© Libro No.515. Las Conferencias de
Stephen Hawking. Gmm. Colección E.O. Noviembre 9
de 2013.
Título original: © Las Conferencias de Stephen Hawking. Gmm.
Colección E.O. Noviembre 9 de 2013.
Versión Original: © Las Conferencias de
Stephen Hawking. Gmm. Colección E.O. Noviembre 9 de 2013.
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© Edición, reedición y Colección Biblioteca
Emancipación: Guillermo Molina Miranda
LAS CONFERENCIAS DE
Stephen
Hawking
GMM
CONTENIDO
1. El Espacio y el
Tiempo se Curvan
3. Una Unificada
Teoría del Todo
El Espacio y el Tiempo se Curvan
Stephen Hawking
En ciencia ficción, la curvatura del espacio y del tiempo son eventos
comunes. Se les utiliza para viajes rápidos alrededor de la galaxia, o para
viajes en el tiempo. Pero a menudo, la ciencia ficción de hoy es la ciencia
empírica del mañana. De modo que ¿cuáles son las posibilidades de curvar el
espacio y el tiempo?.
La idea de que el espacio y el tiempo pueden sufrir torsiones o curvarse,
es bastante reciente. Durante más de dos mil años, los axiomas de la geometría
Euclídea fueron considerados verdades evidentes. Como todos aquellos que se han
visto forzados a estudiar geometría Euclídea en el colegio recuerdan, una de
las consecuencias de estos axiomas es, que los ángulos de un triángulo, sumados
en conjunto, dan como resultado 180 grados.
Sin embargo, durante el último siglo, la gente comenzó a darse cuenta de
que existían otras formas posibles de geometría, en la que los ángulos de un
triángulo, no necesariamente suman 180 grados. Considere, por ejemplo, la
superficie de la Tierra. Lo más cercano a una línea recta en la superficie de
la Tierra es lo que llamamos, un gran círculo. Estos son los caminos más cortos
entre dos puntos, por eso las compañías aéreas los emplean como rutas de vuelo.
Considere ahora el triángulo en la superficie de la Tierra compuesto por el
ecuador, la línea de 0 grados de longitud que atraviesa Londres, y la linea de
90 grados longitud este que atraviesa Bangladesh. Las dos líneas de longitud
cortan el ecuador formando un ángulo de 90 grados. Las dos líneas de longitud
se encuentran también en el polo norte formando otro ángulo de 90 grados. Por
ello, tenemos un triángulo con tres ángulos rectos. Los ángulos de este
triángulo sumados en conjunto dan como resultado 270 grados. Esto supera a los
180 grados de un triángulo sobre una superficie plana. Si dibujamos un
triángulo con una superficie en forma de silla de montar, descubriremos que la
suma de sus ángulos da un resultado menor a 180 grados. La superficie de la
Tierra, es lo que conocemos como espacio bidimensional. Lo cual significa que
puedes moverte a través de la superficie de la Tierra en dos direcciones, las
cuales forman un ángulo recto entre si: puedes moverte norte-sur, o este-oeste.
Pero por supuesto, hay una tercera dirección que forma ángulos rectos con las
otras dos, y esa dirección es arriba-abajo. Lo que es tanto como decir que la
superficie de la Tierra existe en un espacio tridimensional. El espacio
tridimensional es plano. Lo cual significa que obedece a la geometría Euclídea.
La suma de los ángulos de un triángulo es de 180 grados. Sin embargo, podríamos
imaginar una raza de criaturas bidimensionales que pudiesen moverse sobre la
superficie de la Tierra, pero que no pudiesen experimentar la tercera
dirección, es decir arriba-abajo. Ellos no conocerían el espacio plano
tridimensional sobre el que se apoya la superficie de la Tierra. Para ellos, el
espacio sería curvo, y la geometría no sería Euclídea.
Sería muy difícil diseñar un ser viviente que pudiese existir en solo dos
dimensiones.
La comida que la criatura no podría digerir, debería escupirla por el mismo
sitio por el que entró. Si hubiese un pasaje que atravesase al animal a lo
largo, tal y como nosotros tenemos, el pobre animal acabaría deshecho en dos
partes.
De modo que tres dimensiones, parecen ser las mínimas exigibles para la
vida. Pero así como se puede pensar en seres de dos dimensiones viviendo sobre
la superficie de la Tierra, también cabria imaginar que el espacio
tridimensional en el que vivimos, era la superficie de una esfera, en otra
dimensión que nosotros no vemos. Si la esfera fuese muy grande, el espacio
parecería ser casi plano, y la geometría Euclídea sería una estupenda
aproximación sobre distancias pequeñas. Pero nos daríamos cuenta de que la
geometría Euclídea no funcionaría para grandes distancias. Como ilustración de
esto, imaginemos un equipo de pintores, dando capas de pintura sobre la
superficie de una enorme bola. A medida que el grosor de las capas de pintura
se incrementa, el área de la superficie crece. Si la bola estuviese en un
espacio plano tridimensional, se podría seguir añadiendo pintura
indefinidamente, y la bola se haría más y más grande. Sin embargo, se el
espacio tridimensional fuera realmente la superficie de una esfera en otra
dimensión, su volumen sería enorme pero finito. A medida que se añaden más
capas de pintura, la bola llegaría eventualmente a llenar la mitad de la
superficie del espacio. Después de eso, los pintores descubrirían que están
atrapados en un región cuyo tamaño siempre decrece, y casi la totalidad del
espacio, estaría ocupado por la bola, y sus capas de pintura. De modo que
descubrirían que viven en un espacio curvado, y no plano.
Este ejemplo demuestra que no se puede deducir la geometría del mundo
partiendo de sus primeros principios, tal y como los antiguos griegos pensaban.
En lugar de eso, hay que medir el espacio en el que vivimos, y descubrir su
geometría experimentalmente. Sin embargo, aunque en 1854 el alemán George
Friedrich Riemann, desarrolló un modo para describir espacios curvos,
permaneció como una parte incompleta de las matemáticas durante 60 años. Podía
describir espacios curvos que existiesen en el abstracto, pero no había razones
por las que creer que el espacio físico en el que vivimos pudiese ser curvo.
Esa idea llegó solo en 1915, cuando Einstein presentó la Teoría General de la
Relatividad.
La Relatividad General fue una revolución intelectual fundamental que ha
transformado la forma en que pensamos sobre el universo. Es una teoría no solo
sobre la curvatura del espacio, sino también sobre la curvatura del tiempo. En
1905, Einstein había comprendido que el espacio y el tiempo están íntimamente
conectados el uno con el otro. Se puede describir la localización de un evento
con cuatro números. Tres de ellos describen la posición del mismo. Podrían ser,
por ejemplo, millas al norte y al este de Oxford, y altura sobre el nivel del
mar. En una escala mayor, podrían representar la latitud y la longitud
galácticas, y la distancia desde el centro de la galaxia. El cuarto número, es
el tiempo del evento. Así, uno puede pensar sobre el espacio y el tiempo en
forma conjunta, como una entidad tetradimensional llamada espacio-tiempo. Cada
punto del espacio tiempo está determinado por cuatro números que especifican su
posición en el espacio y en el tiempo. Combinar de esta forma el espacio y el
tiempo resultaría bastante trivial, si uno pudiera descombinarlos de una manera
única, es decir, si hubiera una única forma de definir el tiempo y la posición
de cada evento. Sin embargo, en un importantísimo artículo escrito en 1905,
cuando era un empleado de la Oficina Suiza de Patentes, Einstein demostró que
el tiempo y la posición en los cuales uno piensa que ocurrió un evento,
dependían de cómo uno se estaba moviendo. Esto significaba que el espacio y el
tiempo estaban indisolublemente ligados el uno con el otro. Los tiempos que
diferentes observadores le asignarían a los eventos estarían de acuerdo si los
observadores no se estaban moviendo en relación de unos con los otros. Pero
diferirían en forma creciente de acuerdo a cuanto mayor fueran sus velocidades
relativas. Así que uno puede preguntarse cuán rápido debe moverse para que el
tiempo de un observador pudiera marchar hacia atrás con relación al tiempo de
otro observador. La respuesta se da en la siguiente jocosa quintilla:
Había una jovencita en Granada
Que más rápido que la luz viajaba,
Un día inició su partida
De una forma relativa
Y regresó en la previa alborada.
Así que todo lo que necesitamos para viajar en el tiempo es una astronave
que vaya más rápido que la luz. Desafortunadamente, en el mismo artículo
Einstein demostró que la energía necesaria para acelerar a una astronave crecía
cada vez más y más, a medida que se acercaba a la velocidad de la luz. Así que
se necesitaría una cantidad infinita de energía para acelerar más allá de la
velocidad de la luz.
El artículo de Einstein de 1905 parecía eliminar la posibilidad de viajar
hacia el pasado. También indicaba que el viaje espacial hacia otras estrellas
sería un asunto lento y tedioso. Si uno no podía viajar más rápido que la luz,
el viaje de ida y vuelta hasta la estrella más cercana tomaría por lo menos
ocho años, y hasta el centro de la galaxia un mínimo de ochenta mil años. Si la
nave viajara muy cerca de la velocidad de la luz, podría parecerle a la
tripulación abordo de la misma que el viaje al centro galáctico hubiera durado
solamente unos pocos años. Pero eso no sería de mucho consuelo, si cuando
volvieran a casa todos los que hubieran conocido hubieran estado muertos y
olvidados hace miles de años. Eso no era muy bueno para los “westerns” espaciales,
así que los escritores de ciencia-ficción tuvieron que buscar en otros lados
para soslayar esta dificultad.
En un artículo de 1915, Einstein mostró que los efectos de la gravedad
podrían ser descritos, suponiendo que el espacio-tiempo era curvado o
distorsionado por la materia y la energía que contenía. Podemos observar
realmente esta curvatura producida por la masa del Sol, en la ligera curvatura
sufrida por la luz o las ondas de radio que pasan cerca del Sol. Esto ocasiona
que la posición aparente de la estrella o de la fuente de radio-ondas se
traslade ligeramente, cuando el Sol se encuentra entre la Tierra y el objeto
observado. El cambio de posición es muy pequeño, de alrededor de una milésima
de grado, equivalente a un desplazamiento de una pulgada a la distancia de una
milla. No obstante, puede ser medido con mucha precisión, y concuerda con las
predicciones de la Relatividad General. Tenemos evidencia experimental de que
el espacio y el tiempo están curvados. La combadura en nuestro vecindario
espacial es muy pequeña, porque todos los campos gravitacionales en el sistema
solar son débiles. Sin embargo, sabemos que pueden ocurrir campos muy fuertes,
por ejemplo durante el Big Bang, o en los agujeros negros. Así, el espacio y el
tiempo pueden ser lo suficientemente curvados como para satisfacer las demandas
de la ciencia-ficción, en cosas tales como impulsos hiper-espaciales, agujeros
de gusano, o viajes en el tiempo. A primera vista, todo esto parece ser
posible. Por ejemplo, en 1948, Kurt Goedel halló una solución a las ecuaciones
de campo de la Relatividad General que representa un universo en el que toda la
materia está rotando. En este universo, sería posible partir hacia el espacio
en una astronave y regresar antes del despegue. Goedel estaba en el Instituto
de Estudios Avanzados en Princeton, donde Einstein pasó también sus últimos
años. Era más conocido por probar que no se podía probar nada como verdadero,
aún en un asunto aparentemente tan simple como la aritmética. Pero lo que probó
acerca de que la Relatividad General permitía el viaje en el tiempo realmente
conmovió a Einstein, quien había pensado que eso era imposible.
