecen y desaparecen constantemente. Hawking demostró que cerca del BH se pueden separar un par de partículas virtuales, y una de ellas caerá en el BH, y la otra se escapará como radiación. Es sorprendente que, desde el punto de vista de un observador externo, una partícula que caiga hacia adentro tenga energía negativa. Como resultado, la radiación elimina gradualmente la masa del BH, y se evapora.
El resultado de Hawking tuvo un impacto obvio y sobresaliente en nuestra comprensión de BH. En lugar de convertirse en un callejón sin salida cósmico en el que la materia y la energía desaparecen para siempre, resultaron ser objetos dinámicos que tarde o temprano desaparecen por completo. Más importante para la física teórica, este descubrimiento planteó una pregunta a la que todavía no tenemos respuesta: cuando la materia cae en el agujero negro y luego el agujero negro desaparece por completo, ¿a dónde va la información?
Si toma la enciclopedia y la arroja al fuego, puede considerar que la información contenida en ella ha desaparecido para siempre. Pero de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, no desapareció en ninguna parte; Si pudieras atrapar todas las partículas de luz y cenizas que emergen del fuego, en principio, podrías recrear con precisión todo lo que cayó en el fuego, incluso las páginas del libro. Pero BH, si acepta el resultado de Hawking, tal como está, destruya completamente la información, al menos desde el punto de vista del mundo exterior. Este enigma se llama la "paradoja de la información", y ha estado atormentando a los físicos durante décadas.
En los últimos años, el progreso en la comprensión de la gravedad cuántica (a nivel de los experimentos mentales) convence a un número cada vez mayor de personas de que la información se almacena. En 1997, Hawking discutió con los físicos estadounidenses Kip Thorne y John Preskil; Hawking y Thorne dijeron que la información se está destruyendo, Presquil dijo que la información se almacena. En 2007, Hawking sucumbió y admitió que los BH no están realmente destruyendo información. Sin embargo, Thorne no se rindió, y el propio Preskill cree que esta conclusión fue prematura. La radiación BH y la entropía siguen siendo centrales en la búsqueda de una mejor comprensión de la gravedad cuántica.
Cosmología cuántica
El trabajo de Hawking sobre la radiación BH se basó en una mezcla de ideas cuánticas y clásicas. En su modelo, BH se evalúa desde el punto de vista clásico, de acuerdo con las reglas de la relatividad general. En este caso, las partículas virtuales cerca del BH se estiman de acuerdo con las reglas de la mecánica cuántica. El objetivo final de muchos físicos teóricos es construir una verdadera teoría de la gravedad cuántica en la que el espacio-tiempo mismo sea parte de un sistema cuántico.
Y si hay un lugar en el que la mecánica cuántica y la gravedad juegan un papel crucial, entonces este es el comienzo del universo. Y es precisamente esta pregunta, que no es sorprendente, que Hawking dedicó la última parte de su carrera. Y con esto, aprobó un plan de trabajo para un ambicioso proyecto físico para comprender los orígenes del universo.
En mecánica cuántica, un sistema no tiene ubicación ni velocidad; su estado se describe mediante la "función de onda", que nos dice la probabilidad de que al medir el sistema obtengamos una determinada ubicación o velocidad. En 1983, Hawking y James Hartle publicaron un trabajo bajo el simple título: "La función de onda del universo". Propusieron un procedimiento simple, basado en el cual, en principio. - Sería posible calcular el estado de todo el universo. No sabemos si la función de onda de Hartle-Hawking es en realidad una descripción correcta del universo. Como no tenemos una teoría completa de la gravedad cuántica, ni siquiera sabemos si dicho procedimiento es significativo. Pero su trabajo mostró que podemos hablar sobre el comienzo de la existencia del Universo en términos científicos.
Estudiar los orígenes del universo ofrece la posibilidad de combinar la gravedad cuántica con características observables del universo. Los cosmólogos creen que pequeños cambios en la densidad de la materia desde los primeros tiempos han crecido gradualmente en la distribución de estrellas y galaxias que observamos hoy. Una teoría completa del origen del Universo podría predecir estos cambios, y la implementación de este programa es una de las principales ocupaciones de los físicos modernos. Hawking hizo varias contribuciones a este programa, tanto desde el lado de su función de onda del Universo, como en el contexto del modelo de "Universo inflacionario" propuesto por Alan Gut.
Solo hablar sobre el origen del universo es una acción provocativa. Da lugar a la esperanza de que la ciencia pueda proporcionar una descripción completa y autosuficiente de la realidad, y esa esperanza va más allá del alcance de la ciencia y se encuentra en el campo de la filosofía y la teología. Hawking, que siempre amó las provocaciones, nunca tuvo vergüenza ante tales consecuencias. Le gustaba recordar la conferencia sobre cosmología celebrada en el Vaticano, en la que el Papa Juan Pablo II supuestamente pidió a los eruditos reunidos que no profundizaran en el origen del universo, "ya que fue un momento de creación y, por lo tanto, el trabajo de las manos de Dios". Pero tales advertencias nunca detuvieron a Hawking; Vivió su vida en una búsqueda incesante de respuestas a las preguntas científicas más fundamentales.