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Tres cosas que no descubrió Hawking, pero que conocemos gracias a él

Foto: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics | NASA

Los agujeros negros son el fin y el principio de todo universo. Estos monstruos cósmicos están en el centro de la creación y la destrucción de las galaxias. También de la nuestra. Sí, humano, tenemos una mascota que se llama Sagitario A* y es tan masivo como cuatro millones de soles. Sus fauces tienen 24 millones de kilómetros de diámetro y devoran todo lo que rebase su frontera, incluida la luz. El nuestro podríamos decir que ahora está dormido. Pero, ¿qué pasa dentro de un agujero negro? ¿Qué ocurre a su alrededor con lo que se acerca a él? Si solo tragan y tragan, ¿qué relación pueden tener con el origen del universo? Y, sobre todo, ¿qué pinta Hawking en todo esto?

Stephen Hawking ha sido una de nuestras mentes más brillantes. Y él nos lo ha sabido vender muy bien. El británico fue durante gran parte de su vida un divulgador excelente que publicó el libro científico más vendido de la historia, un provocador que consiguió que la ciencia se retorciese y avanzase, y también un físico atrevido que aportó respuestas donde solo había oscuridad. Tras su muerte hablamos con expertos para que nos expliquen tres ideas que Hawking no descubrió, pero que sí conocemos gracias a él.

 

La existencia de agujeros negros

 

Como siempre, todo empezó con Einstein. El físico alemán no revolucionó el universo que conocemos, pero sí cómo lo conocemos. Su teoría de la Relatividad General supone un revisión avanzada de la teoría de gravedad de Newton. Ya saben, la de la manzana y la fuerza que tira de ella hacia el suelo. En su teoría, Einstein trata la gravedad de otra manera: cómo el espacio y el tiempo pueden deformarse por la presencia de masa y energía. “Las agujas del reloj no pasan igual de rápido cuando hay mucha masa y energía que cuando no la hay. Cuanta más masa y energía, más despacio pasa el tiempo”, explica a The Objective Carlos Sopuerta, investigador del Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC) y del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC), en Barcelona.

 

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El peso y la densidad de un agujero negro provocan que se deforme el tiempo y el espacio. Aquí la comparación con la deformación que provocan el Sol, una enana blanca o una estrella de neutrones. | Gráfico: Quora

 

Eso es exactamente una de las cosas que ocurren en los agujeros negros, porque suponen una concentración inimaginable de materia. Igual que deforma el tiempo, un agujero negro es algo tan, tan pesado que deforma el espacio. Si imaginamos el universo como una red, sería como si colocáramos en el centro tanto peso que la red se terminara curvando hacia el interior. No se rompe, pero se hunde en ese punto exacto. La red se ha quedado tan deformada que cualquier objeto que se aproxime a ella caerá irremediablemente hacia el centro. “Un agujero negro es una localización. Alrededor de esta localización se crea una frontera que llamamos horizonte de sucesos. A partir de esa línea, todo lo que ha entrado ya no puede salir. Cerca de esa frontera hay una tendencia a caer hacia ella a no ser que lleve una velocidad muy alta, como un cohete, que le permita rebasarla”, señala Sopuerta. El horizonte de sucesos sería como los límites de nuestra red.

Einstein identificó esas “soluciones extrañas” en su teoría de 1915. Pero hubo que esperar más de medio siglo para que alguien pudiera estudiar los comportamientos de los que hablaba el físico alemán. Allí apareció Hawking, representando a una generación de científicos jóvenes en los 70: “Creó la herramientas matemáticas para estudiar los agujeros negros con rigor, creó —junto al físico Roger Penrose— los teoremas y desarrolló las matemáticas que hacían falta para entender el funcionamiento de estos agujeros”, dice el investigador del CSIC. Además, estableció que los agujeros negros podían crecer y que podía ocurrir cuándo colisionaban dos de ellos.

 

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Un anillo gigante de agujeros negros. | Foto: NASA

Esta no fue la única aportación de Hawking a estos monstruos cósmicos, a los que dedicó la mayor parte de sus trabajos. El físico británico desarrolló el descubrimiento que podría haberle valido el Nobel que nunca recibió. Es la conocida como radiación de Hawking. A pesar de fagocitar todo lo que pasa a su alrededor, los agujeros negros también emiten una radiación. Para intentar explicarlo, hay que bajar a nivel cuántico. Es decir, en una escala de átomos. Estos se comportan de forma distinta a los grandes objetos, por lo que para ellos no se aplica la teoría de la relatividad general, sino la de la mecánica cuántica. Según esta, cada partícula tiene su antipartícula. Ahora imaginemos que estamos al borde de la frontera de este agujero negro. Mientras una de nuestras partículas —como un electrón— es absorbida por el agujero negro, el antielectrón se escapa. Si juntáramos todas esas partículas que se escapan, veríamos un chorro de radiación que emana el agujero negro.

