Breve historia del tiempo

Hawking comienza con una anécdota sobre un científico que daba una conferencia sobre el universo. Una anciana se levantó y dijo: «Lo que nos ha contado es una tontería. El mundo es en realidad un plato plano sostenido sobre el caparazón de una tortuga gigante». El científico preguntó sobre qué se apoyaba la tortuga. Ella respondió: «Es usted muy listo, jovencito, muy listo. ¡Pero son tortugas hasta el infinito !». ^{[ 5 ]} Hawking continúa explicando por qué sabemos que no es así.

Analiza la historia de la astronomía , comenzando con las conclusiones de Aristóteles sobre una Tierra esférica y un modelo geocéntrico circular del universo, posteriormente desarrollado por el astrónomo griego Ptolomeo en el siglo II . Aborda el desarrollo del modelo heliocéntrico del Sistema Solar por el astrónomo polaco Nicolás Copérnico en 1514. Un siglo después, el italiano Galileo Galilei dirigió un catalejo holandés hacia los cielos. Sus observaciones de las lunas de Júpiter respaldaron las ideas de Copérnico. El astrónomo alemán Johannes Kepler formuló sus leyes del movimiento planetario , según las cuales los planetas se mueven en elipses . Las leyes de Kepler fueron explicadas por el físico inglés Isaac Newton en su obra Principia Mathematica (1687).

Hawking analiza cómo el tema del origen del universo ha sido objeto de debate a lo largo del tiempo: la existencia perenne del universo, hipotetizada por Aristóteles y otros filósofos primitivos, fue refutada por la creencia de San Agustín y otros teólogos en su creación en un momento específico del pasado. Immanuel Kant argumentó que el tiempo no tuvo principio. En nuestra época, el descubrimiento del universo en expansión implicó que, entre 10.000 y 20.000 millones de años atrás, todo el universo estaba contenido en un único lugar extremadamente denso, y que no tiene sentido preguntarse qué sucedió antes. Escribe: «Un universo en expansión no excluye a un creador, ¡pero sí impone límites a cuándo pudo haber llevado a cabo su obra!» ^{[ 6 ]}

Hawking describe la evolución del pensamiento científico respecto a la naturaleza del espacio y el tiempo . Parte de la idea aristotélica de que el estado naturalmente preferido de un cuerpo es el reposo, y que solo puede moverse por la acción de una fuerza , lo que implica que los objetos más pesados ​​caerán más rápido. Sin embargo, Galileo refutó experimentalmente la teoría de Aristóteles al observar el movimiento de objetos de diferentes pesos y concluir que todos caerían a la misma velocidad. Esto condujo a las leyes del movimiento y la gravedad de Newton . No obstante, las leyes de Newton implicaban que no existe un estado de reposo absoluto ni un espacio absoluto : que un objeto esté en reposo o en movimiento depende del sistema de referencia inercial del observador .

Hawking describe la creencia clásica en el tiempo absoluto, según la cual los observadores en movimiento medirían el mismo tiempo. Sin embargo, Hawking escribe que esta noción de sentido común no funciona a la velocidad de la luz ni cerca de ella . Que la luz viaja a una velocidad finita fue descubierto por Ole Rømer a través de sus observaciones de Júpiter y sus lunas. Las ecuaciones del científico escocés James Clerk Maxwell , que unificaban la electricidad y el magnetismo, predijeron la existencia de ondas que se mueven a una velocidad fija, la misma velocidad que se había medido para la luz. Los físicos creían que la luz debía viajar a través de un éter luminífero y que la velocidad de la luz era relativa a la del éter. El experimento de Michelson-Morley , diseñado para detectar la velocidad de la luz a través del éter, arrojó un resultado nulo. Michelson y Morley descubrieron que la velocidad de la luz era constante independientemente del movimiento de la fuente o del observador. Combinando esto con el postulado de que las leyes de la física son las mismas para todos los observadores que se mueven en relación unos con otros, Albert Einstein argumentó que el éter es superfluo si abandonamos el tiempo absoluto. Su artículo de 1905 se conoció como la teoría especial de la relatividad .

