Un ABC para entender los aportes de Hawking a la ciencia

Stephen Hawking falleció el mismo día que se celebra el natalicio de Albert Einstein. Esta coincidencia, que muchos ya han calificado de “cósmica”, es en realidad el lazo más débil entre ambos científicos, probablemente los dos más relevantes para la astrofísica en el siglo XX.

Hawking se enamoró de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein en la década de los sesenta, cuando entró a Cambridge para hacer su doctorado. Su tesis doctoral, “Properties of Expanding Universes” fue solo el inicio de una carrera que consagró a dos de las teorías más fascinantes de la ciencia del cosmos: los agujeros negros y el origen le universo.

Para entender a Hawking, hay que situarnos en los intereses científicos de los años sesenta, cuando comenzó su carrera. En ese entonces había una separación tajante entre la teoría de la relatividad, que buscaban explicar el comportamiento de los cuerpos más masivos del universo y aquella que se encargaban de explorar las partículas más elementales, la mecánica cuántica. Una teoría que unificara lo más masivo con lo más ínfimo era -y es- el “Santo Grial” de los físicos teóricos.

Hawking se inclinó por entender la teoría general de la relatividad, propuesta por Albert Einstein en 1916. Esta teoría postula que los conceptos de espacio y tiempo varían de acuerdo con el observador y que forman una especie de tejido llamado “espacio-tiempo” que se curva de acuerdo con la presencia de materia. Los planetas curvarían esta red como si pusiéramos un balón sobre una red expansible.

La teoría generó una pregunta: ¿qué pasa si se concentra una gran cantidad de materia en un espacio ínfimo? Según la teoría de la relatividad, la red de espacio-tiempo puede curvarse tanto que da lugar a puntos singulares en donde hay una gran concentración de materia: puntos infinitamente curvados, de manera que la gravedad a su alrededor es extremadamente fuerte. Una zona de la que nada puede escapar. Un agujero negro.

El borde de los agujeros negros se llama “horizonte de sucesos”: algo así como una frontera a partir de la cual nada, ni siquiera la luz, puede escapar. Nadie sabe lo que hay más allá de este horizonte. Y, decía la ciencia en los años sesenta, nada puede llegar hacia el universo conocido desde esa frontera.

Cuando Hawking entró al escenario científico ese era postulado general: que nada sale de los agujeros negros. Pero el físico echó mano de la mecánica cuántica, esa rama de la ciencia que parecía pelearse con la teoría de la relatividad, para demostrar que eso no era del todo cierto.

La mecánica cuántica predice que el espacio vacío está hecho de partículas y antipartículas que aparecen en pares y se aniquilan entre sí un instante después. Estas partículas existen por tan poco tiempo que ni siquiera se les considera parte de la realidad. Tan es así, que los físicos las llaman “partículas virtuales”.

Lo que Hawking propuso en 1974 es que existe un lugar en el universo en el que estas partículas se convierten en partículas reales: el borde, o el “horizonte de sucesos” de un agujero negro. Tal como explicó el científico en una cátedra que dictó para la BBC Radio 4: “justo en el horizonte, un miembro de ese par de partículas virtuales puede caer en el agujero negro, dejando a la otra partícula sin una partícula con quien unirse para desaparecer. La partícula abandonada puede caer dentro del agujero, o, en cambio, puede escapar hacia el infinito”. Si la partícula escapa, predijo Hawking, aparecerá ante nosotros como radiación.

Su teoría fue aplaudida. Era la primera vez que un científico lograba conciliar, al menos en un evento específico del universo, las teorías de la relatividad y la mecánica cuántica. Hawking renovó la esperanza de que exista una Teoría del Todo, el “Santo Grial”. Por eso, a esta radiación le pusieron el nombre de radiación Hawking.

Hawking pudo haberse conformado con semejante aporte y con ello tener un puesto asegurado en la historia de la ciencia. Pero su curiosidad mental no tenía límites. Con el científico Roger Penrose, Hawking postulo que el Big Bang era como la creación de un agujero negro, pero al revés. Es decir, que si un agüero negro se forma porque una gran masa colapsa sobre sí misma y se convierte en una singularidad, el universo, que está en constante expansión, se formó a partir de una singularidad. Más adelante, junto a James Hartle, propuso que, antes del Big Bang, ni el tiempo ni el espacio existían. El Big Bang sería el límite de nuestro conocimiento sobre el universo.

