Historia del tiempo: Del big bang a los agujeros negros – Stephen W. Hawking
Stephen W. Hawking, físico británico (Oxford, 1942), heredero de la cátedra Lucasiana de matemáticas, fundada en 1663, que en su tiempo ocuparon Newton y después Dirac, es uno de los mayores genios de la ciencia del siglo XX. En HISTORIA DEL TIEMPO, su obra maestra, el profesor Hawking plantea las eternas preguntas que filósofos y científicos han intentado resolver a lo largo del tiempo: ¿cuál es el origen del cosmos?, ¿por qué la gravedad nos ata a la Tierra?, ¿hubo un principio del tiempo?… También intentará, él mismo así lo dice, comprender el pensamiento de Dios. Dede Aristóteles hasta Einstein, pasando por Galileo y Newton, esta obra genial se enfrenta a los principales retos del pensamiento universal.
Decidí escribir una obra de divulgación sobre el espacio y el tiempo después de impartir en Harvard las conferencias Loeb de 1982. Ya existía una considerable bibliografía acerca del universo primitivo y de los agujeros negros, en la que figuraban desde libros muy buenos, como el de Steven Weinberg, Los Tres Primeros Minutos Del Universo, hasta otros muy malos, que no nombraré. Sin embargo, sentía que ninguno de ellos se dirigía realmente a las cuestiones que me habían llevado a investigar en cosmología y en la teoría cuántica: ¿de dónde viene el universo? ¿Cómo y por qué empezó? ¿Tendrá un final, y, en caso afirmativo, cómo será? Estas son cuestiones de interés para todos los hombres. Pero la ciencia moderna se ha hecho tan técnica que solo un pequeño número de especialistas son capaces de dominar las matemáticas utilizadas en su descripción. A pesar de ello, las ideas básicas acerca del origen y del destino del universo pueden ser enunciadas sin matemáticas, de tal manera que las personas sin una educación científica las puedan entender. Esto es lo que he intentado hacer en este libro. El lector debe juzgar si lo he conseguido. Alguien me dijo que cada ecuación que incluyera en el libro reduciría las ventas a la mitad. Por consiguiente, decidí no poner ninguna en absoluto. Al final, sin embargo, sí que incluí una ecuación, la famosa ecuación de Einstein, E=mc 2 . Espero que esto no asuste a la mitad de mis potenciales lectores.
Aparte de haber sido lo suficientemente desafortunado como para contraer el ALS, o enfermedad de las neuronas motoras, he tenido suerte en casi todos los demás aspectos. La ayuda y apoyo que he recibido de mi esposa, Jane, y de mis hijos, Robert, Lucy y Timmy, me han hecho posible llevar una vida bastante normal y tener éxito en mi carrera. Fui de nuevo afortunado al elegir la física teórica, porque todo está en la mente. Así, mi enfermedad no ha constituido una seria desventaja. Mis colegas científicos han sido, sin excepción, una gran ayuda para mí. En la primera fase « clásica» de mi carrera, mis compañeros y colaboradores principales fueron Roger Penrose, Robert Geroch, Brandon Carter y George Ellis. Les estoy agradecido por la ayuda que me prestaron y por el trabajo que realizamos juntos. Esta fase fue recogida en el libro The Large Scale Structure of Spacetime, que Ellis y yo escribimos en 1973. Desaconsejaría a los lectores de este libro consultar esa obra para una mayor información: es altamente técnica y bastante árida. Espero haber aprendido desde entonces a escribir de una manera más fácil de entender.
En la segunda fase « cuántica» de mi trabajo, desde 1974, mis principales colaboradores han sido Gary Gibbons, Don Page y Jim Hartle. Les debo mucho a ellos y a mis estudiantes de investigación, que me han ayudado muchísimo, tanto en el sentido físico como en el sentido teórico de la palabra. El haber tenido que mantener el ritmo de mis estudiantes ha sido un gran estímulo, y ha evitado, así lo espero, que me quedase anclado en la rutina. Para la realización de este libro he recibido gran ayuda de Brian Whitt, uno de mis alumnos. Contraje una neumonía en 1985, después de haber escrito el primer borrador. Se me tuvo que realizar una operación de traqueotomía que me privó de la capacidad de hablar, e hizo casi imposible que pudiera comunicarme. Pensé que sería incapaz de acabarlo. Sin embargo, Brian no solo me ayudó a revisarlo, sino que también me enseñó a utilizar un programa de comunicaciones llamado Living Center (“centro viviente”), donado por Walt Woltosz, de Words Plus Inc., en Sunnyvale, California. Con él puedo escribir libros y artículos, y además hablar con la gente por medio de un sintetizador donado por Speech Plus, también de Sunnyvale.
