Papel de Stephen Hawking en la física contemporánea

La física a lo largo de su historia ha tenido diversos exponentes que han contribuido con su conocimiento y sus descubrimientos a expandir el entendimiento del hombre sobre los aspectos fundamentales de su entorno tanto a pequeña como a gran escala, exponentes tales como Isaac Newton en el siglo XV con su Ley de Gravitación Universal y sus 3 leyes del movimiento, y Albert Einstein en la primera mitad del siglo XX con sus teorías de relatividad especial y relatividad general. No obstante, si se debe especificar quien es el mayor referente de la física de tiempos recientes (segunda mitad del siglo XX-siglo XXI), el escogido sería Stephen Hawking, quien además de ser un ejemplo de superación personal, aportó y divulgó importantes descubrimientos.

Antes de ahondar en los aportes del señor Hawking para la física contemporánea, es adecuado empezar con su biografía. Stephen William Hawking, nacido en Oxford, Inglaterra el 8 de enero de 1942, y fallecido en Cambridge, Inglaterra el 14 de marzo de 2018, estudió física en University College, Oxford. En 1962 empezó a realizar su investigación doctoral en cosmología en el Departamento de Matemática Aplicada y Física Teórica (DAMPT por sus siglas en inglés) de la Universidad de Cambridge. En 1963 fue diagnosticado con Esclerosis Lateral Amiotrófica, lo cual lo condenaría a pasar el resto de su vida (que para aquel entonces se estimaba en 2 años) en silla de ruedas, y a usar un sistema computarizado de voz para poder comunicarse. En 1965 obtuvo su doctorado con su tesis Properties of Expanding Universes. En 1973, junto a George Ellis, publicó su primer libro The Large Scale Structure of Space-Time. En 1974 fue elegido miembro de la Royal Society. De 1979 a 2009 fue profesor Lucasiano en Cambridge. Hawking fue galardonado con numerosos premios y distinciones, incluyendo el Premio Adams (1966), el Premio Wolf en Física (1988), la Medalla Copley (2006) y la Medalla Presidencial de la Libertad (2009).

Cuando se indaga en los trabajos en cuanto a física del señor Hawking lo que más destaca es su esfuerzo en combinar relatividad general con mecánica cuántica para formar una teoría cuántica de la gravedad, posiblemente el mayor paradigma de la física teórica. Ya de por sí el electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuerte y débil, 3 de las 4 interacciones fundamentales entre partículas, se corresponden con la mecánica cuántica, siendo la gravedad la excepción al ser esta un concepto absoluto al que no se le ha podido aplicar el principio de incertidumbre. Con este fin, Hawking tomó a los agujeros negros (considerados por la relatividad general como regiones donde la gravedad es tan fuerte que nada puede escapar de ellos) preguntándose qué ocurre con las partículas cuánticas en las cercanías de uno.

De ahí viene el mayor aporte de Hawking a la física contemporánea, el descubrimiento del hecho de que “los agujeros negros no son tan negros”. Dicho de otra manera, estos emiten diversos tipos de partículas, conocidas como radiación de Hawking. Esto se da cuando de un par de partículas virtuales que están en el punto conocido como horizonte de sucesos, la partícula con energía negativa cae dentro del agujero negro, facilitando que la partícula con energía positiva escape del agujero negro. A su vez, dicha partícula con energía negativa disminuye la masa del agujero negro hasta hacerlo desaparecer (efecto conocido como evaporación de Hawking), por lo que a menor masa tenga un agujero negro más radiación es emitida. Adicionalmente, esto cumple con el segundo principio de la termodinámica, el cual establece que la entropía o desorden en un sistema tienden a aumentar con el tiempo; a medida que más partículas con energía negativa entran en el agujero negro, más radiación es emitida, aumentando así la entropía.

Este descubrimiento por parte de Hawking también creó un nuevo paradigma, la paradoja de la pérdida de información en agujeros negros. Esta establece que al desaparecer un agujero negro mediante la evaporación de Hawking, la información de lo que haya entrado en el agujero negro se pierde, contradiciendo así a la relatividad general y a la mecánica cuántica, que dictan que la información se conserva.