Hawking analiza dos consecuencias notables de esta nueva teoría. La primera es la equivalencia entre masa y energía: están relacionadas por la ecuación${\displaystyle E=mc^{2}}$Esto también significa que ningún objeto con masa puede alcanzar la velocidad de la luz ( c = 3 × 10⁸ ^m /s). La segunda consecuencia es un cambio fundamental en nuestras ideas de «espacio» y «tiempo». Hawking señala la definición de la unidad fundamental de longitud en términos de tiempo como un ejemplo.

En 1915, Einstein publicó la relatividad general , que explica la gravedad como la curvatura del espacio-tiempo. La materia y la energía (incluida la luz) siguen geodésicas . La teoría de la gravedad de Einstein predice un universo dinámico.

Hawking describió cómo los físicos y astrónomos calcularon la distancia relativa de las estrellas a la Tierra. Sir William Herschel confirmó las posiciones y distancias de muchas estrellas en el cielo nocturno. En 1924, Edwin Hubble descubrió un método para medir la distancia utilizando el brillo de las estrellas variables Cefeidas vistas desde la Tierra. La luminosidad y la distancia de estas estrellas están relacionadas por una fórmula matemática sencilla. Con este método, demostró que la nuestra no es la única galaxia.

En 1929, Hubble descubrió que la luz de la mayoría de las galaxias se desplazaba hacia el rojo , y que el grado de desplazamiento al rojo era directamente proporcional a la distancia . A partir de esto, determinó que el universo se está expandiendo. Esta posibilidad no se había considerado seriamente. Einstein estaba tan seguro de un universo estático que añadió la constante cosmológica a sus ecuaciones. Muchos astrónomos también intentaron evitar las implicaciones de la relatividad general, con una notable excepción: el físico ruso Alexander Friedmann .

En 1922, Friedmann hizo dos suposiciones muy simples: que el universo es idéntico dondequiera que estemos ( homogeneidad ) y que es idéntico en todas las direcciones que miremos ( isotropía ). De ello se deduce que el universo no es estático. Esta idea se confirmó cuando dos físicos de los Laboratorios Bell , Arno Penzias y Robert Wilson , detectaron radiación de microondas inesperada proveniente de todas partes del cielo. Casi al mismo tiempo, Robert H. Dicke y Jim Peebles también trabajaban en el estudio de la radiación de microondas . Argumentaban que la radiación del universo primitivo debería ser detectable como el fondo cósmico de microondas . Esto era precisamente lo que Penzias y Wilson habían descubierto.

En 1965, Roger Penrose utilizó la relatividad general para demostrar que el colapso de una estrella podía dar lugar a una singularidad. Hawking y Penrose demostraron juntos que el universo debería haber surgido de una singularidad. Posteriormente, Hawking argumentó que esto no necesariamente sería así una vez que se tuvieran en cuenta los efectos cuánticos.

Hawking comienza hablando de la creencia del matemático francés del siglo XIX, Laplace, en el determinismo científico , según el cual las leyes científicas podrían predecir perfectamente el futuro del universo. Una fisura en la física clásica surgió con la catástrofe ultravioleta : según los cálculos de los científicos británicos Lord Rayleigh y James Jeans , un cuerpo caliente debería irradiar una cantidad infinita de energía. En 1900, Max Planck evitó la catástrofe ultravioleta al proponer que la energía debe ser absorbida o emitida en paquetes discretos llamados cuantos .

Hawking analiza el principio de incertidumbre de Werner Heisenberg , según el cual la velocidad y la posición de una partícula no pueden conocerse con precisión debido a la hipótesis cuántica de Planck: aumentar la exactitud en la medición de su velocidad disminuirá la certeza de su posición, y viceversa. Esto refutó la idea de Laplace de una teoría del universo completamente determinista. Hawking describe el desarrollo de la mecánica cuántica por parte de Heisenberg, Erwin Schrödinger y Paul Dirac , una teoría que introdujo un elemento irreductible de imprevisibilidad en la ciencia y que, a pesar de las fuertes objeciones de Einstein, ha demostrado ser muy eficaz para describir el universo a pequeña escala.

Hawking analiza cómo el principio de incertidumbre de Heisenberg implica la dualidad onda-partícula de la luz (y de las partículas en general).