El sintetizador y un pequeño ordenador personal fueron instalados en mi silla de ruedas por David Mason. Este sistema le ha dado la vuelta a la situación: de hecho, me puedo comunicar mejor ahora que antes de perder la voz. He recibido múltiples sugerencias sobre cómo mejorar el libro, aportadas por gran cantidad de personas que habían leído versiones preliminares. En particular, de Peter Guzzardi, mi editor en Bantam Books, quien me envió abundantes páginas de comentarios y preguntas acerca de puntos que él creía que no habían sido explicados adecuadamente. Debo admitir que me irrité bastante cuando recibí su extensa lista de cosas que debían ser cambiadas, pero él tenía razón. Estoy seguro de que este libro ha mejorado mucho gracias a que me hizo trabajar sin descanso. Estoy muy agradecido a mis ayudantes, Colin Williams, David Thomas y Raymond Lafiamme; a mis secretarias Judy Fella, Ann Ralph, Cheryl Billington y Sue Masey ; y a mi equipo de enfermeras. Nada de esto hubiera sido posible sin la ay uda económica, para mi investigación y los gastos médicos, recibida de Gonville and Caius College, el Science and Engineeering Research Council, y las fundaciones Leverhulme, McArthur, Nufield y Ralph Smith. Mi sincera gratitud a todos ellos. Stephen Hawking 20 de Octubre de 1987 Prólogo Yo no escribí el prólogo a la edición original de Breve Historia del Tiempo.
Esto fue hecho por Carl Sagan. En su lugar, yo escribí un texto corto titulado «Agradecimientos» en la cual tuve la cortesía de agradecer a todos. Algunas de las fundaciones que me apoyaron no estuvieron muy complacidas por haber sido mencionadas, ya que tuvieron un incremento en las demandas de apoyo. No pienso que nadie, ni yo ni mi editor ni mi agente, esperaran que al libro le fuera tan bien como le fue. Estuvo en la lista de best-sellers del Sunday Times de Londres por 237 semanas, más que cualquier otro libro (aparentemente La Biblia y Shakespeare no cuentan). Ha sido traducido a algo así como cuarenta idiomas y ha vendido alrededor de una copia cada 750 hombres, mujeres y niños en el mundo. Como Nathan Myhrvold de Microsoft (un ex alumno mío de postgrado) remarcó: he vendido más libros sobre física que Madonna sobre sexo. El éxito de Breve Historia del Tiempo indica que hay un amplio interés en las grandes preguntas como: ¿de dónde venimos?, y ¿por qué el Universo es como es? He tenido oportunidad de actualizar el libro incluyendo nuevas teorías y resultados de experimentos obtenidos desde que el libro se publicó por primera vez (en el día de Locos de Abril, 1988). He incluido un nuevo capítulo sobre agujeros de gusano y viajes en el tiempo. La Teoría General de la Relatividad de Einstein parece ofrecer la posibilidad de que podamos crear y mantener agujeros de gusano (wormholes), pequeños tubos que conectan diferentes regiones del espacio-tiempo.
Si es así podríamos ser capaces de usarlos para rápidos viajes alrededor de la galaxia o para ir atrás en el tiempo. Por supuesto, no hemos visto a nadie que venga del futuro (¿o sí?) pero yo expongo una posible explicación para esto. También describo el progreso que se ha hecho recientemente al encontrar «dualidades» o correspondencias entre teorías de la física aparentemente diferentes. Estas correspondencias son un fuerte indicio de que hay una completa teoría unificada de la física, pero también sugieren que podría no ser posible expresar esta teoría en una simple formulación fundamental. Por el contrario, deberíamos usar diferentes reflexiones de la teoría subyacente en situaciones diferentes. Esto sería como que siendo incapaces de representar la superficie de la Tierra en un solo mapa tengamos que hacer un mapa diferente para regiones diferentes. Esto podría ser una revolución en nuestra visión de la unificación de las ley es de la ciencia pero podría no cambiar el punto más importante: que el universo es gobernado por un conjunto de leyes racionales que podemos descubrir y comprender. En el campo experimental, por lejos el más importante desarrollo ha sido la medición de fluctuaciones en la radiación de microondas del fondo cósmico por el COBE (el satélite explorador del fondo cósmico). Estas fluctuaciones son las huellas digitales de la creación, pequeñas irregularidades iniciales en el de otro modo llano y uniforme universo primigenio que más tarde creció formando galaxias, estrellas, y todas las estructuras que vemos alrededor nuestro. Su forma concuerda con las predicciones de la proposición de que el universo no tiene confines ni bordes en la imaginaria dirección del tiempo; pero posteriores observaciones serán necesarias para distinguir esta proposición de otras posibles explicaciones para las fluctuaciones en el fondo.
