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Si se le pidiese a una persona en la calle en cualquier lugar del mundo que nombrase a un físico teórico contemporáneo, no hay duda que la abrumadora mayoría nombraría a Stephen Hawking.
A raíz de su libro de divulgación ¨Una breve historia del tiempo¨ se hizo famoso y también hizo famosa la investigación sobre agujeros negros, cosmología, la mecánica cuántica y la física teórica en general. También el hecho que padeciese una enfermedad que hiciese que estuviese atado a una silla de ruedas y hablar a través de una máquina con el movimiento de sus ojos contribuyó a su fama. Es extraordinario que pese a sus limitaciones físicas extremas haya podido lograr la cantidad y calidad de sus trabajos científicos.
Nació el 8 de enero de 1942, la misma fecha exactamente 300 años después del día en que falleció de Galileo Galilei.
Si se le preguntase a esa misma persona de la calle cuál ha sido la contribución de Hawking a la ciencia las respuestas ya serían más difusas si es que hay respuesta.
Queremos explicar dos contribuciones científicas suyas extraordinarias que quedarán en los anales de la historia para siempre.
El marco de sus contribuciones es la teoría de la relatividad general. ¿Pero esa teoría no fue ya establecida por Albert Einstein hace 100 años? Tengamos en cuenta que esa teoría es de una profundidad tremenda que revolucionó la física en sus mismos cimientos. Conceptos tan establecidos (en parte por Galileo Galilei) como espacio, tiempo, energía o masa fueron revolucionados en un marco totalmente nuevo.
Clifford Will, físico matemático canadiense, en un artículo sobre la historia de la experimentación relativista la divide en cuatro grandes bloques. La génesis (1887-1919), el periodo de hibernación (1920-1960), la época dorada (1960-1980) y finalmente desde 1980 lo que llama la búsqueda de la gravedad fuerte.
Es en la época dorada donde Hawking hizo sus mayores contribuciones. Aunque Will plantea los bloques en relación a la experimentación, están en correspondencia con los avances teóricos.
Nótese que los períodos más revolucionarios de la relatividad general, la génesis y la época dorada coinciden también con periodos revolucionarios en la sociedad: revolución de octubre (1917) y la revolución cultural china (1966-1976). No es casual tampoco que Einstein admirase a Lenin y simpatizase con el socialismo. El físico inglés también apoyó a lo largo de su vida el movimiento BDS, que lucha por el boicot a Israel para que acabe la opresión sobre el estado palestino. En 2013 rechazó la invitación al 90 cumpleaños del presidente israelí Shimon Peres, acto al que sí asistieron estrellas de Hollywood y gente tan comprometida con la paz mundial como Bill Clinton o Tony Blair.
¿Cuál es pues una de las contribuciones más significativas del físico teórico contemporáneo más famoso?
Las ecuaciones que describen a un agujero negro fueron establecidas el mismo año que la teoría de la relatividad general en 1915. Fueron encontradas por Karl Schwarzschild, físico alemán de origen judío, mientras servía en el ejército alemán en la primera guerra mundial. Sin embargo ni existía la palabra agujero negro ni se era consciente de sus propiedad más característica: que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de un agujero negro. Esta propiedad y otras más extrañas sólo fueron descubiertas más tarde.
Algo similar ocurre en el campo de la cosmología. Las ecuaciones de los modelos cosmológicos que hoy en día se utilizan fueron encontradas pocos años después de Schwarzschild. Uno de los físicos matemáticos importantes que las encontraron fue el sacerdote católico belga Georges Lemaître. Se puede decir que este sacerdote es el padre de la teoría del Big Bang.
Sin embargo tanto los agujeros negros como la teoría del Big Bang durante mucho tiempo no fueron tomados en serio por la comunidad científica ni astrofísica ni de la física teórica. Propiedades demasiado extrañas y contra la intuición del ser humano.
¿Pero, si estas cosas tan extrañas salían de la teoría de la relatividad general, que casi desde el principio fue corroborada por experimentos, como podía ser que no fuesen tomadas en serio?
El argumento que se utilizaba para desecharlas era que las ecuaciones obtenidas se basaban en simplificaciones. Las del agujero negro en asumir un objeto totalmente esférico y los modelos cosmológicos en asumir que el universo es totalmente homogéneo e isotrópo (cualquier punto y dirección es equivalente). Supuestamente si los modelos fuesen más realistas se vería que ni los agujeros negros ni el Big Bang existen.
Los célebres teoremas sobre singularidades de Penrose y Hawking
Sin embargo los físicos matemáticos ingleses Roger Penrose (Universidad de Oxford) y Stephen Hawking (Universidad de Cambridge) demostraron mediante papel y lápiz en publicaciones no demasiado extensas en forma de teoremas matemáticos que eso no era así. Sin asumir ningún tipo de simetrías o simplificaciones demostraron en los dos casos que si uno considera la trayectoria de una partícula que sigue las ecuaciones generales, llega un momento que ¡desaparecen! Como por arte de magia. En términos matemáticos lo que ocurre es una singularidad.
Los teoremas no dicen nada de lo que ocurre dinámicamente en la singularidad ni el porqué de la singularidad. En ese sentido la teoría de la relatividad general es una teoría extraordinaria porque se puede utilizar la teoría – si se tiene la capacidad de un Hawking – para demostrar que la propia teoría deja de tener sentido en cierto límite. Una singularidad es mucho más que la desaparición de una partícula. En relatividad el espacio-tiempo no es un marco, es un jugador activo sin el cuál no se puede describir nada. Si el espacio-tiempo se vuelve singular, aunque sea sólo en un punto, no hay descripción de nada. De ahí que a posteriori se han tenido que añadir conceptos como horizonte de sucesos y demostrar que sea lo que sea que pase dentro, no afecta al resto.