Ahora sabemos que la solución de Goedel no puede representar al universo en
el cual vivimos, ya que el suyo no está en expansión. También contiene un valor
bastante alto para una cantidad llamada constante cosmológica, el cual
generalmente se cree que es de cero. Sin embargo, desde entonces se han
encontrado otras aparentemente más razonables soluciones que permiten el viaje
en el tiempo. Una que es particularmente interesante contiene dos cuerdas
cósmicas, moviéndose una con respecto a la otra a una velocidad muy cercana,
aunque ligeramente más pequeña, a la de la luz. Las cuerdas cósmicas son una
destacada idea de la física teórica, a la cual los escritores de
ciencia-ficción aparentemente no han comprendido. Como lo sugiere su nombre,
son como cuerdas, en el sentido de que tienen longitud, pero una muy pequeña
sección transversal. En realidad, son más como bandas elásticas, porque se
encuentran bajo una enorme tensión, algo así como cien mil cuatrillones de
toneladas. Una cuerda cósmica unida al sol lo aceleraría de cero a sesenta en
un trigésimo de segundo.
La teoría de las cuerdas cósmicas puede sonar como algo descabellado, pura
ciencia-ficción. Pero existen buenas razones científicas como para creer que se
pueden haber formado en el universo muy temprano, muy poco después del Big
Bang. Ya que se encuentran bajo tan enorme tensión, uno podría suponer que
acelerarían hasta casi la velocidad de la luz. Lo que el universo de Goedel y
el raudo espacio-tiempo de las cuerdas cósmicas tienen en común, es que ambos
comienzan tan distorsionados y curvados que el viaje hacia el pasado fue
siempre posible. Dios puede haber creado un universo tan combado, pero no
tenemos ninguna razón para pensar que lo haya hecho. Toda la evidencia apunta a
que el universo comenzó con un Big Bang, sin el tipo de curvatura necesario para
permitir el viaje hacia el pasado. Ya que no podemos cambiar la forma en que
comenzó el universo, la cuestión de si el viaje en el tiempo es posible, es la
de si podemos hacer que el espacio-tiempo se curve tanto como para que podamos
viajar al pasado. Creo que esto es un importante tema de investigación, pero
uno tiene que tener cuidado de no ser etiquetado como excéntrico. Si uno
solicitara una subvención para investigar sobre el viaje en el tiempo, sería
descartado inmediatamente. Ninguna agencia gubernamental podría permitirse ser
vista dilapidando el dinero público en algo tan descabellado como el viaje en
el tiempo. En cambio, uno debería utilizar términos técnicos, como curvas
cerradas tempo-similares, que son un código para el viaje en el tiempo. Aunque
esta conferencia trata parcialmente sobre el viaje temporal, sentí que debía
darle un título científicamente más respetable, como el de “El Espacio y el
Tiempo se curvan”. Aún así, es una cuestión muy seria. Ya que la Relatividad
General permite el viaje temporal, ¿lo permite en nuestro universo?. Y en caso
de que no, ¿por qué no?.
Cercanamente emparentada con el viaje en el tiempo, se encuentra la
habilidad de moverse rápidamente de una posición en el espacio hacia otra. Como
dije antes, Einstein demostró que sería necesaria una cantidad infinita de
energía para acelerar una astronave más allá de la velocidad de la luz. Así que
la única manera de llegar desde un extremo de la galaxia al otro en un tiempo
razonable, parecería ser la de que pudiéramos curvar tanto al espacio-tiempo
que pudiéramos crear un pequeño tubo o agujero de gusano. Esto podría conectar
los dos lados de la galaxia, y actuar como un atajo, para llegar del uno al
otro y volver mientras los amigos de uno todavía están vivos. Tales agujeros de
gusano han sido seriamente sugeridos como para estar dentro de las posibilidades
de una civilización futura. Pero si uno puede viajar de un extremo al otro de
la galaxia en una o dos semanas, también podría volver a través de otro agujero
y arribar antes de haber partido. Incluso se podría viajar hacia atrás en el
tiempo a través de un solo agujero de gusano, si los dos extremos del mismo
estuvieran en movimiento relativo uno con respecto al otro.
Se puede demostrar que para crear un agujero de gusano, es necesario curvar
el espacio-tiempo en la forma opuesta a la que lo hace la materia normal. La
materia ordinaria curva el espacio-tiempo alrededor de sí mismo, tal como la
superficie de la Tierra.
Sin embargo, para crear un agujero de gusano es necesario curvar el
espacio-tiempo en la dirección opuesta, como la superficie de una silla de
montar. Lo mismo es verdad sobre cualquier otra forma de curvar el
espacio-tiempo que pueda hacer posible el viaje en el tiempo, si el universo no
comenzó tan curvado como para permitirlo. Lo que uno requeriría sería materia
con masa negativa, y una densidad de energía negativa, para lograr la curvatura
espacio-temporal necesaria.
La energía es como el dinero. Si se tiene un balance bancario positivo, uno
puede distribuirlo de varias maneras. Pero de acuerdo con las leyes clásicas en
las que se creía hasta hace muy poco tiempo, no estaba permitido tener un
descubierto energético. Así, estas leyes clásicas descartaban la posibilidad de
curvar el espacio-tiempo en la forma requerida para permitir el viaje en el
tiempo. Sin embargo, estas leyes clásicas fueron desplazadas por la Teoría
Cuántica, que es la otra gran revolución en nuestra imagen del universo, además
de la Relatividad General. La Teoría Cuántica es más relajada, y permite los
números rojos en una o dos cuentas. ¡Si tan sólo los bancos fueran tan
complacientes!. En otras palabras, la Teoría Cuántica permite que la densidad
energética sea negativa en algunos lugares, siempre y cuando sea positiva en
otros
La razón por la cual la Teoría Cuántica permite que la densidad energética
sea negativa, es que está basada en el Principio de Incertidumbre.
Esto quiere decir que ciertas cantidades, como la posición y la velocidad
de una partícula, no pueden tener un valor bien definido. Cuanto más
precisamente sea definida la posición de una partícula, más grande es la
incertidumbre en la velocidad y viceversa. El principio de incertidumbre
también se aplica a los campos, como por ejemplo el campo electromagnético o el
campo gravitacional. Esto implica que estos campos no pueden anularse
exactamente, incluso en lo que pensamos que es espacio vacío. Si fuera exactamente
nulo, ambos valores tendrían una posición bien definida en cero, y una
velocidad también bien definida, que sería también cero. Esto sería una
violación del principio de incertidumbre. Sin embargo, los campos deberían
tener una cantidad mínima de fluctuaciones. Uno podría interpretar estas
fluctuaciones, que son llamadas fluctuaciones en el vacío, como parejas de
partículas y antipartículas que repentinamente aparecen juntas, se separan y
posteriormente vuelven a juntarse y aniquilarse mutuamente. Estas parejas de
partículas y antipartículas se dice que son virtuales, porque no pueden ser
medidas directamente con un detector de partículas. De cualquier modo, se
pueden observar sus efectos indirectamente. Una manera de realizarlo es
utilizando el llamado efecto Casimir. Se tienen dos discos de metal, separados
por una pequeña distancia. Los discos actúan como espejos para las partículas y
antipartículas virtuales. Esto quiere decir que las regiones entre los discos
es algo así como el tubo de un órgano, y solo admitiría ondas de luz de ciertas
frecuencias resonantes. El resultado es que hay ligeramente menos fluctuaciones
en el vacío o partículas virtuales entre los discos que fuera de ellos, donde
las fluctuaciones en el vacío pueden tener cualquier longitud de onda. La
reducción del número de partículas virtuales entre los discos implica que no
colisionarán con ellos tan a menudo, y por lo tanto no ofrecerán tanta presión
en los discos como las partículas virtuales de fuera. Consecuentemente hay una pequeña
fuerza empujando los discos el uno contra el otro. Esta fuerza ha sido medida
experimentalmente. Así, las partículas virtuales de hecho existen, y producen
efectos reales.
Ya que hay menos partículas virtuales, o fluctuaciones en el vacío, entre
los discos, estos tienen una densidad energética menor que en la región
externa. Pero la densidad energética del espacio vacío lejos de los discos debe
ser cero. De otra manera curvaría el espacio-tiempo y el universo no sería casi
plano. Por tanto la densidad energética de la región entre los discos debe ser
negativa.
También se tiene evidencia de la curvatura de la luz, de que el
espacio-tiempo es curvo y la confirmación por parte del efecto Casimiro, de que
se puede curvar en sentido negativo. Entonces parece posible, tal como se
avanza en la ciencia y tecnología, que quizás sea posible construir un agujero
de gusano, o curvar el espacio y el tiempo de alguna otra manera, tal que se
nos permita viajar a nuestro pasado. Si este fuera el caso, provocaría una
multitud de preguntas y problemas. Una de ellas es el motivo por el cual, si en
algún momento futuro aprendemos a viajar en el tiempo, no ha vuelto ya alguien
del futuro para decirnos como se hace.
Incluso si hubiera razones lógicas para mantenernos en la ignorancia,
siendo como es la naturaleza humana, es difícil de creer que nadie se asomaría,
y nos diría a nosotros ignorantes paisanos, el secreto del viaje en el tiempo.
Por supuesto, alguna gente puede afirmar que ya hemos sido visitados desde el
futuro. Podrían decir que los platillos volantes vienen del futuro, y que los
gobiernos están involucrados en una gigantesca trama para encubrirlos, y
guardarse para ellos mismos todo el conocimiento científico que traen esos
visitantes. Todo lo que puedo decir es que si los gobiernos estuvieran
escondiendo algo, están haciendo un trabajo un poco tonto extrayendo
información útil de los alienígenas. Soy un poco escéptico con las teorías
conspiratorias, creer la teoría de que lo han arruinado todo es más probable.
Los informes de avistamientos de platillos volantes no pueden haber sido todos
causados por extraterrestres, porque son mutuamente contradictorios. Pero una
vez que admites que algunos son errores, o alucinaciones, ¿no es más probable
que lo sean todos o que se nos esté visitando por gente del futuro o del otro
lado de la galaxia?. Si realmente quieren colonizar la Tierra, o avisarnos de
algún peligro están siendo un poco ineficaces. Una vía posible para reconciliar
el viaje en el tiempo con el hecho de que no parece que hayamos tenido ninguna
visita del futuro, podría ser que dijéramos que solo puede ocurrir en el
futuro. Bajo este punto de vista se podría decir que el espacio-tiempo en
nuestro pasado era fijo, porque lo hemos observado, y parece que no está lo
suficientemente curvado como para permitir el viaje al pasado. Pero ya que si
sólo se podrá curvar el espacio-tiempo en el futuro, no seremos capaces de
viajar atrás al tiempo presente o un tiempo anterior.
Esto explicaría por qué no hemos sido invadidos por turistas del futuro.