Describe el fenómeno de la interferencia , donde múltiples ondas de luz interfieren entre sí para dar lugar a una única onda de luz con propiedades diferentes a las de las ondas componentes, así como la interferencia dentro de las partículas, ejemplificada por el experimento de la doble rendija . Hawking escribe que la suma sobre historias del científico estadounidense Richard Feynman es una forma útil de visualizar el comportamiento cuántico. Hawking explica que la teoría general de la relatividad de Einstein es una teoría clásica, no cuántica, ya que ignora el principio de incertidumbre y que debe conciliarse con la teoría cuántica en situaciones donde la gravedad es muy intensa, como en una singularidad.

Hawking traza la historia de la investigación sobre la naturaleza de la materia : los cuatro elementos de Aristóteles, los átomos indivisibles de Demócrito , la idea de John Dalton de que los átomos se combinan para formar moléculas , el descubrimiento del electrón por J.J. Thomson , el descubrimiento del núcleo atómico por Ernest Rutherford , el descubrimiento del neutrón por James Chadwick y, finalmente, la teoría de Murray Gell-Mann sobre los quarks que constituyen los protones y neutrones (denominados colectivamente hadrones ). Hawking analiza los seis "sabores" diferentes ( arriba , abajo , extraño , encanto , fondo y cima ) y los tres " colores " diferentes de los quarks (rojo, verde y azul). Más adelante, analiza los antiquarks , que son superados en número por los quarks debido a la expansión y el enfriamiento del universo.

Hawking introduce el concepto de espín de las partículas. Las partículas se dividen en dos grupos. Los fermiones , o partículas de materia, tienen un espín de 1/2. Los fermiones siguen el principio de exclusión de Wolfgang Pauli : no pueden compartir el mismo estado cuántico (por ejemplo, dos protones con espín hacia arriba no pueden ocupar la misma posición en el espacio). Sin esta regla, los átomos no podrían existir. Los bosones , o partículas portadoras de fuerza, tienen un espín de 0, 1 o 2 y no siguen el principio de exclusión.

Se cree que la gravedad es transportada por gravitones , partículas sin masa con espín 2. La fuerza electromagnética es transportada por fotones . La fuerza nuclear débil es responsable de la radiactividad y es transportada por bosones W y Z. La fuerza nuclear fuerte , que une quarks para formar hadrones y a su vez une hadrones entre sí para formar núcleos atómicos, es transportada por el gluón . Hawking escribe que el confinamiento de color impide el descubrimiento de quarks y gluones por sí solos (excepto a temperaturas extremadamente altas), ya que permanecen confinados dentro de hadrones.

Hawking escribe que, a temperaturas extremadamente altas, la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil se comportan como una sola fuerza electrodébil , lo que da lugar a la especulación de que, a temperaturas aún mayores, la fuerza electrodébil y la fuerza nuclear fuerte también se comportarían como una sola fuerza. Las teorías que intentan describir el comportamiento de esta fuerza "combinada" se denominan Teorías de Gran Unificación , las cuales pueden ayudarnos a explicar muchos de los misterios de la física.

Hawking analiza los agujeros negros , regiones del espacio-tiempo donde una gravedad extremadamente fuerte impide que todo, incluida la luz, escape de ellos. El término agujero negro fue acuñado por John Archibald Wheeler en 1969, aunque la idea es anterior. El clérigo de Cambridge John Michell imaginó estrellas tan masivas que la luz no podía escapar de su atracción gravitatoria. Hawking explica la evolución estelar : cómo las estrellas de la secuencia principal brillan al fusionar hidrógeno en helio , evitando así el colapso gravitatorio. Una estrella colapsada puede formar una enana blanca , sustentada por la degeneración electrónica, o una estrella de neutrones , sustentada por el principio de exclusión. Subrahmanyan Chandrasekhar descubrió que para una estrella colapsada de más de 1,4 masas solares, no habría nada que detuviera el colapso gravitatorio completo. Arthur Eddington lo disuadió de este pensamiento , aunque posteriormente le valió el Premio Nobel de Física . La masa crítica se conoce como el límite de Chandrasekhar .