Los teoremas fueron demostrados utilizando básicamente sólo argumentos geométricos y la teoría de la relatividad. Esto supuso un avance enorme, la construcción de la teoría de los agujeros y el Big Bang con cemento matemático. No era un modelo concreto que podía o no podía ser realista y por lo tanto rechazado. Si la teoría de la relatividad general es correcta, las singularidades están ahí de manera impepinable.
Claro que las dudas y objeciones han continuado hasta la fecha, pero las singularidades asociadas a agujeros negros o al Big Bang vinieron para quedarse y ser considerados en serio gracias a los celebres teoremas de singularidades de Penrose y Hawking.
El capítulo de las singularidades no está cerrado, porque obviamente el siguente paso es saber qué ocurre en las singularidades para que propiedades tan extremas tengan lugar. Ahí la idea que se tiene es que la curvatura del espacio espacio-tiempo tiende al infinito cerrando la posibilidad de que pueda haber algo más allá de las singularidades, pero no queremos entrar aquí en detalles técnicos.
Sin embargo, a día de hoy no existe un teorema con el nivel de generalidad de los teoremas de Penrose y Hawking en esa dirección. Uno de los teoremas más generales fue probado y publicado por el matemático sueco Hans Ringström en 2009 para espacio-tiempos vacíos que contienen ondas gravitacionales. Yo obtuve en el mismo año bajo la supervisión del matemático escocés Alan Rendall y basándome en el trabajo de Ringström, la generalización de ese resultado para incluir ondas electromagnéticas, lo que constituyó mi trabajo de fin de carrera. Tuve la suerte de poder hacer también el doctorado bajo la dirección de Rendall en el Departamento de Análisis Geométrico del Instituto Max Planck de Física Gravitacional.
Hacia el Santo Gríal: los agujeros negros no son negros
Vayamos ahora a otra de las contribuciones fundamentales de Hawking que en este caso desarrolló sólo, también con papel y lápiz, o más bien con el movimiento de sus ojos. Hasta ahora sólo hemos hablado de la relatividad general. No existe una teoría unificada de relatividad general y el otro gran pilar de la física teórica que es la mecánica cuántica. Eso sigue siendo el santo gríal de la física teórica. Sin embargo en ciertos límites se puede utilizar la mecánica cuántica (o más precisamente en este caso la teoría cuántica de campos) en espacios curvos, que es un paso importante en la dirección del santo gríal. De alguna manera es como la suma de las dos teorías fundamentales de la naturaleza, sin llegar a ser una descripción unificada.
En muy pocos casos de la naturaleza se da la necesidad de utilizar las dos teorías y a parte del resultado de Hawking que vamos a explicar a continuación no hay muchos más resultados de esta categoría. De ahí que su resultado destaque como un caso límite del límite del conocimiento humano.
Lo que encontró Hawking es que los agujeros negros en cierta manera no son realmente negros. ¿Pero no habíamos quedado en que nada, absolutamente nada, ni siquiera la luz podía escapar de ellos? Eso es cierto. Lo que ocurre es que muy cerca de ellos por la enorme energía gravitacional que tienen, el agujero negro produce o casi se podría decir arranca del vacío una partícula y su correspondiente antipartícula. Una de ellas, si tiene la suficiente energía, se aleja del agujero negro y la otra cae al agujero negro y ahí queda atrapada. En este caso la partícula de la que se trata es la que ¨vemos¨ todos los días, el fotón, el corpúsculo de la luz.
Lo que encontró Hawking es que a efectos prácticos parece como si el agujero negro emitiese ese fotón. Por lo tanto visto desde fuera los agujeros negros aparentan emitir luz. Pero la cosa no queda ahí. Como un fotón sale de esa región y contiene energía, por la conservación de energía la tiene que sacar de algún lado, a saber la saca del agujero negro. El fotón que cae al agujero negro es como si tuviese energía negativa. La consecuencia es que, como todo en esta vida, el agujero negro no existe para siempre, sino después de un largo tiempo, que depende de su masa, se evapora. La radiación que es producida por el agujero negro en sus alrededores es conocida como radiación de Hawking.
Desgraciadamente es demasiado débil como para ser detectada con los medios a nuestro alcance en estos momentos. Como consecuencia Hawking ha recibido innumerables premios y galardones, pero no el Premio Nobel de Física. Este galardón sólo se obtiene si existe comprobación empírica de una teoría. A día de hoy la mayoría de los físicos teóricos están convencidos de la existencia de la radiación de Hawking, pero la comprobación empírica parece estar muy lejos.
Hawking ha escrito con el movimiento de sus ojos cientos de artículos científicos y ha hecho contribuciones fundamentales diversas. Hemos querido resaltar su contribución fundamental a que los agujeros negros pasen de la ciencia ficción a un concepto matemático rigoroso. A su vez ha obtenido uno de los poquísimos resultados existentes que combinan relatividad general y mecánica cuántica demostrando que los agujeros negros no lo son del todo y que después de un tiempo este objeto extremo se evapora como quien no quiere la cosa.
Hemos enumerado a diferentes contribuciones de científicos diversos y es evidente que se pueden hacer grandes contribuciones con independencia de la ideología del científico. Sin embargo se puede ver que los números uno, los que están en la cima científica, también suelen tener una concepción del mundo, si no revolucionaria, muy progresista.
Ernesto Nungesser, físico matemático del Instituto de Ciencias Matemáticas del Consejo Superior de Investigaciónes Científicas