Aún así esto dejaría un montón de paradojas. Supongamos que te fuera
posible despegar en un cohete espacial y volver antes del despegue. ¿Que te
impediría reventar el cohete en su plataforma de lanzamiento, o por otro lado
prevenir que partas la primera vez?. Hay otras versiones de esta paradoja, por
ejemplo ir al pasado, y matar a tus padres antes de que nacieras, pero son
esencialmente equivalentes. Parece haber dos resoluciones posibles.
Una es la que debo llamar la aproximación de las historias consistentes.
Dice que uno debe encontrar una solución consistente en las ecuaciones de la
física, incluso si el espacio-tiempo esta tan curvado como para hacer posible
el viaje al pasado. Según esta perspectiva, no podrías hacer que el cohete
hubiera viajado al pasado a menos de que ya hubieras venido y hubieras fallado
al reventar la plataforma de despegue. Eso es un escenario consistente, pero
implicaría que estamos completamente determinados: no podríamos cambiar nuestra
opinión. Demasiado para el libre albedrío. La otra posibilidad es lo que llamo
la aproximación de las historias alternativas. Ha sido defendida por el físico
David Deutsch, y parece que era lo que tenía en mente Stephen Spielberg cuando
rodó Regreso al Futuro (Back to the Future).
Según este punto de vista, en una historia alternativa, no habría ninguna
vuelta del futuro antes de que el cohete despegara, y por lo tanto no habría
posibilidad de reventarlo. Pero cuando el viajero vuelve del futuro, entra en
una historia alternativa distinta. En este caso, la raza humana hace un
tremendo esfuerzo para construir una nave espacial, pero justo cuando va a ser
lanzada, una nave similar aparece desde otro punto de la galaxia y la destruye.
David Deutsch apoya la aproximación de historias alternativas desde el
concepto de "suma de historias" introducido por el físico Richard
Feinman, que murió hace unos pocos años. La idea es que según la Teoría
Cuántica, el universo no tiene una única historia.
En vez de eso, el universo tiene cada una de las historias posibles, cada
una con su propia probabilidad. Debe haber una posible historia en la que
exista una paz duradera en el Medio Oriente, aunque quizás la probabilidad sea
baja. En algunas historias, el espacio-tiempo estará tan curvado que objetos
como los cohetes serán capaces de viajar a su pasado. Pero cada historia es
completa y auto contenida, describiendo no solo el espacio-tiempo curvado, sino
también los objetos en ella. Por lo tanto un cohete no puede transferirse a
otra historia alternativa cuando vuelve de nuevo. Es todavía la misma historia,
que tiene que ser auto consistente. Por lo tanto, a pesar de lo que afirma
Deutsch, creo que la idea de la "suma de historias" apoya la hipótesis
de las historias consistentes, más que la idea de historias alternativas.
Parece por consiguiente, que estamos encerrados en el escenario de las
historias consistentes. De cualquier manera, esta necesidad no implica que
existan problemas con el determinismo o libre albedrío si las posibilidades de
que el espacio-tiempo esté tan curvado que el viaje en el tiempo sea posible
sobre una región macroscópica son muy pequeñas. Esto es lo que llamo la
Conjetura de la Protección Cronológica: las leyes de la física conspiran para
prevenir el viaje en el tiempo a una escala macroscópica.
Parece que lo que ocurre es que cuando el espacio-tiempo se curva casi lo
suficiente para permitir el viaje al pasado, las partículas virtuales, y su
energía, se incrementan mucho. Esto quiere decir que la probabilidad de esas
historias es muy baja. Por lo tanto parece haber una Agencia de Protección
Cronológica trabajando, haciendo el mundo seguro para los historiadores. Pero
este tema de la curvatura del espacio y el tiempo está aún en su infancia.
Según la teoría de cuerdas, que es nuestra mayor esperanza para unificar la
Relatividad General y la Teoría Cuántica en la Teoría del Todo, el
espacio-tiempo debería tener diez dimensiones, no solo las cuatro que
experimentamos. La idea es que seis de esas diez dimensiones están enrolladas
en un espacio tan pequeño que no nos damos cuenta de ellas. Por otro lado las
cuatro que quedan son bastante planas, y son lo que llamamos espacio-tiempo. Si
este escenario es correcto, quizás sería posible mezclar las cuatro direcciones
planas con las otras direcciones que están altamente curvadas. A que podría
conducir esto, no lo sabemos aún. Pero abre un abanico de posibilidades
interesantes.
La conclusión de este discurso es que el viaje rápido en el espacio, o el
viaje atrás en el tiempo no tiene reglas, según nuestra compresión actual.
Ambos causarían muchos problemas lógicos, por lo que esperemos que existe una
Ley de Protección Cronológica que impida a la gente ir atrás y que maten a
nuestros padres. Pero los fans de la ciencia ficción no pierden su entusiasmo.
Hay esperanza en la teoría de cuerdas.
Y como no hemos roto aún la barrera del viaje en el tiempo, me he quedado
sin tiempo. Muchas gracias por su atención.
Stephen Hawking
Esta conferencia versa sobre si podemos predecir el futuro o bien éste es
arbitrario y aleatorio. En la antigüedad, el mundo debía de haber parecido
bastante arbitrario. Desastres como las inundaciones o las enfermedades debían
de haber parecido producirse sin aviso o razón aparente. La gente primitiva
atribuía esos fenómenos naturales a un panteón de dioses y diosas que se
comportaban de una forma caprichosa e impulsiva. No había forma de predecir lo
que harían, y la única esperanza era ganarse su favor mediante regalos o
conductas. Mucha gente todavía suscribe parcialmente esta creencia, y tratan de
firmar un pacto con la fortuna. Se ofrecen para hacer ciertas cosas a cambio de
un sobresaliente en una asignatura, o de aprobar el examen de conducir.
Sin embargo, la gente se debió de dar cuenta gradualmente de ciertas
regularidades en el comportamiento de la naturaleza. Estas regularidades eran
más obvias en el movimiento de los cuerpos celestes a través del firmamento.
Por eso la Astronomía fue la primera ciencia en desarrollarse. Fue puesta sobre
una firme base matemática por Newton hace más de 300 años, y todavía usamos su
teoría de la gravedad para predecir el movimiento de casi todos los cuerpos
celestes. Siguiendo el ejemplo de la Astronomía, se encontró que otros
fenómenos naturales también obedecían leyes científicas definidas. Esto llevó a
la idea del determinismo científico, que parece haber sido expresada
públicamente por primera vez por el científico francés Laplace. Me pareció que
me gustaría citar literalmente las palabras de Laplace. y le pedí a un amigo
que me las buscara. Por supuesto que están en francés, aunque no esperaba que
la audiencia tuviera ningún problema con esto. El problema es que Laplace, como
Prewst [N. del T.: Hawking probablemente se refiere a Proust], escribía frases
de una longitud y complejidad exageradas. Por eso he decidido parafrasear la
cita. En efecto, lo que él dijo era que, si en un instante determinado
conociéramos las posiciones y velocidades de todas las partículas en el
Universo, podríamos calcular su comportamiento en cualquier otro momento del
pasado o del futuro. Hay una historia probablemente apócrifa según la cual
Napoleón le preguntó a Laplace sobre el lugar de Dios en este sistema, a lo que
él replicó "Caballero, yo no he necesitado esa hipótesis". No creo
que Laplace estuviera reclamando que Dios no existe. Es simplemente que El no
interviene para romper las leyes de la Ciencia. Esa debe ser la postura de todo
científico. Una ley científica no lo es si solo se cumple cuando algún ser
sobrenatural lo permite y no interviene.
La idea de que el estado del universo en un instante dado determina el
estado en cualquier otro momento ha sido uno de los dogmas centrales de la
ciencia desde los tiempos de Laplace. Eso implica que podemos predecir el
futuro, al menos en principio. Sin embargo, en la práctica nuestra capacidad
para predecir el futuro está severamente limitada por la complejidad de las
ecuaciones, y por el hecho de que a menudo exhiben una propiedad denominada
caos. Como sabrán bien todos los que han visto Parque Jurásico, esto significa
que una pequeña perturbación en un lugar puede producir un gran cambio en otro.
Una mariposa que bate sus alas puede hacer que llueva en Central Park, Nueva
York. El problema es que eso no se puede repetir. La siguiente vez que una
mariposa bata sus alas, una multitud de otras cosas serán diferentes, lo que
también tendrá influencia sobre la meteorología. Por eso las predicciones
meteorológicas son tan poco fiables.
A pesar de estas dificultades prácticas, el determinismo científico
permaneció como dogma durante el siglo 19. Sin embargo, en el siglo 20 ha
habido dos desarrollos que muestran que la visión de Laplace sobre una
predicción completa del futuro no puede ser llevada a cabo. El primero de esos
desarrollos es lo que se denomina mecánica cuántica. Fue propuesta por primera
vez en 1900, por el físico alemán Max Planck, como hipótesis ad hoc para
resolver una paradoja destacada. De acuerdo con las ideas clásicas del siglo
19, que se remontan a los tiempos de Laplace, un cuerpo caliente, como una
pieza de metal al rojo, debería emitir radiación. Perdería energía en forma de
ondas de radio, infrarrojos, luz visible, ultravioleta, rayos x, y rayos gamma,
todos a la misma tasa. Esto no sólo significaría que todos moriríamos de cáncer
de piel, sino que además todo en el universo estaría a la misma temperatura, lo
que claramente no es así. Sin embargo, Planck mostró que se puede evitar este
desastre si se abandonara la idea de que la cantidad de radiación puede tener
cualquier valor, y se dijera en su lugar que la radiación llega únicamente en
paquetes o cuantos de un cierto tamaño. Es un poco como decir que en el
supermercado no se puede comprar azúcar a granel, sino sólo en bolsas de un
kilo. La energía en los paquetes o cuantos es mayor para los rayos x y
ultravioleta, que para la luz infrarroja o visible. Esto significa que a menos
que un cuerpo esté muy caliente, como el Sol, no tendrá suficiente energía para
producir ni siquiera un único cuanto de rayos x o ultravioleta. Por eso no nos
quemamos por insolación con una taza de café.
Para Planck los cuantos no eran más que un truco matemático que no tenía
una realidad física, lo que quiera que eso signifique. Sin embargo, los físicos
empezaron a encontrar otro comportamiento, que sólo podía ser explicado en
términos de cantidades con valores discretos o cuantizados, más que variables
continuas. Por ejemplo, se encontró que las partículas elementales se
comportaban más bien como pequeñas peonzas girando sobre un eje. Pero la
cantidad de giro no podía tener cualquier valor. Tenía que ser algún múltiplo
de una unidad básica. Debido a que esa unidad es muy pequeña, uno no se da
cuenta de que una peonza normal decelera mediante una rápida secuencia de
pequeños pasos, más que mediante un proceso continuo. Pero para peonzas tan
pequeñas como los átomos, la naturaleza discreta del giro es muy importante.
Pasó algún tiempo antes de que la gente se diera cuenta de las
implicaciones que tenía este comportamiento cuántico para el determinismo. No
sería hasta 1926, cuando Werner Heisenberg, otro físico alemán, indicó que no
podrías medir exactamente la posición y la velocidad de una partícula a la vez.