Describe el horizonte de sucesos , el límite del agujero negro del que ninguna partícula puede escapar. Escribe: «Bien se podría decir del horizonte de sucesos lo que el poeta Dante dijo de la entrada al infierno: "Abandonad toda esperanza, vosotros que entráis aquí"». ^{[ 7 ]} Hawking analiza los agujeros negros no rotatorios con simetría esférica y los rotatorios con simetría axial . El descubrimiento de los cuásares por Maarten Schmidt en 1963 y de los púlsares por Jocelyn Bell-Burnell en 1967 dio esperanza de que se pudieran detectar agujeros negros. Aunque los agujeros negros (por definición) no emiten luz, los astrónomos pueden observarlos a través de sus interacciones con la materia visible. Una estrella que cae en un agujero negro sería una poderosa fuente de rayos X. Cygnus X-1 , una poderosa fuente de rayos X , fue el primer candidato plausible para un agujero negro. Hawking concluye mencionando su apuesta de 1974 con el físico estadounidense Kip Thorne . Hawking argumentó que Cygnus X-1 no contiene un agujero negro. Hawking admitió la apuesta, ya que la evidencia de la existencia de agujeros negros resultó abrumadora.

Hawking analiza un aspecto del comportamiento de los agujeros negros que descubrió en la década de 1970. Según teorías anteriores, los agujeros negros solo pueden aumentar de tamaño porque nada que entre en ellos puede salir. Esto era similar a la entropía , una medida del desorden que, según la segunda ley de la termodinámica , siempre aumenta. Hawking y su alumno Jacob Bekenstein sugirieron que el área del horizonte de sucesos de un agujero negro es una medida de su entropía.

Pero si un agujero negro tiene entropía, debe tener temperatura y emitir radiación. En 1974, Hawking publicó una nueva teoría que sostenía que los agujeros negros pueden emitir radiación. Imaginó qué sucedería si un par de partículas virtuales aparecieran cerca del borde de un agujero negro. Las partículas virtuales "toman prestada" energía del vacío brevemente , luego se aniquilan entre sí, devolviendo la energía prestada y dejando de existir. Sin embargo, en el borde de un agujero negro, una partícula virtual podría quedar atrapada mientras que la otra escapa. De esta manera, la partícula toma energía del agujero negro en lugar de del vacío y escapa del agujero negro como radiación de Hawking . Según Hawking, los agujeros negros deben contraerse muy lentamente con el tiempo y finalmente "evaporarse" debido a esta radiación.

Hawking recuerda una conferencia sobre cosmología en el Vaticano, donde fue recibido en audiencia por el Papa Juan Pablo II . El Papa dijo que estaba bien estudiar el universo primitivo, pero que los científicos no debían estudiar el Big Bang en sí, ya que ese fue el momento de la Creación y la obra de Dios. Hawking escribe: «Me alegré entonces de que no supiera el tema de la charla que acababa de dar en la conferencia: la posibilidad de que el espacio-tiempo fuera finito pero sin límites, lo que significa que no tuvo principio, ni momento de Creación. ¡No deseaba compartir el destino de Galileo, con quien siento una fuerte afinidad, en parte por la coincidencia de haber nacido exactamente 300 años después de su muerte!» ^{[ 8 ]}

En el momento del Big Bang, el universo tenía una temperatura extremadamente alta, lo que impidió la formación de estructuras complejas como las estrellas, e incluso de estructuras muy simples como los átomos. George Gamow predijo que la radiación del Big Bang aún debería llenar el universo actual. Esta fue la radiación cósmica de fondo de microondas descubierta por Penzias y Wilson. El Big Bang creó hidrógeno y helio, y los elementos más pesados ​​se forjaron en las estrellas .

El modelo del Big Bang fue respaldado por el corrimiento al rojo de las galaxias, el fondo cósmico de microondas y la abundancia relativa de hidrógeno y helio. Pero persistían misterios: ¿Por qué el universo es isotrópico? ¿Por qué el fondo cósmico de microondas es tan homogéneo? Partes del universo muy separadas tienen la misma temperatura, pero no habría habido tiempo para que estas regiones entraran en contacto. El modelo de inflación cósmica de Alan Guth proporcionó una respuesta a este problema del horizonte . La inflación explica otras características del universo que anteriormente habían desconcertado enormemente a los investigadores. Después de la inflación, el universo continuó expandiéndose a un ritmo más lento. Se volvió mucho más frío, lo que finalmente permitió la formación de tales estrellas.