Sin embargo, en unos pocos años deberíamos saber si podemos creer que vivimos en un universo que está totalmente auto-contenido y que no tiene comienzo ni fin. Stephen Hawking Introducción Nos movemos en nuestro ambiente diario sin entender casi nada acerca del mundo. Dedicamos poco tiempo a pensar en el mecanismo que genera la luz solar que hace posible la vida, en la gravedad que nos ata a la Tierra y que de otra forma nos lanzaría al espacio, o en los átomos de los que estamos constituidos y de cuy a estabilidad dependemos de manera fundamental. Excepto los niños (que no saben lo suficiente como para no preguntar las cuestiones importantes), pocos de nosotros dedicamos tiempo a preguntarnos por qué la naturaleza es de la forma que es, de dónde surgió el cosmos, o si siempre estuvo aquí, si el tiempo correrá en sentido contrario algún día y los efectos precederán a las causas, o si existen límites fundamentales acerca de lo que los humanos pueden saber. Hay incluso niños, y y o he conocido algunos, que quieren saber a qué se parece un agujero negro, o cuál es el trozo más pequeño de la materia, o por qué recordamos el pasado y no el futuro, o cómo es que, si hubo caos antes, existe, aparentemente, orden hoy, y, en definitiva, por qué hay un universo. En nuestra sociedad aún sigue siendo normal para los padres y los maestros responder a estas cuestiones con un encogimiento de hombros, o con una referencia a creencias religiosas vagamente recordadas. Algunos se sienten incómodos con cuestiones de este tipo, porque nos muestran vívidamente las limitaciones del entendimiento humano. Pero gran parte de la filosofía y de la ciencia han estado guiadas por tales preguntas. Un número creciente de adultos desean preguntar este tipo de cuestiones, y, ocasionalmente, reciben algunas respuestas asombrosas. Equidistantes de los átomos y de las estrellas, estamos extendiendo nuestros horizontes exploratorios para abarcar tanto lo muy pequeño como lo muy grande.
En la primavera de 1974, unos dos años antes de que la nave espacial Viking aterrizara en Marte, estuve en una reunión en Inglaterra, financiada por la Royal Society de Londres, para examinar la cuestión de cómo buscar vida extraterrestre. Durante un descanso noté que se estaba celebrando una reunión mucho mayor en un salón adyacente, en el cual entré movido por la curiosidad. Pronto me di cuenta de que estaba siendo testigo de un rito antiquísimo, la investidura de nuevos miembros de la Royal Society, una de las más antiguas organizaciones académicas del planeta. En la primera fila, un joven en una silla de ruedas estaba poniendo, muy lentamente, su nombre en un libro que lleva en sus primeras páginas la firma de Isaac Newton. Cuando al final acabó, hubo una conmovedora ovación. Stephen Hawking era y a una ley enda. Hawking ocupa ahora la cátedra Lucasian de matemáticas de la Universidad de Cambridge, un puesto que fue ocupado en otro tiempo por Newton y después por P. A. M. Dirac, dos célebres exploradores de lo muy grande y lo muy pequeño.