Para ver dónde está una partícula hay que iluminarla. Pero de acuerdo con el
trabajo de Planck, uno no puede usar una cantidad de luz arbitrariamente
pequeña. Uno tiene que usar al menos un cuanto. Esto perturbará la partícula, y
cambiará su velocidad de una forma que no puede ser predicha. Para medir la
posición de la partícula con exactitud, deberás usar luz de una longitud de
onda muy corta, como la ultravioleta, rayos x o rayos gamma. Pero nuevamente,
por el trabajo de Planck, los cuantos de esas formas de luz tienen energías más
altas que las de la luz visible. Por eso perturbarán aún más la velocidad de la
partícula. Es un callejón sin salida: cuanto más exactamente quieres medir la
posición de la partícula, con menos exactitud puedes conocer la velocidad, y
viceversa. Esto queda resumido en el Principio de Incertidumbre formulado por
Heisenberg; la incertidumbre en la posición de una partícula, multiplicada por
la incertidumbre en su velocidad, es siempre mayor que una cantidad llamada la
constante de Planck, dividida por la masa de la partícula.
La visión de Laplace del determinismo científico implicaba conocer las
posiciones y velocidades de las partículas en el universo en un instante dado
del tiempo. Por lo tanto, fue seriamente socavado por el Principio de
Incertidumbre de Heisenberg. ¿Cómo puede uno predecir el futuro, cuando uno no
puede medir exactamente las posiciones ni las velocidades de las partículas en
el instante actual? No importa lo potente que sea el ordenador de que
dispongas, si lo alimentas con datos deplorables, obtendrás predicciones
deplorables.
Einstein estaba muy descontento por esta aparente aleatoriedad en la
naturaleza. Su opinión se resumía en su famosa frase 'Dios no juega a los
dados'. Parecía que había presentido que la incertidumbre era sólo provisional,
y que existía una realidad subyacente en la que las partículas tendrían
posiciones y velocidades bien definidas y se comportarían de acuerdo con leyes
deterministas, en consonancia con Laplace. Esta realidad podría ser conocida
por Dios, pero la naturaleza cuántica de la luz nos impediría verla, excepto
tenuemente a través de un cristal.
La visión de Einstein era lo que ahora se llamaría una teoría de variable
oculta. Las teorías de variable oculta podrían parecer ser la forma más obvia
de incorporar el Principio de Incertidumbre en la física. Forman la base de la
imagen mental del universo, sostenida por muchos científicos, y prácticamente
por todos los filósofos de la ciencia. Pero esas teorías de variable oculta
están equivocadas. El físico británico John Bell, que murió recientemente, ideó
una comprobación experimental que distinguiría teorías de variable oculta.
Cuando el experimento se llevaba a cabo cuidadosamente, los resultados eran
inconsistentes con las variables ocultas. Por lo tanto parece que incluso Dios
está limitado por el Principio de Incertidumbre y no puede conocer la posición
y la velocidad de una partícula al mismo tiempo. O sea que Dios juega a los
dados con el universo. Toda la evidencia lo señala como un jugador empedernido,
que tira los dados siempre que tiene ocasión.
Otros científicos estaban mucho más dispuestos que Einstein a modificar la
visión clásica del determinismo del siglo 19. Una nueva teoría, denominada la
mecánica cuántica, fue propuesta por Heisenberg, el austríaco Erwin
Schroedinger, y el físico británico Paul Dirac. Dirac fue mi penúltimo
predecesor en la cátedra Lucasiana de Cambridge. Aunque la mecánica cuántica ha
estado entre nosotros durante cerca de 70 años, todavía no es generalmente
entendida o apreciada, incluso por aquellos que la usan para hacer cálculos.
Sin embargo, debería preocuparnos a todos, puesto que es una imagen
completamente diferente del universo físico y de la misma realidad. En la
mecánica cuántica, las partículas no tienen posiciones ni velocidades bien
definidas. En su lugar, son representadas por lo que se llama una función de
onda. Esta es un número en cada punto del espacio. El tamaño de la función de
onda indica la probabilidad de que la partícula sea encontrada en esa posición.
La tasa con la que la función de onda cambia de punto a punto, proporciona la
velocidad de la partícula. Uno puede tener una función de onda con un gran pico
en una región muy pequeña. Esto significará que la incertidumbre en la posición
es muy pequeña. Pero la función de onda variará muy rápidamente cerca del pico,
hacia arriba en un lado, hacia abajo en el otro. Por lo tanto la incertidumbre
en la velocidad será grande. De la misma manera, uno puede tener funciones de
onda en las que la incertidumbre en la velocidad es pequeña, pero la
incertidumbre en la posición es grande.
La función de onda contiene todo lo que uno puede saber de la partícula,
tanto su posición como su velocidad. Si sabes la función de onda en un momento
dado, entonces sus valores en otros momentos son determinados por lo que se
llama la ecuación de Schroedinger. Por lo tanto uno tiene aún un cierto
determinismo, pero no del tipo que Laplace imaginaba. En lugar de ser capaces
de predecir las posiciones y las velocidades de las partículas, todo lo que
podemos predecir es la función de onda. Esto significa que podemos predecir
sólo la mitad de lo que podríamos de acuerdo con la visión clásica del siglo
19.
Aunque la mecánica cuántica lleva a la incertidumbre cuando tratamos de
predecir la posición y la velocidad a un mismo tiempo, todavía nos permite
predecir con certidumbre una combinación de posición y velocidad. Sin embargo,
incluso este grado de certidumbre parece estar amenazado por desarrollos más
recientes. El problema surge porque la gravedad puede torcer el espacio-tiempo
tanto que puede haber regiones que no observamos.
Curiosamente, el mismo Laplace escribió un artículo en 1799 sobre cómo
algunas estrellas pueden tener un campo gravitatorio tan fuerte que la luz no
podría escapar, siendo por tanto arrastrada de vuelta a la estrella. Incluso
calculó que una estrella de la misma densidad que el Sol, pero doscientas
cincuenta veces más pequeña, tendría esta propiedad. Pero aunque Laplace podría
no haberse dado cuenta, la misma idea había sido propuesta 16 años antes por un
hombre de Cambridge, John Mitchell, en un artículo en Phylosophical
Transactions of the Royal Society. Tanto Mitchel como Laplace concebían a la
luz como formada por partículas, más bien como bolas de cañón, que podían ser
deceleradas por la gravedad, y hechas caer de vuelta a la estrella. Pero un
famoso experimento llevado a cabo por dos americanos, Michelson y Morley, en
1887, mostraron que la luz siempre viajaba a una velocidad de ciento ochenta y
seis mil millas por segundo, no importa de dónde viniera. Cómo podía entonces
la gravedad decelerarla, y hacerla caer de nuevo.
De acuerdo con las ideas sobre el espacio y el tiempo vigentes en aquel
momento esto era imposible. Sin embargo, en 1915 Einstein presentó al mundo su
revolucionaria Teoría General de la Relatividad en la cual espacio y tiempo
dejaban de ser entidades separadas e independientes. Por el contrario, eran
meramente diferentes direcciones de una única noción llamada espacio-tiempo.
Esta noción espacio-tiempo no era uniforme sino deformada y curvada debido a su
energía inherente. Para que se entienda mejor, imagínese que colocamos un peso
(que hará las veces de estrella) sobre una lámina de goma. El peso (estrella)
formará una depresión en la goma curvándose la zona alrededor del mismo en
contraposición a la planicie anterior. Si hacemos rodar canicas sobre la lámina
de goma, sus rastros serán espirales más que líneas rectas. En 1919, una
expedición británica en el Oeste de África observaba la luz de estrellas
lejanas que cruzaba cerca del sol durante un eclipse. Descubrieron que las
imágenes de las estrellas variaban ligeramente de sus posiciones habituales;
esto revelaba que las trayectorias de la luz de las estrellas habían sido
curvadas por el influjo del espacio-tiempo que rodea al sol. La Relatividad
General había sido confirmada.
Imagínese ahora que colocamos pesos sobre la lámina de goma cada vez más
cuantiosos y de manera más intensiva. Hundirán la plancha cada vez más. Con el
tiempo, alcanzado el peso y la masa crítica se hará un agujero en la lámina por
el que podrán caer las partículas pero del que no podrá salir nada.
Según la Teoría General de la Relatividad lo que sucede con el
espacio-tiempo es bastante similar. Cuanto más ingente y más densa sea una
estrella, tanto más se curvará y distorsionará el espacio-tiempo alrededor de
la misma. Si una estrella inmensa que ha consumido ya su energía nuclear se
enfría encogiéndose por debajo de su masa crítica, formará literalmente un
agujero sin fondo en el espacio-tiempo por el que no puede pasar la luz. El
físico americano John Wheeler llamó a estos objetos “agujeros negros” siendo el
primero en destacar su importancia y los enigmas que encierran. El término se
hizo popular rápidamente. Para los americanos sugería algo oscuro y misterioso
mientras que para los británicos existía además la amplia difusión del Agujero
Negro de Calcuta. Sin embargo los franceses, muy franceses ellos, percibieron
algo indecente en el vocablo. Durante años se resistieron a utilizar el
término, demasiado negro, arguyendo que era obsceno; pero era parecido a
intentar luchar contra préstamos lingüísticos como “le weekend” y otras
mezcolanzas del “franglés”. Al final tuvieron que claudicar. ¿Quién puede
resistirse a una expresión así de conquistadora?
Ahora tenemos evidencias de la existencia de agujeros negros en diferentes
tipos de entidades, desde sistemas de estrellas binarios al centro de las
galaxias. Por lo tanto, la existencia de agujeros negros está ampliamente
aceptada hoy en día. Con todo y al margen de su potencial para la ciencia
ficción, ¿cuál sería su relevancia para el determinismo? La respuesta reside en
una pegatina de parachoques que tenía en la puerta de mi despacho: “los
agujeros negros son invisibles”. No sólo ocurre que las partículas y los
astronautas desafortunados que caen en un agujero negro no vuelven nunca, sino
que la información que estos portan se pierde para siempre, al menos en nuestra
demarcación del universo. Puede lanzar al agujero negro aparatos de televisión,
sortijas de diamantes e incluso a sus peores enemigos y todo lo que recordará
el agujero negro será su masa total y su estado de rotación. John Wheeler llamó
a esto “un agujero negro no tiene pelo”. Esto confirma las sospechas de los
franceses.
Mientras hubo el convencimiento de que los agujeros negros existirían
siempre, esta pérdida de información pareció no importar demasiado. Se podía
pensar que la información seguía existiendo dentro de los agujeros negros.
Simplemente es que no podemos saber lo que hay desde fuera de ellos pero la
situación cambió cuando descubrí que los agujeros negros no son del todo
negros. La Mecánica Cuántica hace que estos emitan partículas y radiaciones a
un ritmo constante. Estos hallazgos me asombraron no sólo a mí si no al resto
del mundo pero con la perspectiva del tiempo esto habría resultado obvio. Lo
que se entiende comúnmente como “el vacío” no está realmente vacío ya que está
formado por pares de partículas y antipartículas. Estas permanecen juntas en
cierto momento del espacio-tiempo, en otro se separan para después volver a
unirse y finalmente aniquilarse la una a las otra. Estas partículas y
antipartículas existen porque un campo, tal como los campos que transportan la
luz y la gravedad no puede valer exactamente cero. Esto denotaría que el valor
del campo tendría tanto una posición exacta (en cero) como una velocidad o
ritmo de cambio exacto (también cero). Esto violaría el Principio de
Incertidumbre porque una partícula no puede tener al tiempo una posición y una
velocidad constantes. Por lo tanto, todos los campos deben tener lo que se
denomina fluctuaciones del vacío. Debido al comportamiento cuántico de la
naturaleza se puede interpretar estas fluctuaciones del vacío como partículas y
antipartículas como he descrito anteriormente.