Hawking analiza cómo podría haber sido el universo si se hubiera expandido más lenta o rápidamente. Si se hubiera expandido demasiado lentamente, colapsaría y no habría habido tiempo suficiente para que se formara la vida . Si se hubiera expandido demasiado rápido, se habría quedado prácticamente vacío. Analiza el principio antrópico , que establece que el universo posee leyes físicas que permiten la evolución de la vida, ya que, de no ser así, no estaríamos aquí. Hawking propone la hipótesis de la ausencia de límites : que el universo es finito, pero no tiene un comienzo en un tiempo imaginario . Podría simplemente existir.

Hawking analiza tres " flechas del tiempo ". La primera es la flecha termodinámica : la dirección en la que aumenta la entropía. Esta explica por qué nunca vemos los pedazos rotos de una taza unirse para formar una taza completa. La segunda es la flecha psicológica , según la cual nuestra percepción subjetiva del tiempo parece fluir en una sola dirección, lo que explica por qué recordamos el pasado y no el futuro. La tercera es la flecha cosmológica: la dirección en la que el universo se expande en lugar de contraerse. Hawking afirma que la flecha psicológica está entrelazada con la flecha termodinámica. Según Hawking, durante una fase de contracción del universo, las flechas termodinámica y cosmológica del tiempo no coincidirían.

Hawking afirma entonces que la «propuesta de no frontera» para el universo implica que este se expandirá durante un tiempo antes de contraerse de nuevo. Argumenta además que esta propuesta es la que impulsa la entropía y que predice la existencia de una flecha termodinámica del tiempo bien definida solo si el universo se está expandiendo, ya que implica que el universo debe haber comenzado en un estado ordenado y armonioso que, con el paso del tiempo, tiende al desorden. Sostiene que, debido a la propuesta de no frontera, un universo en contracción no tendría una flecha termodinámica bien definida y, por lo tanto, solo un universo en fase de expansión puede albergar vida inteligente. Utilizando el principio antrópico débil, Hawking argumenta que la flecha termodinámica debe coincidir con la flecha cosmológica para que cualquiera de ellas pueda ser observada por la vida inteligente. Según Hawking, esta es la razón por la que los humanos experimentan estas tres flechas del tiempo apuntando en la misma dirección.

Hawking analiza la posibilidad de viajar en el tiempo . Muestra cómo los físicos han intentado idear métodos que permitan a los humanos, con tecnología avanzada, viajar más rápido que la velocidad de la luz o retroceder en el tiempo. Kurt Gödel presentó a Einstein una solución a la relatividad general que permitía viajar en el tiempo en un universo en rotación. Los puentes de Einstein-Rosen se propusieron al principio de la teoría. Estos agujeros de gusano parecerían idénticos a los agujeros negros desde el exterior, pero la materia que entrara se reubicaría en un lugar diferente del espacio-tiempo, potencialmente en una región distante del espacio, o incluso hacia atrás en el tiempo. Sin embargo, investigaciones posteriores demostraron que un agujero de gusano de este tipo no permitiría el paso de ningún material antes de convertirse de nuevo en un agujero negro normal. La única forma en que un agujero de gusano podría permanecer abierto teóricamente, y por lo tanto permitir viajes más rápidos que la luz o viajes en el tiempo, requeriría la existencia de materia exótica con densidad de energía negativa , lo que viola las condiciones energéticas de la relatividad general. Por lo tanto, casi todos los físicos coinciden en que los viajes más rápidos que la luz y los viajes hacia atrás en el tiempo no son posibles.

La mecánica cuántica y la relatividad general describen el universo con una precisión asombrosa dentro de sus respectivos ámbitos de aplicación (escalas atómica y cósmica, respectivamente). Sin embargo, estas dos teorías presentan problemas al combinarse. Por ejemplo, el principio de incertidumbre es incompatible con la teoría de Einstein. Esta contradicción ha llevado a los físicos a buscar una teoría de la gravedad cuántica .