Él es su valioso sucesor. Este, el primer libro de Hawking para el no especialista, es una fuente de satisfacciones para la audiencia profana. Tan interesante como los contenidos de gran alcance del libro es la visión que proporciona de los mecanismos de la mente de su autor. En este libro hay revelaciones lúcidas sobre las fronteras de la física, la astronomía, la cosmología, y el valor. También se trata de un libro acerca de Dios… o quizás acerca de la ausencia de Dios. La palabra Dios llena estas páginas. Hawking se embarca en una búsqueda de la respuesta a la famosa pregunta de Einstein sobre si Dios tuvo alguna posibilidad de elegir al crear el universo. Hawking intenta, como él mismo señala, comprender el pensamiento de Dios. Y esto hace que sea totalmente inesperada la conclusión de su esfuerzo, al menos hasta ahora: un universo sin un borde espacial, sin principio ni final en el tiempo, y sin lugar para un Creador. Carl Sagan Universidad de Cornell, lthaca, Nueva York CAPÍTULO 1 NUESTRA IMAGEN DELUNIVERSO Un conocido científico (algunos dicen que Bertrand Russell) dio una vez una conferencia sobre astronomía.
Él describió cómo la Tierra orbita alrededor del Sol y cómo el Sol, a su vez, orbita alrededor del centro de una vasta colección de estrellas llamada nuestra galaxia. Al final de la conferencia, una pequeña anciana sentada en el fondo de la sala se paró y dijo: « Lo que usted ha dicho es una mierda. El mundo es en realidad un plato plano sobre el lomo de una tortuga gigante» . El científico sonrió despectivamente y replicó: « ¿y sobre qué está la tortuga?» . « Usted es muy inteligente, jovencito, muy inteligente —dijo la pequeña anciana—, ¡pero hay infinitas tortugas!» . Mucha gente podría encontrar bastante ridícula la imagen de nuestro universo como una torre de infinitas tortugas, pero ¿por qué pensamos que lo sabemos mejor?, ¿qué sabemos acerca del universo y cómo lo sabemos?, ¿de dónde vino el universo y hacia dónde va? ¿Tuvo el universo un comienzo, y si es así, qué sucedió antes de eso?, ¿cuál es la naturaleza del tiempo?, ¿tendrá un final?, ¿podemos ir atrás en el tiempo? Recientes descubrimientos en física hacen posible, en parte por fantásticas nuevas tecnologías, sugerir respuestas a algunas de estas antiguas preguntas. Algún día estas respuestas nos parecerán tan obvias como la Tierra orbitando al Sol —o tal vez tan ridículas como una torre de tortugas— solo el tiempo (lo que quiera que sea) lo dirá. En el año 340 a. C. el filósofo griego Aristóteles, en su libro Sobre los Cielos, fue capaz de proponer dos buenos argumentos para creer que la Tierra era una esfera redonda en lugar de un plato plano.
Primero, él se dio cuenta de que los eclipses de Luna eran causados por la Tierra que se ponía entre el Sol y la Luna. La sombra de la Tierra sobre la Luna era siempre redonda, lo cual podía suceder solo si la Tierra era esférica. Si la Tierra hubiera sido un disco plano, la sombra hubiera sido elongada y elíptica a menos que el Sol siempre estuviera sobre el eje del disco cuando ocurrían los eclipses. Segundo, los griegos sabían por sus viajes que la Estrella del Norte aparecía más baja en el cielo vista desde el sur que si la miraban en regiones del norte (dado que la Estrella del Norte está sobre el Polo Norte aparece sobre la cabeza de alguien en el Polo Norte y se ve en el horizonte desde el ecuador). De la diferencia entre la posición aparente de la Estrella del Norte en Egipto y Grecia. Aristóteles inclusive calculó estimativamente que la distancia alrededor de la Tierra era de 400.000 estadios. No se sabe exactamente cuánto medía un estadio, pero debe haber tenido alrededor de 200 yardas lo cual hace que Aristóteles estimara el doble de la figura corrientemente aceptada. Los griegos también tenían un tercer argumento de que la Tierra debía ser redonda. ¿Por qué sino, cuando aparece un barco desde detrás del horizonte, vemos primero las velas y solo más tarde el casco? Aristóteles pensaba que la Tierra estaba quieta y que el Sol, la Luna, los planetas y las estrellas se movían en órbitas circulares alrededor de la Tierra.
Él creía esto porque él sentía, por razones místicas, que la Tierra era el centro del universo, y que el movimiento circular era el más perfecto. Esta idea fue elaborada por Tolomeo en el segundo siglo a. C. en un completo modelo cosmológico. La tierra permanecía en el centro, rodeada por ocho esferas de cristal sobre las que giraban la Luna, el Sol, las estrellas y los cinco planetas que se conocían, Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno.
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