El propio Hawking junto con otros científicos en 2016 propuso una posible solución a la paradoja, el que los agujeros negros tienen “pelo” en su horizonte de sucesos. En otras palabras, cuando partículas cargadas entran en el agujero negro, su información deja una suerte de impresión holográfica en el horizonte de sucesos. Esta impresión puede ser recogida por fotones que escapen del agujero negro, devolviendo la información al universo (aunque en realidad esta no puede ser leída). A pesar de que esto no representa una solución total a la paradoja, es probablemente un paso en la dirección correcta para que la paradoja pueda ser resuelta en un futuro.

Otro de los trabajos más destacables de Hawking es sus aportes a la teoría del Big Bang. En primer lugar, Hawking junto con Roger Penrose establecieron el concepto de singularidad, es decir, un punto donde la curvatura espacio-temporal es infinita y la relatividad general pierde sentido. De esta forma, se determinó que los agujeros negros son singularidades, y que el universo y el espacio-tiempo tuvieron su origen en una singularidad que sufrió un proceso inverso al de un agujero negro, el Big Bang.

Sin embargo, tiempo después Hawking creó otra hipótesis usando tiempo imaginario (expresado en números imaginarios) junto con un modelo euclidiano del espacio-tiempo, la cual explicó usando a la tierra como metáfora, siendo el Polo Norte el Big Bang. En esta propuesta, el espacio-tiempo al igual que la superficie de la tierra es finito mas no tiene límites. En este sentido, el Big Bang deja de ser una singularidad, al ser un punto en el espacio-tiempo euclidiano donde, al igual que en el Polo Norte, las leyes de la física son aplicables. Si bien esto representa una contradicción con la teoría de las singularidades, en su libro Breve historia del Tiempo: del Big Bang a los agujeros negros, Hawking (1988) afirma: “la importancia real de los teoremas de la singularidad es que prueban que el campo gravitatorio debe hacerse tan fuerte que los efectos gravitatorios cuánticos no pueden ser ignorados” (p.126).

De este modelo Hawking también sacó su respuesta a la pregunta sobre lo que hay antes del Big Bang. Debido a que no hay nada al “norte del Polo Norte", no hay nada antes del Big Bang, o dicho de otro modo, no se puede saber lo que ocurrió antes del Big Bang ya que el tiempo como se le conoce no existía entonces.

Pasando a otro descubrimiento por parte de Hawking, tanto él como Viatcheslav Mukhanov por separado hallaron el cómo se formaron las galaxias. Parafraseando a Mukhanov, si en cierto punto el universo era extremadamente pequeño, quizás la mecánica cuántica, que rige al universo a escala microscópica, podría también aplicar al universo a gran escala, combinando así cosmología con mecánica cuántica. De acuerdo a ambos, las galaxias se formaron debido a fluctuaciones cuánticas en el universo primitivo. De esta forma, lograron dar con una explicación al porqué si el universo empezó a expandirse en cierto momento las galaxias no están dispersas de manera uniforme. Cabe resaltar que este descubrimiento fue comprobado mediante un satélite europeo en 2013, 33 años después de que Hawking y Viatcheslav formularan sus hipótesis, lo que en 2015 los hizo a ambos ganadores del Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en Ciencias Básicas.

La labor de Hawking en la física no se limitó a la investigación, puesto que además de haber sido profesor en distintas ocasiones, Hawking también fue un importante divulgador científico. Entre sus libros de divulgación científica se incluyen: Agujeros negros y pequeños universos y otros ensayos (1993), La naturaleza del espacio y el tiempo (1996), El universo en una cáscara de nuez (2001), La teoría del todo: el origen y el destino del universo (2007), El gran diseño (2010), y su bestseller internacional, el anteriormente mencionado Breve historia del tiempo: del Big Bang a los agujeros negros, en el que explica de una manera medianamente sencilla varias de las preguntas más importantes sobre el universo (en el 2005 fue publicada una versión aún más concisa y entendible: Brevísima historia del tiempo). Mediante estas obras, Hawking hizo accesibles sus descubrimientos y teorías a un público no especializado, ayudando a cultivar el interés de millones de personas por la física y el universo, y motivando a más de uno a emprender una carrera científica.

Stephen Hawking ha pasado a la inmortalidad como la principal figura de la física del siglo XXI, y una de las principales figuras de la historia de las ciencias naturales. Con sus hipótesis, descubrimientos, teorías y obras literarias, Hawking ha ayudado a la humanidad a comprender en mayor medida al universo, y ha sentado las bases para que los físicos y cosmólogos del mañana (posiblemente inspirados por sus libros) lleguen finalmente a entender el universo y sus fenómenos en su totalidad.