Estos pares de partículas se dan en conjunción con todas las variedades de
partículas elementarias. Se denominan partículas virtuales porque se producen
incluso en el vacío y no pueden ser mostradas directamente por los detectores
de partículas. Sin embargo, los efectos indirectos de las partículas virtuales
o fluctuaciones del vacío han sido estudiados en diferentes experimentos,
siendo confirmada su existencia.
Si hay un agujero negro cerca, uno de los componentes de un par de
partículas y antipartículas podría deslizarse en dicho agujero dejando al otro
componente sin compañero. La partícula abandonada puede caerse también en el
agujero o bien desplazarse a larga distancia del mismo donde se convertirá en
una verdadera partícula que podrá ser apreciada por un detector de partículas.
A alguien muy alejado del agujero negro le parecerá que la partícula ha sido
emitida por el mismo agujero.
Esta explicación de cómo los agujeros negros no son tan negros clarifica
que la emisión dependerá de la magnitud del agujero negro y del ritmo al que
esté rotando. Sin embargo, como un agujero negro no tiene pelo, citando a
Wheeler, la radiación será por otra parte independiente de lo que se deslizó
por el agujero. No importa lo que arroje a un agujero negro: aparatos de
televisión, sortijas de diamantes o a sus peores enemigos. Lo que de allí sale
es siempre lo mismo.
Pero ¿qué tiene esto que ver con el determinismo que es sobre lo que se
supone que versa esta conferencia? Lo que esto demuestra es que hay muchos
estados iniciales (incluyendo aparatos de televisión, sortijas de diamantes e
incluso gente) que evolucionan hacia el mismo estado final, al menos fuera del
agujero negro. Sin embargo, en la visión de Laplace sobre el determinismo había
una correspondencia exacta entre los estados iniciales y los finales. Si usted
supiera el estado del universo en algún momento del pasado podría predecirlo en
el futuro. De manera similar, si lo supiera en el futuro, podría deducir lo que
habría sido en el pasado. Con el advenimiento de la Teoría del Cuanto en los
años 20 del siglo pasado se redujo a la mitad lo que uno podía predecir pero
aún dejó una correspondencia directa entre los estados del universo en
diferentes momentos. Si uno supiera la función de onda en un momento dado,
podría calcularla en cualquier otro.
Sin embargo, la situación es bastante diferente con los agujeros negros.
Uno se encontrará con el mismo estado fuera del agujero, independientemente de
lo que haya lanzado dentro, a condición de que tenga la misma masa. Por lo
tanto, no hay una correspondencia exacta entre el estado inicial y el estado
final ya fuera del agujero negro. Habrá una correspondencia exacta entre el
estado inicial y el final ambos fuera o ambos dentro del agujero negro. Sin
embargo, lo importante es que la emisión de partículas y la radiación alrededor
del agujero provocan una reducción en la masa del mismo y se empequeñece.
Finalmente, parece que el agujero negro llega a la masa cero y desaparece del
todo. Pero, ¿qué ocurre con todos los objetos que fueron lanzados al agujero y
con toda la gente que o bien saltó o fue empujada? No pueden volver a salir
porque no existe la suficiente masa o energía sobrante en el agujero negro para
enviarlos fuera de nuevo. Puede que pasen a otro universo pero eso nos da lo
mismo a los que somos lo suficientemente prudentes como para no saltar dentro
de un agujero negro. Incluso la información de lo que cayó dentro del agujero
no podría salir de nuevo cuando el agujero desaparezca por último. La
información no se distribuye gratuitamente como bien sabrán aquellos de ustedes
que paguen facturas telefónicas. La información necesita energía para
transportarse, y no habrá suficiente energía de sobra cuando el agujero negro
desaparezca.
Lo que todo esto significa es que la información se perderá de nuestra
demarcación del universo cuando se formen los agujeros negros para después
desvanecerse. Esta pérdida de información implica que podemos predecir incluso
menos de lo pensamos, partiendo de la base de la teoría cuántica. En esta
teoría puede no ser factible predecir con certidumbre la posición y la
velocidad de una partícula al mismo tiempo. Hay sin embargo una combinación de
posición y velocidad que sí puede ser predicha. En el caso de un agujero negro,
esta predicción específica concierne a los dos miembros de un par de
partículas-antipartículas pero únicamente podemos detectar la partícula
expulsada. No hay modo alguno, incluso en un principio, de poner de manifiesto
la partícula que se precipita al agujero. Por lo tanto, por lo que sabemos,
podría estar en cualquier estado. Esto significa que no podemos hacer ninguna
predicción concreta acerca de la partícula que expulsa el agujero. Podemos
calcular la probabilidad de que la partícula tenga esta o aquella posición o
velocidad pero no podemos predecir con precisión una combinación de la posición
y velocidad de sólo una partícula porque su velocidad y posición van a depender
de la otra partícula, la cual no está bajo nuestra observación. Así que
Einstein estaba sin lugar a dudas equivocado cuando dijo, “Dios no juega a los
dados”. No sólo Dios juega definitivamente a los dados sino que además a veces
los lanza a donde no podemos verlos.
Muchos científicos son como Einstein en el sentido de que tienen un lazo
emocional muy fuerte con el determinismo pero al contrario que Einstein han
aceptado la reducción en nuestra capacidad para predecir que nos había traído
consigo la teoría cuántica. Pero ya era mucho. A estos no les gustó la
consiguiente reducción que los agujeros negros parecían implicar. Pensar que el
universo es determinista, como creía Laplace, es simplemente inocente.
Presiento que estos científicos no se han aprendido la lección de la historia.
El universo no se comporta de acuerdo a nuestras preconcebidas ideas. Continúa
sorprendiéndonos.
Podría pensarse que no importa demasiado si el determinismo hizo aguas
cerca de los agujeros negros. Estamos casi seguros de estar al menos a unos
pocos años luz de agujero negro de cualquier tamaño pero según el Principio de
Incertidumbre, cada región del espacio debería estar llena de diminutos
agujeros negros virtuales que aparecerían y desaparecerían una y otra vez. Uno
pensaría que las partículas y la información podrían precipitarse en estos
agujeros negros y perderse. Sin embargo, como estos agujeros negros virtuales
son tan pequeños (cien billones de billones más pequeños que el núcleo de un
átomo) el ritmo al cual se perdería la información sería muy bajo. Esto es por
lo que las leyes de la ciencia parecen deterministas, observándolas con
detenimiento. Sin embargo, en condiciones extremas, tales como las del universo
temprano o las de la colisión de partículas de alta energía, podría haber una
significativa pérdida de información. Esto conduce a la imprevisibilidad en la
evolución del universo.
En resumen, de lo que he estado hablando es de si el universo evoluciona de
manera arbitraria o de si es determinista. La visión clásica propuesta por
Laplace estaba fundada en la idea de que el movimiento futuro de las partículas
estaba determinado por completo, si su sabían sus posiciones y velocidades en
un momento dado. Esta hipótesis tuvo que ser modificada cuando Heisenberg
presentó su Principio de Incertidumbre el cual postulaba que no se podía saber
al mismo tiempo y con precisión la posición y la velocidad. Sin embargo, sí que
era posible predecir una combinación de posición y velocidad pero incluso esta
limitada certidumbre desapareció cuando se tuvieron en cuenta los efectos de
los agujeros negros: la pérdida de partículas e información dentro de los
agujeros negros dio a entender que las partículas que salían eran fortuitas.
Se pueden calcular las probabilidades pero no hacer ninguna predicción en
firme. Así, el futuro del universo no está del todo determinado por las leyes
de la ciencia, ni su presente, en contra de lo que creía Laplace. Dios todavía
se guarda algunos ases en su manga.
Es todo lo que tengo que decir por el momento. Gracias por escucharme.
Stephen Hawking
Conferencia dada el 27 de Abril
de 1998 en la Universidad de Toronto.
El 29 de abril de 1980, di mi
conferencia inaugural como profesor de matemáticas de la cátedra Lucasiana en
Cambridge. El título era: “¿Está a la vista el fin de la Física Teórica? y en
ella describí el progreso que ya habíamos experimentado en el entendimiento del
universo durante los últimos siglos, al mismo tiempo que me preguntaba cuales
eran las posibilidades de encontrar finalmente una teoría completa y unificada
del todo hacia finales de siglo. Bien, el final del siglo ya está casi aquí.
Aunque hemos recorrido un largo camino, particularmente durante los últimos 3
años, no parece que vayamos a conseguirlo.
En mi lectura de 1980 describí
como habíamos dividido el problema de encontrar una teoría del todo en un
número de partes más manejables. Primeramente habíamos dividido la descripción
del universo que nos rodea en dos partes. La primera de ellas es un conjunto de
leyes locales que nos dicen como evoluciona cada región del universo en el
tiempo si sabemos su estado inicial, y cómo es afectada por otras regiones. La
otra parte consta de un conjunto de lo que denominamos condiciones límite.
Estas, especifican lo que sucede en el borde del espacio y el tiempo. Ellas
determinan cómo empezó el universo, y quizás, cómo va a terminar. Mucha gente,
incluyendo probablemente a la mayoría de los físicos, sienten que las tareas de
la física teórica deberían estar confinadas a la primera parte, es decir a
formular leyes locales que describan cómo evoluciona el universo a medida que
el tiempo transcurre. Ellos considerarían la cuestión del cómo se determinó el
estado inicial como algo que va más allá del ámbito de la física, perteneciendo
al reino de la metafísica o la religión. Pero yo soy un desvergonzado
racionalista. En mi opinión las condiciones límite que determinan el estado
inicial del universo son una materia tan legítima y sujeta al escrutinio de los
científicos como lo son las leyes que gobiernan su evolución posterior.
A principios de la década de los
60, las fuerzas que los físicos conocían se clasificaron en cuatro categorías
que parecerían estar separadas e independizadas entre si. La primera de las
cuatro categorías era la de la fuerza gravitatoria, la cual es portada por una
partícula llamada gravitón.
La gravedad es, con mucho, la más
débil de las cuatro fuerzas. Sin embargo, corrige su baja potencia mediante la
posesión de dos importantes propiedades. La primera es que es universal, es
decir, afecta a cada partícula del universo en la misma forma. Todos los
cuerpos se atraen entre si. Ninguno deja de sentirse afectado o repelido por la
gravedad. La segunda propiedad importante de la fuerza gravitatoria es que
puede operar a través de largas distancias. Juntas, estas dos propiedades
significan que las fuerzas gravitatorias entre las partículas de un cuerpo
grande se suman entre si, y pueden dominar por encima de las otras fuerzas.