Hawking se muestra cautelosamente optimista respecto a la posibilidad de encontrar pronto una teoría unificada del universo, a pesar de los importantes desafíos. En el momento de escribir el libro, la teoría de supercuerdas se había consolidado como la teoría más popular de la gravedad cuántica, pero esta teoría y las teorías de cuerdas relacionadas aún estaban incompletas y no habían generado predicciones comprobables (situación que se mantiene hasta 2021). La teoría de cuerdas propone que las partículas se comportan como "cuerdas" unidimensionales, en lugar de partículas adimensionales. Estas cuerdas "vibran" en múltiples dimensiones. La teoría de supercuerdas requiere un total de 10 dimensiones. La naturaleza de las seis dimensiones de "hiperespacio" que requiere esta teoría es difícil, si no imposible, de estudiar.

Hawking propone así tres posibilidades: 1) existe una teoría unificada completa que encontraremos con el tiempo; 2) las características superpuestas de diferentes paisajes nos permitirán explicar la física con mayor precisión gradualmente; y 3) no existe una teoría definitiva. La tercera posibilidad se ha descartado al reconocer los límites impuestos por el principio de incertidumbre. La segunda posibilidad describe lo que ha ocurrido hasta ahora en las ciencias físicas, con teorías parciales cada vez más precisas.

Hawking cree que tal refinamiento tiene un límite y que, estudiando las primeras etapas del universo en un entorno de laboratorio, se encontrará una teoría completa de la gravedad cuántica en el siglo XXI, lo que permitirá a los físicos resolver muchos de los problemas actualmente sin resolver en física.

Hawking resume los esfuerzos que la humanidad ha realizado a lo largo de la historia para comprender el universo y su lugar en él: desde la creencia en espíritus antropomórficos que controlan la naturaleza, pasando por el reconocimiento de patrones regulares en ella, hasta la comprensión del funcionamiento interno del universo. Recuerda la sugerencia de Laplace de que la estructura y la evolución del universo podrían explicarse con precisión mediante un conjunto de leyes cuyo origen se atribuye a Dios. Sin embargo, Hawking afirma que el principio de incertidumbre introducido por la teoría cuántica ha impuesto límites al conocimiento.

Hawking comenta que, históricamente, el estudio de la cosmología ha estado motivado principalmente por la búsqueda de conocimientos filosóficos y religiosos, por ejemplo, para comprender mejor la naturaleza de Dios , o incluso si Dios existe . Sin embargo, para Hawking, la mayoría de los científicos actuales que trabajan en estas teorías las abordan mediante cálculos matemáticos y observación empírica, en lugar de plantearse tales cuestiones filosóficas. En su opinión, la naturaleza cada vez más técnica de estas teorías ha provocado que la cosmología moderna se distancie cada vez más de la filosofía. No obstante, Hawking expresa la esperanza de que algún día todos comprendan el verdadero origen y la naturaleza del universo. «Ese sería el triunfo definitivo de la razón humana, pues entonces conoceríamos la mente de Dios». ^{[ 9 ]}

En 1991, Errol Morris dirigió un documental sobre Hawking; aunque comparten título, la película es un estudio biográfico de Hawking, y no una adaptación cinematográfica del libro.

«El universo de bolsillo de Stephen Hawking: Una breve historia del tiempo revisitada» está basado en el libro. La aplicación fue desarrollada por Preloaded para la editorial Transworld, una división del grupo Penguin Random House .

La aplicación se creó en 2016. Fue diseñada por Ben Courtney y producida por Jemma Harris, y está disponible solo para iOS . ^{[ 12 ]}

La Metropolitan Opera encargó una ópera para estrenarse en la temporada 2015-2016 basada en el libro de Hawking. Iba a ser compuesta por Osvaldo Golijov con libreto de Alberto Manguel y con producción de Robert Lepage . ^{[ 13 ]} La ópera planeada fue modificada para tratar un tema diferente y finalmente cancelada por completo. ^{[ 14 ]}