La tesis doctoral de quizá el científico vivo más famoso del mundo, el profesor Stephen Hawking, se puso recientemente a disposición del público en línea. Ha resultado tan popular que, según se informó, la demanda para leerla colapsó el sitio web que la alojaba cuando se subió por primera vez.
Pero, dada la complejidad del tema —«Propiedades de los universos en expansión»— y el hecho de que el libro de Hawking Breve historia del tiempo también se conoce como el libro menos leído de todos los tiempos, quizá te resulte útil un resumen de su principal conclusión.
La tesis aborda varios temas, entre ellos la recientemente descubierta radiación gravitacional, pero el capítulo final es el que muchos físicos consideran más importante. Trata del nacimiento del universo y se titula sencillamente «Singularidades».
Teorías sobre el origen
El principal logro de la tesis de Hawking fue demostrar de manera convincente que la teoría del Big Bang —según la cual el universo comenzó en un único punto— era físicamente posible. No se trataba simplemente de una molestia matemática surgida de las ecuaciones que los físicos habían desarrollado para describir la posible evolución del cosmos.
La idea de que el universo comenzó hace un tiempo finito con un Big Bang es hoy un hecho científico aceptado y, aun así, sigue siendo asombrosa. Imagina: toda la materia de tu cuerpo estuvo comprimida alguna vez —de una forma u otra— en el mismo volumen diminuto que la galaxia más distante y todo lo que hay entre ambas. Hace aproximadamente 14.000 millones de años, ese punto se expandió rápidamente y dio origen al espacio y al tiempo. Sigue expandiéndose hoy.
En la época en que Hawking se doctoró, en la década de 1960, los científicos aún debatían esta idea. Una alternativa popular al Big Bang era el modelo del estado estacionario. A sus defensores les incomodaba la idea de un universo de edad finita que hubiera comenzado de esa manera. De hecho, el partidario del estado estacionario Fred Hoyle acuñó el término «Big Bang» de forma despectiva. Para entender cómo Hawking demostró que realmente era posible, necesitamos algunos conocimientos básicos de física.
Espacio-tiempo y singularidades
A principios del siglo XX, Albert Einstein revolucionó nuestra comprensión de la gravedad con su teoría general de la relatividad. Einstein mostró que podíamos concebir la gravedad como la curvatura del espacio-tiempo, causada por la presencia de masa o energía.
El espacio-tiempo es una forma de concebir la estructura del universo que combina el espacio tridimensional y el tiempo unidimensional. Todos los objetos existen y todos los acontecimientos suceden en algún lugar del espacio-tiempo. Pero a la mayoría de las personas les cuesta imaginarlo porque, aunque podemos movernos libremente en el espacio tridimensional, no podemos viajar en el tiempo como queramos. Es un poco como ser un insecto atrapado en la superficie de un estanque. Solo puede moverse en dos dimensiones, aunque haya otra dimensión espacial por explorar.
La relatividad general expresa cómo están vinculados el espacio y el tiempo. En su teoría, Einstein describió con elegancia, mediante sus «ecuaciones de campo», cómo se relaciona la curvatura del espacio-tiempo con la densidad de masa y energía.
Tras publicarse estas ecuaciones, otros científicos las utilizaron para explorar qué ocurre con el espacio-tiempo en distintas situaciones físicas. En el caso de objetos cuya materia está concentrada en un único punto, las ecuaciones de campo predicen algo inusual: la curvatura del espacio-tiempo se vuelve tan extrema que ni siquiera la luz puede escapar. Hoy sabemos que estos objetos existen realmente como agujeros negros y, desde entonces, hemos encontrado pruebas de su existencia en el espacio. Estas situaciones, en las que las soluciones de las ecuaciones se vuelven infinitas, se llaman «singularidades». El capítulo final de la tesis de Hawking exploraba esta idea de las singularidades, no para el espacio-tiempo alrededor de los agujeros negros, sino para el universo entero.
De los agujeros negros al Big Bang
En cosmología, un principio fundamental sostiene que, en promedio, el espacio debe ser homogéneo e isotrópico. En otras palabras, a gran escala, el contenido del universo debe estar distribuido de manera bastante uniforme y verse igual en todas las direcciones.
La solución más sencilla de las ecuaciones de campo de Einstein que satisface estas condiciones se llama «métrica de Robertson-Walker», en honor a los científicos que participaron en su desarrollo. La métrica es, sencillamente, el término que usamos para describir el intervalo entre dos acontecimientos en el espacio-tiempo.
Es importante señalar que la solución de Robertson-Walker permite que la parte espacial de la métrica cambie con el tiempo. Eso significa que puede describir un universo en el que el propio espacio se expande. Edwin Hubble encontró pruebas de que el universo realmente se expande en la década de 1920, al demostrar que otras galaxias se alejan de nosotros.
La métrica de Robertson-Walker y las ecuaciones de campo nos permiten describir esta expansión mediante lo que los cosmólogos llaman el «factor de escala», que indica cuánto se ha expandido o contraído el espacio entre un momento determinado y el presente.
Si el universo se expande, en el pasado debió de ser más pequeño y denso. Si retrocedemos lo suficiente en el tiempo, el factor de escala debería llegar a cero. Toda la materia y la energía del universo debieron de estar contenidas en un único punto de densidad infinita: una singularidad cosmológica. Esta es la base del modelo del Big Bang, algo parecido a un agujero negro a la inversa.
El abandono del estado estacionario
El modelo del estado estacionario intentó eliminar la singularidad cosmológica, cuya plausibilidad muchos cuestionaban. Las singularidades se consideraban deficiencias de las predicciones de la relatividad general y contrarias a las leyes conocidas de la física.
Según el modelo del estado estacionario, el universo es eterno y no tiene principio. Su aparente expansión puede explicarse añadiendo a las ecuaciones de Einstein un «campo de creación», o campo C, que haría que la materia se creara continuamente en el espacio entre las galaxias a medida que se alejan unas de otras.
Pero, en el capítulo final de su tesis doctoral, Hawking sostuvo que la idea de un campo C tenía sus propios problemas y que el modelo correcto era el que describía una singularidad inicial mediante la solución de Robertson-Walker.
Lo que hizo después es lo que muchos consideran revolucionario. Basándose en el trabajo de su colega físico británico Roger Penrose, Hawking demostró matemáticamente que las singularidades no eran una deficiencia de la teoría, sino características esperables de la naturaleza. Demostró, en efecto, que la relatividad general admitía un universo que hubiera comenzado en una singularidad.
Medio siglo después, las pruebas observacionales a favor del escenario del Big Bang son abrumadoras y el modelo del estado estacionario hace tiempo que se abandonó. Hawking realizó posteriormente otras contribuciones monumentales a la cosmología y la física teórica. Leer la tesis de Hawking permite asomarse a una mente excepcionalmente creativa y a los primeros pasos de un descubrimiento en una trayectoria científica extraordinaria.