Esta idea supone el intento de Hawking de casar la teoría general de la relatividad y la teoría cuántica. Algo que todavía en la actualidad no ha podido completarse. “Es una predicción muy importante que va más allá de la relatividad, que ha sido aceptada como correcta, pero que todavía no ha podido ser detectada porque en los agujeros negros astrofísicos apenas se da este tipo de radiación. En estos agujeros la temperatura es ridículamente baja, por lo que es prácticamente imposible detectar una señal experimental de radiación”, explica Sopuerta. Ahí la posible razón de que Hawking nunca recibiera un Nobel.

 

La teoría del Big Bang

 

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El telescopio Hubble capta la muerte de estrellas en una galaxia. | Foto: NASA

 

Volvamos al origen para explicar el principio de todo. En Alemania, las ecuaciones de la Teoría de la Relatividad General le decían a Einstein que el universo no podía estar estático. Sin embargo, contaminado por su idea de un universo inmutable y eterno, modificó sus ecuaciones para que éstas le dieran un universo en equilibrio.. En California, un astrofísico americano Edwin Hubble descubrió que las galaxias se alejaban y que cuanto más lejos estaban de nosotros, más rápido se iban. En los años 20, cuando las ideas de estos dos genios se encontraron se pusieron los cimientos.

“Rescataban la teoría de la Relatividad General pero aplicada a todo el universo. Es como si imaginamos un bizcocho con pasas. Cuanto más se infla el bizcocho, más se alejan la pasas unas de otras. Algo parecido ocurre con el universo. Cuanto más se extiende este, más se alejan las galaxias unas de otras”, explica a The Objective Carlos Hernández, investigador del Centro de Estudios de Física del Cosmos de Aragón (CEFCA).

De la misma manera que el universo se está extendiendo, tiene que haber tenido un origen. Y ahí entra la teoría del Big Bang: toda la materia y energía del universo debía de haber estado concentrada en un región arbitrariamente pequeña. “Esta teoría, que al principio fue conocida como Fireball Model, combina dos aspectos importantes: densidades enormes, toda la materia del universo concentrada en un punto pequeño; y al ser un volumen tan pequeño entra en los espectros de la física cuántica, que nos describe cómo interaccionan las partículas subatómicas”, señala este experto en la teoría del Big Bang. Esta teoría, al vincular altas densidades y efectos cuánticos, tiene una analogía directa con los agujeros negros.

 

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El telescopio Hubble capta un agujero negro. | Foto: NASA

 

Además, como hemos explicado antes un agujero emite radiación y, por tanto, pierde partículas, esto implica, como sostenía Hawking, que progresivamente, con el paso de incontables edades del universo, podía ir haciéndose cada vez más pequeño, hasta quedarse en un solo punto minúsculo. Una especia de canica de materia increíblemente concentrada. Un átomo que pudiera almacenar soles y estrellas.

Hawking desarrolló que todo lo que existe en el universo estuvo atrapado, en un momento dado, en una de estas singularidades espacio-temporales. Y que el Big Bang fue por tanto la consecuencia de la explosión de uno de estos agujeros negros —convertido en canica explosiva— con una potencia de millones de megatones. A raíz de esta idea, Hawking lanzó la polémica afirmación de que él sabía lo que ocurrió antes del Big Bang.

“Él señalaba que no había habido nada antes del Big Bang. Porque en un punto de densidad infinita como podía ser ese punto, el tiempo podía pasar infinitamente despacio, por lo que no se podía ir hacia atrás tanto en el tiempo”, matiza Hernández. El investigador señala que no todas las aseveraciones últimas de Hawking fueron de carácter científico, sino que destaca su labor de divulgación. “Ha conseguido trasladar a la sociedad con palabras sencillas los conceptos fundamentales de la cosmología y de la física teórica. Además Hawking fue excelente en la combinación de la Teoría de la Relatividad General y el efecto cuántico“.

 

La teoría de cuerdas

 

El universo está regido por cuatro fuerzas fundamentales: la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. De todas ellas, la gravedad es la más débil de todas. Hasta un imán cutre de tu nevera es más potente con un imperdible que la fuerza que debería arrastrarlo al suelo. Cada una de las cuatro fuerzas fundamentales está regida por sus propias leyes, pero, desde mediados del siglo XX, muchos científicos han intentado crear un modelo que explique todas las interacciones fundamentales mediante un mismo mecanismo. Una teoría del todo. La teoría que uniera toda la física y que diera respuesta a todas nuestras preguntas sobre el universo. Esta era una de las obsesiones de Stephen Hawking (y el nombre de la película que protagoniza Eddie Redmayne).

Hace tres décadas, Stephen Hawking declaró que una teoría del todo estaba en el horizonte, con un 50% de posibilidades de que se completara en el año 2000. Hasta ahora se han conseguido unificar el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la débil bajo una misma teoría: el modelo estándar de física de partículas. Pero en ninguna cuadra la gravedad. Nadie ha conseguido nunca unir en una sola teoría: la teoría de la mecánica cuántica en la que se basa la física de partículas y la teoría clásica que rige la gravedad. Así, Hawking se terminó dando por vencido, pero su interés y ambición sirvieron para divulgar otra de las grandes teorías que busca una forma de conectar todas estas fuerzas: la teoría de cuerdas.

 

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