La segunda de las cuatro
categorías en las que se dividen las fuerzas corresponde a la fuerza
electromagnética, la cual es portada por una partícula llamada fotón. El
electromagnetismo, es un millón de billones de billones de billones de billones
más poderoso que la fuerza gravitatoria, y al igual que la gravedad, puede
actuar a través de grandes distancias. Sin embargo, al contrario que la
gravedad, no actúa en todas las partículas de la misma forma. Algunas
partículas son atraídas por ella, otras no son afectadas y otras son repelidas.
La atracción y repulsión entre
las partículas en dos cuerpos grandes anulará cada una casi exactamente, al
contrario que las fuerzas gravitatorias entre las partículas, que sería
atractiva con todas. Esto explica que nos caigamos hacia el suelo, y no hacia
el aparato de televisión. Por otro lado, en la escala de las moléculas y los
átomos, con solo un relativamente pequeño número de partículas, las fuerzas
electromagnéticas dominan completamente a las gravitatorias. En la escala aún
más pequeña de los núcleos atómicos, es decir la trillonésima parte de un
centímetro, la tercera y cuarta categorías: las fuerzas nucleares débil y
fuerte, dominan al resto de fuerzas.
La gravedad y el
electromagnetismo se describen en función de lo que llamamos teorías de campos,
en las que hay un conjunto de números en cada punto del espacio y tiempo que
determinan las fuerzas gravitatoria y electromagnética. Cuando yo empecé a
investigar en 1962, se creía generalmente que las fuerzas nuclear débil y
fuerte no podían ser descritas por una teoría de campo. Pero los informes de la
muerte de la teoría de campos demostraron ser una exageración. Un nuevo tipo de
teoría de campos fue presentada por Chen Ning Yang y Robert Mills. En 1967,
Abdus Salam y Steven Weinberg demostraron que una teoría de este tipo no solo
describiría las fuerzas nucleares débil y fuerte sino que también podría
unificarlas con la fuerza electromagnética. Recuerdo que la mayoría de los
físicos trataron con desprecio a esta teoría de campo. Sin embargo, concordaba
tan bien con los experimentos que en 1979 se le otorgó el Premio Nóbel a Salam,
Weinberg y Glashow, que habían propuesto teorías unificadas similares. El comité
del Nóbel realmente se arriesgó con su decisión ya que la confirmación final de
la teoría no llegaría hasta 1983, con el descubrimiento de las partículas W y
Z. (Siento la pronunciación de W y Z, sobre todo para aquellos que son
británicos y no usan un sintetizador de voz americano).
El éxito provocó la búsqueda de
una sola teoría de “gran unificación” de Yang-Mills que describiese a los tres
tipos de fuerza. Las teorías de gran unificación no son muy satisfactorias. En
realidad, su nombre es básicamente una exageración. No son realmente grandes ya
que contienen al menos 40 números que no pueden predecirse con antelación sino
que tienen que ajustarse para que casen con los experimentos. Se podría esperar
que la teoría final del universo sea única y que no contenga cantidades ajustables.
¿Cómo va a ser que estos valores sean elegidos?
Pero la objeción más poderosa a
las grandes teorías de unificación era que no estaban unificadas completamente.
No incluían a la gravedad y no existía ninguna forma aparente de ampliarlas de
modo que lo hicieran. Pudiera ser que no existiera una única teoría
fundamental. En lugar de eso, podría haber una colección de teorías
aparentemente diferentes, cada una de las cuales funcionaría bien en ciertas
situaciones. Las teorías diferentes concordarían entre si en aquellas regiones
de validez en la que se superpusieran. Por ello, podrían ser contempladas como
aspectos diferentes de la misma teoría. Pero tal vez no existiese una única
formulación de la teoría que pudiese aplicarse en todas las situaciones.
Podemos comparar la física
teórica al hecho de cartografiar la Tierra. Se puede representar exactamente
una pequeña región de la superficie de la tierra, en forma de mapa, en una hoja
de papel. Pero si se intenta hacer un mapa de una región más grande se
obtendrían distorsiones debido a la curvatura de la Tierra. No es posible
representar cada punto de la superficie de la Tierra en un único mapa. En lugar
de ello, usamos una colección de mapas que concuerdan en aquellas regiones
donde se superponen.
Como dije, incluso si encontramos
una teoría unificada completa, tanto con una única formulación, como con una
serie de teorías superpuestas, solo habremos solucionado la mitad del problema.
La teoría unificada nos dirá como evoluciona el universo en el tiempo dado un
estado inicial. Pero la teoría no especificará en si misma las condiciones
límites en el borde del espacio y el tiempo que determinan el estado inicial.
Esta cuestión es fundamental para la cosmología. Podemos observar el estado
presente del universo, y podemos usar las leyes de la física para calcular cómo
pudo ser en épocas anteriores. Pero todo lo que esto nos dice es que el
universo es ahora como es, porque entonces era como era. No podemos entender
por qué el universo tiene el aspecto que tiene a no ser que la cosmología se
convierta en una ciencia, en el sentido de que pueda hacer predicciones. Y para
hacer esto necesitamos una teoría de las condiciones límite del universo.
Ha habido varias sugerencias para
las condiciones iniciales del universo, tales como la hipótesis del túnel y el
así llamado escenario pre-big bang. Pero en mi opinión, la más elegante, con
mucho, es la que Jim Hartle y yo llamamos la propuesta de no-límites. Esta
puede enunciarse como: la condición de límite del universo es que no tiene
límite. En otras palabras, el espacio y el tiempo imaginario unidos se curvan
hacia atrás sobre si mismos de modo que forman una superficie cerrada como la
superficie de la Tierra, pero con más dimensiones. La superficie de la Tierra
tampoco tiene límites. No existen informes fiables de que alguien haya caído en
el abismo del fin del mundo.
La condición de no-límite y las
otras teorías son simplemente proposiciones para las condiciones de límite del
universo. Para probarlas tenemos que calcular que predicciones pueden extraerse
de ellas y compararlas con las nuevas observaciones que están empezando a
hacerse. De momento, las observaciones no son lo bastante buenas como para
distinguir entre estas diferentes clases de mapa. Pero en los próximos años, se
acometerán nuevas observaciones que podrán salvar esta cuestión. La cosmología
vive un período excitante. Apuesto mi dinero por la condición de no-límite. Se
trata de una explicación tan elegante que estoy seguro que Dios la habría
elegido.
El progreso efectuado con los
intentos de unificar la gravedad con el resto de fuerzas ha sido enteramente
teórico. Esto ha llevado a alguna gente como al físico John Horgan a afirmar
que la física esta muerta porque se ha convertido simplemente en un juego
matemático, no relacionado con la experimentación. Pero yo no estoy de acuerdo.
Aunque no podamos producir partículas de la energía de Planck – la energía a la
cual la gravedad se unificaría con las otras fuerzas – existen predicciones que
pueden ser verificadas a niveles más bajos de energía. El Super Colisionador
Superconductor que estaba siendo construido en Texas podría haber alcanzado
esas energías pero fue cancelado cuando los Estados Unidos iniciaron una fase
de recesión económica. De modo que tendremos que esperar a que se concluya el
Gran Colisionador de Hadrones que está siendo construido en Ginebra.
Asumiendo que los experimentos de
Ginebra confirmen la teoría actual, ¿cuáles son las perspectivas de completar
una teoría unificada? En 1980 dije que pensaba que había una oportunidad del
50% de encontrar una teoría completa de unificación durante los siguientes 20
años. Esa es aún mi estimación, pero los próximos 20 años empiezan ahora.
Volveré dentro de otros 20 años para decirles si lo hemos conseguido.
Stephen
Hawking
Conferencia
pronunciada en la Universidad de Cambridge, en enero de 1991.
El
tema de esta conferencia es el futuro del universo o más bien lo que los
científicos creen que será ese futuro. Predecir es, desde luego, muy difícil.
Una vez pensé que debería escribir un libro titulado El mañana de ayer: una
historia del futuro. Habría sido una historia de predicciones fallidas, casi
todas en medida considerable. Pese a todos los fracasos, algunos científicos
creen todavía que pueden predecir el futuro.
En
otras épocas la predicción era tarea de oráculos y sibilas. Estas solían ser
mujeres que entraban en trance por obra de alguna droga o tras inhalar
fumarolas volcánicas. Los sacerdotes que las rodeaban se encargaban entonces de
interpretar sus desvaríos y en esa interpretación radicaba la auténtica
destreza. En la Grecia antigua, el famoso oráculo de Delfos sobresalió por sus
respuestas crípticas o ambiguas. Cuando los espartanos Ie preguntaron que
sucedería si los persas atacaban Grecia, el oráculo replicó: O Esparta será
destruida o morirá su rey. Supongo que los sacerdotes pensaron que, de no
suceder ninguna de estas eventualidades, los espartanos se sentirían tan
agradecidos a Apolo que pasarían por alto el error de su oráculo. De hecho, su
rey cayó defendiendo el desfiladero de las Termópilas en una acción que salvó a
Esparta y determinó en definitiva la derrota de los persas.
En
otra ocasión, el hombre más rico del mundo, Creso, rey de Lidia, inquirió que
sucedería si invadía Persia. La respuesta fue: Se desplomará un gran reino.
Creso juzgo que se refería al imperio persa, pero fue su propio reino el que
cayó y el mismo estuvo a punto de ser quemado vivo en una pira.
Recientes
profetas catastrofistas han ido mas lejos fijando fechas concretas para el fin
del mundo. Tales profecías fueron causa de que bajasen las bolsas de valores,
aunque me sorprende la razón de que el fin del mundo impulse a alguien a
cambiar sus acciones por metálico. Presumiblemente no es posible llevarse ni
unas ni otro al abandonar esta existencia.
Hasta
ahora, todas las fechas fijadas para el fin del mundo han quedado atrás sin
incidentes, aunque con frecuencia los profetas dispusieron de una explicación
para sus aparentes fallos. Por ejemplo, William Miller, fundador de los
Adventistas del Séptimo Día, predijo que el segundo advenimiento sobrevendría
entre el 21 de marzo de 1843 y el 21 de marzo de 1844. Cuando ese periodo
transcurrió sin novedad, fijo una nueva fecha para el 22 de octubre de 1844.
Como tampoco entonces ocurrió nada, formuló una nueva interpretación. Según
ésta, 1844 marcaba el comienzo del segundo advenimiento, pero antes habría que
contar los nombres en el Libro de la Vida. Solo entonces llegaría el día del
juicio para los que no figuraban en el Libro. Por fortuna, la tarea parece
llevar un largo tiempo.
Claro
esta que es posible que las predicciones científicas no sean más fiables, que
las de los oráculos o profetas. Basta con pensar en los pronósticos
meteorológicos. Pero hay ciertas situaciones en las que nos creemos capaces de
formular predicciones fiables y el futuro del universo, en una escala muy
amplia, es una de estas.
Durante
los trescientos últimos años descubrimos las leyes científicas que gobiernan la
materia en todas las situaciones normales. Aun desconocemos las leyes precisas
que gobiernan la materia bajo condiciones muy extremas. Esas leyes resultan
importantes para comprender como empezó el universo, pero no afectan su
evolución futura, a menos que el universo retome a un estado de altísima
densidad. El hecho de que tengamos que gastar grandes sumas de dinero en
construir gigantescos aceleradores de partículas para comprobar esas leyes de
alta energía, constituye una prueba de cuan poco afectan al universo.