Stephen Hawking falleció el mismo día que se celebra el natalicio de Albert Einstein. Esta coincidencia, que muchos ya han calificado de “cósmica”, es en realidad el lazo más débil entre ambos científicos, probablemente los dos más relevantes para la astrofísica en el siglo XX.

Hawking se enamoró de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein en la década de los sesenta, cuando entró a Cambridge para hacer su doctorado. Su tesis doctoral, “Properties of Expanding Universes” fue solo el inicio de una carrera que consagró a dos de las teorías más fascinantes de la ciencia del cosmos: los agujeros negros y el origen le universo.

Para entender a Hawking, hay que situarnos en los intereses científicos de los años sesenta, cuando comenzó su carrera. En ese entonces había una separación tajante entre la teoría de la relatividad, que buscaban explicar el comportamiento de los cuerpos más masivos del universo y aquella que se encargaban de explorar las partículas más elementales, la mecánica cuántica. Una teoría que unificara lo más masivo con lo más ínfimo era -y es- el “Santo Grial” de los físicos teóricos.

Hawking se inclinó por entender la teoría general de la relatividad, propuesta por Albert Einstein en 1916. Esta teoría postula que los conceptos de espacio y tiempo varían de acuerdo con el observador y que forman una especie de tejido llamado “espacio-tiempo” que se curva de acuerdo con la presencia de materia. Los planetas curvarían esta red como si pusiéramos un balón sobre una red expansible.

La teoría generó una pregunta: ¿qué pasa si se concentra una gran cantidad de materia en un espacio ínfimo? Según la teoría de la relatividad, la red de espacio-tiempo puede curvarse tanto que da lugar a puntos singulares en donde hay una gran concentración de materia: puntos infinitamente curvados, de manera que la gravedad a su alrededor es extremadamente fuerte. Una zona de la que nada puede escapar. Un agujero negro.

El borde de los agujeros negros se llama “horizonte de sucesos”: algo así como una frontera a partir de la cual nada, ni siquiera la luz, puede escapar. Nadie sabe lo que hay más allá de este horizonte. Y, decía la ciencia en los años sesenta, nada puede llegar hacia el universo conocido desde esa frontera.

Cuando Hawking entró al escenario científico ese era postulado general: que nada sale de los agujeros negros. Pero el físico echó mano de la mecánica cuántica, esa rama de la ciencia que parecía pelearse con la teoría de la relatividad, para demostrar que eso no era del todo cierto.

La mecánica cuántica predice que el espacio vacío está hecho de partículas y antipartículas que aparecen en pares y se aniquilan entre sí un instante después. Estas partículas existen por tan poco tiempo que ni siquiera se les considera parte de la realidad. Tan es así, que los físicos las llaman “partículas virtuales”.

Lo que Hawking propuso en 1974 es que existe un lugar en el universo en el que estas partículas se convierten en partículas reales: el borde, o el “horizonte de sucesos” de un agujero negro. Tal como explicó el científico en una cátedra que dictó para la BBC Radio 4: “justo en el horizonte, un miembro de ese par de partículas virtuales puede caer en el agujero negro, dejando a la otra partícula sin una partícula con quien unirse para desaparecer. La partícula abandonada puede caer dentro del agujero, o, en cambio, puede escapar hacia el infinito”. Si la partícula escapa, predijo Hawking, aparecerá ante nosotros como radiación.

Su teoría fue aplaudida. Era la primera vez que un científico lograba conciliar, al menos en un evento específico del universo, las teorías de la relatividad y la mecánica cuántica. Hawking renovó la esperanza de que exista una Teoría del Todo, el “Santo Grial”. Por eso, a esta radiación le pusieron el nombre de radiación Hawking.

Hawking pudo haberse conformado con semejante aporte y con ello tener un puesto asegurado en la historia de la ciencia. Pero su curiosidad mental no tenía límites. Con el científico Roger Penrose, Hawking postulo que el Big Bang era como la creación de un agujero negro, pero al revés. Es decir, que si un agüero negro se forma porque una gran masa colapsa sobre sí misma y se convierte en una singularidad, el universo, que está en constante expansión, se formó a partir de una singularidad. Más adelante, junto a James Hartle, propuso que, antes del Big Bang, ni el tiempo ni el espacio existían. El Big Bang sería el límite de nuestro conocimiento sobre el universo.