¿Aunque
podamos conocer las leyes relevantes que gobiernan el universo, quizá no seamos
capaces de emplearlas en la predicción de un futuro remoto. Y ello es así
porque las soluciones de las ecuaciones de la física pueden denotar una
propiedad conocida como caos, que significa la posibilidad de que las
ecuaciones sean inestables. Bastará un leve cambio durante un breve tiempo en
el modo en que un sistema existe para que su comportamiento pueda volverse
completamente diferente. Por ejemplo, si uno altera ligeramente la manera
de hacer girar una ruleta, será otro el número que salga. Es
prácticamente imposible predecir el número que aparecerá; de otra manera, los
físicos harían fortunas en los casinos.
Con
sistemas inestables y caóticos hay generalmente una escala de tiempo en la que
un pequeño cambio en un estado inicial crecerá hasta hacerse dos veces mayor.
En el caso de la atmósfera de la Tierra, la escala de tiempo es del orden de
cinco días, de un modo aproximado lo que tarda el viento en dar la vuelta al
planeta. Es posible hacer pronósticos meteorológicos razonablemente precisos
para cinco días, pero predecir el tiempo mas allá de ese periodo exigiría un
conocimiento muy exacto del estado presente de la atmósfera y un cálculo
imposible por su complejidad. Mas allá de indicar el promedio estacional, no
hay manera de predecir el tiempo con seis meses de antelación.
Conocemos
también las leyes básicas que gobiernan la química y la biología, así que, en
principio, tendríamos que ser capaces de determinar como funciona el cerebro,
pero, las ecuaciones que gobiernan el cerebro tienen una conducta caótica, en
cuanto que un cambio pequeñísimo en el estado inicial puede conducir a un
resultado muy diferente, de modo que no cabe en la práctica predecir la
conducta humana, aunque conozcamos las ecuaciones que la gobiernan. La ciencia
no es capaz de predecir en la sociedad humana, ni siquiera si esta tiene algún
futuro. El peligro estriba en que nuestro poder de cambiar o de destruir el
medio ambiente aumenta con una rapidez mucho mayor que la prudencia en el
empleo de ese poder.
Sea
lo que fuere lo que Ie suceda a la Tierra, el resto del universo seguirá
inafectado. Parece que el movimiento dc los planetas alrededor del Sol es en
definitiva caótico, aunque en una escala de tiempo muy amplia. Eso significa
que los errores de cualquier predicción se vuelven mayores a medida que
transcurre el tiempo. Tras un cierto periodo se hace imposible predecir
minuciosamente el movimiento. Podemos estar bastante seguros de que durante
largo tiempo la Tierra no chocará con Venus, pero no cabe descartar que la suma
de pequeñas perturbaciones en sus orbitas llegue a provocar tal choque dentro
de mil millones de años. Los movimientos del Sol y de otras estrellas alrededor
de la galaxia y el de ésta en el grupo galáctico local son también caóticos. Observamos
que las demás galaxias se alejan de nosotros que cuanto más lejos se encuentran
mas deprisa escapan. Eso significa que el universo esta expandiéndose en esta
región.
Las
distancias entre diferentes galaxias crecen con el tiempo. La prueba de que
esta expansión es uniforme y no caótica viene dada por un fondo de radiaciones
de microondas que percibimos procedentes del espacio exterior. Se puede
observar realmente esa radiación sintonizando el televisor en un canal vacío.
Un pequeño porcentaje de los copos que aparecen en la pantalla son debidos a
microondas que llegan desde fuera del sistema solar. Es la misma clase de
radiación que produce un homo de microondas, pero mucho mas débil.
Solo
calentaría un plato a 2,7 grados por encima del cero absoluto, así que no Ie
serviría para preparar la pizza que haya comprado en la tienda. Se cree que
esta radiación constituye el residuo de una etapa primitiva y caliente del
universo. Lo más notable es que el volumen de radiación parece ser casi el
mismo desde cualquier dirección. Esta radiación fue medida con gran precisión
por el satélite Cosmic Background Explorer. Un mapa estelar realizado según
estas observaciones mostraría diferentes temperaturas de radiación. Estas son
distintas en diversas direcciones, pero las variaciones resultan muy pequeñas,
tan solo de una cienmilésima. Tiene que haber algunas diferencias en las
microondas de distintas direcciones, porque el universo no es completamente
uniforme; hay irregularidades locales como estrellas, galaxias y cúmulos
galácticos. Mas las variaciones en el fondo de microondas son tan reducidas
como posiblemente podrían ser, y compatibles con las irregularidades locales
que observamos. En un 99.999/100.000, el fondo de microondas es igual en todas
las direcciones.
En
otros tiempos la gente creía que la Tierra ocupaba el centro del universo. No
se habrían sorprendido por ello de que el fondo sea igual en cada dirección.
Pero desde la época de Copérnico hemos quedado rebajados a la categoría de
pequeño planeta que gira alrededor de una estrella muy semejante al promedio,
en el borde exterior de una galaxia típica, una mas entre los cien mil millones
que podemos distinguir. Somos ahora tan modestos que no podemos reivindicar
ninguna posición especial en el universo. Hemos de suponer que el fondo es
también el mismo en cualquier dirección en torno de cualquier otra galaxia.
Esto solo será posible si la densidad media del universo y el ritmo de
expansión son iguales en todas partes. Una variación en la densidad media o en
el ritmo de expansión de una gran región determinaría diferencias en el fondo
de microondas de distintas direcciones. Tal hecho significa que a gran escala
el comportamiento del universo es simple y no caótico. Por tanto cabe hacer
predicciones para un futuro remoto.
Como
la expansión del universo es tan uniforme, es posible describirla en términos
de un solo número, la distancia entre dos galaxias. Esta crece ahora pero hay
que esperar que la atracción gravitatoria entre diferentes galaxias está
frenando el ritmo de la expansión. Si la densidad del universo es superior a un
cierto valor critico, la atracción gravitatoria llegará a detener la expansión
y obligará al universo a contraerse. Acabaría en un Big Crunch ("gran
colapso"). Resultaría bastante semejante al Big Bang con que comenzó. El
Big Crunch sería lo que llamamos una singularidad, un estado de densidad
infinita donde fallarían las leyes de la física, lo que significa que aunque
hubieran sucesos posteriores al gran colapso, no podría predecirse que sería de
ellos. Pero sin una conexión causal entre sucesos, no hay modo significativo de
expresar que uno tenga lugar tras otro. Muy bien podría afirmarse que nuestro
universo concluiría en el gran colapso y que cualesquiera acontecimientos
ocurridos "después" serían parte de un universo distinto. Es un poco
como la reencarnación. ¿Que significado es posible dar a la declaración de que
un nuevo bebe es alguien que murió, si el bebe no hereda características o
recuerdo alguno de su vida anterior? Puede muy bien decirse que se trata de un
ser diferente.
Si
el promedio de densidad del universo es inferior al valor critico, no se
contraerá sino que proseguirá expandiéndose indefinidamente. Al cabo de un
cierto tiempo la densidad será tan baja que la atracción gravitatoria carecerá
de efecto significativo para frenar la expansión. Las galaxias continuaran
separándose a una velocidad constante.
Así
que la pregunta crucial acerca del futuro del universo es esta: ¿Cuál es la
densidad media? Si resulta inferior al valor critico, el universo se expandirá
siempre, pero, si es superior, el universo se contraerá y con el tiempo
concluirá en un gran aplastamiento. Yo poseo ciertas ventajas sobre otros
profetas catastrofistas: Aunque el universo vaya a contraerse, puedo predecir
con seguridad que no interrumpirá su expansión al menos durante diez mil
millones de años. No espero estar aquí para comprobar que me equivoque.
Cabe
intentar una estimación de la densidad media del universo a partir de las
observaciones. Si contamos las estrellas que conseguimos ver y sumamos sus
masas, obtendremos menos de un uno por ciento de la densidad critica. Y aunque
añadamos las masas de las nubes de gas que apreciamos en el universo, el total
será de solo un uno por ciento del valor critico. Pero sabemos que el universo
tiene que contener también lo que se llama materia oscura, que no podemos
observar directamente. Una prueba de la existencia de esta materia oscura nos
llega de las galaxias en espiral. Se trata de enormes colecciones aplanadas de
estrellas y gas. Observamos que giran alrededor de su centro, pero la velocidad
de rotación es tal que se desperdigarían si solo contuvieran las estrellas y el
gas que distinguimos. Ha de haber Unas formas invisibles de materia cuya
atracción gravitatoria sea suficiente para retener las galaxias en su giro.
Otra
prueba de la existencia de materia oscura procede de los cúmulos galácticos.
Observamos que las galaxias no se hallan uniformemente distribuidas por el
espacio; se congregan en cúmulos que comprenden desde unas cuantas galaxias a
millones. Presumiblemente, estos cúmulos se forman por-que las galaxias se
atraen unas a otras formando grupos. Sin embargo, podemos medir la velocidad de
desplazamiento de cada una de las galaxias en estos cúmulos. Descubrimos que
son tan elevadas que los cúmulos se desintegrarían de no hallarse retenidos por
la atracción gravitatoria. La masa requerida es considerablemente superior a
las masas de todas las galaxias, y es así aun suponiendo que las galaxias
posean las masas exigidas para mantenerse unidas mientras giran. Se deduce que,
fuera de las galaxias que vemos, tiene que haber una materia oscura adicional
en los cúmulos galácticos.
Es
posible hacer una estimación razonable del volumen de galaxias y cúmulos de esa
materia oscura de cuya existencia tenemos prueba definitiva, aunque tal
estimación sólo representa alrededor de un diez por ciento de la densidad
critica requerida para una contracción del universo. En consecuencia, de
atenernos tan solo a los datos de las observaciones, hay que predecir que el
universo proseguirá indefinidamente su expansión. Al cabo de unos cinco mil
millones de años el Sol se quedara sin combustible nuclear, crecerá hasta
convertirse en lo que se denomina una gigante roja, que engullirá la Tierra y
los demás planetas próximos; luego se contraerá hasta llegar a ser una enana
blanca, con un diámetro de unos cuantos miles de kilómetros. Anuncio, pues, el
fin del mundo, pero todavía no. No creo que esta predicción haga bajar
demasiado la bolsa de valores. Hay en el horizonte uno o dos problemas más
inmediatos. En cualquier caso, cuando el Sol se hinche, tendríamos que haber
dominado la técnica del viaje interestelar, si es que antes no nos hemos
aniquilado nosotros mismos.
Tras
unos diez millones de años, la mayoría de las estrellas del universo habrán
agotado su combustible. Estrellas con una masa como la del Sol se convertirán
en enanas blancas o en estrellas de neutrones, que son aun más pequeñas y
densas que las enanas blancas. Puede que estrellas mayores se conviertan en
agujeros negros, todavía más pequeños y con un campo gravitatorio tan intenso
que no dejen escapar luz alguna. Estos residuos continuarán describiendo una
orbita alrededor del centro de nuestra galaxia cada cien millones de años. Los
choques entre estos restos determinarán que unos pocos salgan proyectados fuera
de la galaxia. Los demás describirán orbitas cada vez mas próximas al centro y
con el tiempo llegaran a constituir un gigantesco agujero negro. Sea lo que
fuere la materia oscura en galaxias y cúmulos, cabe esperar que también caiga
en esos colosales agujeros negros.
Así,
pues, se podría suponer que la mayor parte de la materia de galaxias y cúmulos
acabará en agujeros negros. Hace algún tiempo descubrí que los agujeros no eran
tan negros como los pintaban. El principio de indeterminación de la
mecánica cuántica indica que las partículas no pueden tener simultáneamente muy
definidas la posición y la velocidad. Cuanto mayor sea la precisión con que se
defina la posición de una partícula, menor será la exactitud con que se
determine su velocidad y viceversa. Si una partícula se encuentra en un agujero
negro, su posición esta muy definida allí, lo que significa que su velocidad no
puede ser exactamente definida. Es posible que la velocidad de la partícula sea
superior a la de la luz, de esta forma podría escapar del agujero negro.
Partículas y radiación saldrían poco a poco. Un gigantesco agujero negro en el
centro de una galaxia tendría un diámetro de millones de kilómetros: en
consecuencia, existiría una gran indeterminación en la posición de una
partícula en su seno. Por ello, seria pequeña la indeterminación en la
velocidad de tal partícula, lo que significa que necesitaría muchísimo tiempo
para escapar del agujero negro, pero acabaría por conseguirlo. Un agujero negro
en el centro de una galaxia requeriría quizá 1E90 años para desintegrarse y
desaparecer por completo, es decir, un uno seguido de noventa ceros. Eso
representa mucho mas que la edad actual del universo, que es tan solo de 1E10,
un uno seguido de diez ceros. Quedara mucho tiempo aun si el universo se expande
indefinidamente.
El
futuro de un universo en constante expansión resultaría mas bien tedioso,
aunque en modo alguno es seguro que el universo se expanda indefinidamente.
Tenemos tan solo la prueba concreta de la existencia de cerca de una décima
parte de la densidad precisa para que el universo se contraiga. Aun así, puede
que existan mas tipos de materia oscura, todavía no detectada, que elevasen la
densidad media del universo hasta alcanzar o superar el valor critico. Esta
materia oscura adicional tendría que hallarse fuera de las galaxias y de los
cúmulos galácticos. De otro modo, habríamos advertido su efecto en la rotación
de galaxias o en los movimientos de estas dentro de los cúmulos.
¿Por
qué pensar que puede existir materia oscura suficiente para que el universo
llegue a contraerse con el tiempo? ¿Por qué no limitarnos a creer en la materia
de cuya existencia poseemos prueba concreta? La razón es que tener ahora
siquiera una décima parte de la densidad critica requiere un equilibrio preciso
entre la densidad inicial y el ritmo de expansión. Si la densidad del universo
un segundo después del Big Bang hubiera sido superior en una billonésima parte,
el universo se habría contraído al cabo de diez años. Por otro lado, si la
densidad del universo de entonces hubiese sido inferior en la misma cantidad,
el universo se hallaría esencialmente vacío desde que cumplió los diez años.
¿Cómo
es que se eligió tan minuciosamente la densidad del universo? Quizá haya alguna
razón para que tenga exactamente la densidad crítica. Parece haber dos
explicaciones posibles. Una es el llamado principio antrópico, que cabe
expresar así: el universo es como es porque de ser diferente no estaríamos aquí
para observarlo. La idea es que podría haber muchos universos diferentes con
distintas densidades. Solo aquellos muy próximos a la densidad critica durarían
bastante y contendrían materia suficiente para que se formasen estrellas y
planetas.
Únicamente
en esos universos habrá seres inteligentes que se hagan la pregunta: ¿Por qué
esta la densidad tan próxima a la cifra crítica? Si esta es la explicación de
la presente densidad del universo, no hay razón para creer que contenga mas
materia que la ya detectada. Una décima parte de la densidad critica
significaría materia suficiente para que se formasen galaxias y estrellas.
A
muchas personas no les gusta el principio antrópico porque parece otorgar
demasiada importancia a nuestra propia existencia. Se ha buscado así otra
explicación posible a la razón de que la densidad deba hallarse tan cerca del
valor critico. Tal búsqueda ha conducido a la teoría de la inflación en el
universo primitivo. La idea es que puede que el tamaño del universo fuera
doblándose del mismo modo que mes a mes se doblan los precios en países que
sufren una enorme inflación. Pero la del universo tendría que haber sido mucho
más rápida y extremada: un incremento por un factor de al menos mil trillones
lo habría situado ya muy cerca de la densidad crítica. Por consiguiente, de ser
cierta Ie teoría de la inflación, el universo ha de contener materia oscura para
elevar la densidad hasta el grado critico. Eso significa que probablemente se
contraerá con el tiempo, pero no hasta dentro de mucho mas de los quince mil
millones de años en que ha estado expandiéndose.
¿Qué
clase de materia oscura adicional ha de haber, si está en lo cierto la teoría
de la inflación? Parece que es distinta de la normal, de la que constituye
estrellas y planetas. Podemos calcular los volúmenes de los diversos elementos
ligeros que habrían surgido en las etapas primitivas y calientes del universo
durante los tres primeros minutos después del Big Bang. La cantidad de estos
elementos depende del volumen de materia normal en el universo. Cabe trazar una
gráfica donde se represente verticalmente la cantidad de elementos ligeros y en
el eje horizontal la de materia normal. Coincide con los volúmenes observados,
si la cantidad total de materia normal constituye solo una décima parte de la
cantidad critica aproximadamente. Es posible que estos cálculos sean erróneos,
pero resulta muy impresionante el hecho de que obtengamos los volúmenes
observados de varios elementos diferentes.
Si
existe una densidad critica de la materia oscura, lo más probable seria que
estuviese constituida por restos de las etapas primitivas del universo. Puede
que se trate de partículas elementales. Hay varias candidatas hipotéticas,
partículas que creemos que puede haber, aunque no las hemos detectado. El caso
más prometedor es el de una partícula de cuya existencia tenemos buenas
pruebas: el neutrino. Se creía que carecía de masa y, sin embargo, algunas
observaciones recientes indican que puede tener una masa pequeña. Si se
confirma que esto es así y se obtiene un valor preciso, los neutrinos
proporcionarían masa suficiente para elevar la densidad del universo a su valor
critico.
Otra
posibilidad es la de los agujeros negros. Puede que el universo primitivo
experimentase lo que se denomina una transición de fase. La ebullición y la
congelación del agua son ejemplos de transiciones de fase. En cada una de
estas, un medio tradicionalmente uniforme presenta irregularidades. En el caso
del aguapueden ser grumos de hielo o burbujas de vapor. Tales irregularidades
pueden contraerse para formar agujeros negros. Si estos hubieran sido muy
pequeños, habrían desaparecido ya, por obra del principio de indeterminación de
la mecánica cuántica, como se señaló antes, pero si hubiesen superado unos
cuantos miles de millones de toneladas (la masa de una Montana), todavía
existirían y resultarían muy difíciles de detectar.
La
única manera en que podríamos advertir una materia oscura que estuviese
uniformemente distribuida por el universo seria a través de su efecto en la
expansión de este. Es posible determinar el grado en que reduce su ritmo la
expansión, midiendo la-velocidad a la que se alejan de nosotros las galaxias
remotas. Lo cierto es que observamos esas galaxias en un pasado lejano, cuando
partió de allí la luz que ahora nos llega. Se puede trazar una grafica de la
velocidad de las galaxias en relación con su brillo o magnitud aparente, que es
una medida de su distancia respecto a nosotros. Diferentes líneas de esta
grafica corresponden a distintas tasas de reducción de la expansión. Una línea
combada hacia arriba corresponderá a un universo que se contraerá. A primera
vista las observaciones parecen indicar contracción. Lo malo es que el brillo
aparente de una galaxia no constituye un indicio muy bueno de la distancia que
la separa de nosotros. No solo existe una variación considerable en el brillo
intrínseco de las galaxias, sino que hay, además, pruebas de que su brillantez
varia con el tiempo.
Puesto
que ignoramos cuanto cabe atribuir a la evolución del brillo, no podemos decir
aun cual es la tasa de reducción, si resulta bastante rápida para que el
universo acabe por contraerse o si continuará expandiéndose indefinidamente.
Habrá
que aguardar a que se desarrollen medios mejores de medir las distancias de las
galaxias. Cabe estar seguros de que la tasa de reducción no es tan rápida como
para que el universo vaya a contraerse en unos cuantos miles de millones de
años.
Ni
la expansión indefinida ni la contracción dentro de cien mil millones de años o
cosa parecida constituyen perspectivas muy atrayentes. ¿,N0 hay algo que
podamos hacer para que el futuro sea más interesante? Desde luego, un modo de
conseguirlo seria internarnos en un agujero negro. Tendría que ser bastante
grande, mas de un millón de veces la masa del Sol. Existen muchas
probabilidades de que haya en el centro de nuestra galaxia una agujero negro de
ese tamaño.
Aun
no estamos verdaderamente seguros de lo que sucede en el interior de un agujero
negro. Hay soluciones de las ecuaciones de la relatividad general que permiten
caer en un agujero negro y salir por un agujero blanco en algún otro lugar. Un
agujero blanco es una inversión del tiempo en un agujero negro. Se trata de un
objeto de donde pueden salir cosas, pero nada puede caer en el. El agujero
blanco podría hallarse en otro punto del universo. Eso parece brindar la
posibilidad de un rápido viaje intergaláctico. Lo malo es que quizá fuese
demasiado rápido. Si resultase posible el viaje por los agujeros negros, al
parecer no habría nada que impidiera volver antes de partir. Uno podría hacer
entonces algo así como matar a su madre, lo que desde luego Ie habría vedado
llegar al lugar de partida.
Tal
vez por suerte para nuestra supervivencia (y la de nuestras madres) parece que
las leyes de la física no permiten semejante viaje por el tiempo. Quizá exista
un Instituto de Protección de la Cronología que, impidiendo ir al pasado,
garantiza la seguridad de los historiadores. Lo que posiblemente sucedería es
que los efectos del principio de indeterminación originarán un gran volumen de
radiación, si uno viajase al pasado. Esta radiación, o bien plegaria el
espacio-tiempo hasta tal punto que ya no fuera posible el regreso en el tiempo,
o haría que el espaciotiempo concluyese en una singularidad como el Big Bang y
el gran aplastamiento.
De
cualquier manera, nuestro pasado se verá libre de malvados. La hipótesis de
protección de la cronología esta respaldada por cálculos recientes de varias
personas entre las que me cuento. La prueba mejor con que contamos acerca de la
imposibilidad actual y perenne del viaje por el tiempo es que no hemos sido
invadidos por hordas de turistas del futuro.
Resumiendo:
los científicos creen que el universo se halla gobernado por leyes bien
definidas que en principio permiten predecir el futuro, aunque el movimiento
asignado por las leyes es a menudo caótico. Eso significa que un pequeño cambio
en la situación inicial puede conducir a un cambio en la conducta subsiguiente
que rápidamente se tome mayor. De este modo, y en la practica, a menudo solo
cabe predecir acertadamente el futuro en un plazo bastante corto. El
comportamiento a gran escala del universo parece ser simple y no caótico, lo
que permite predecir si el universo se expandirá indefinidamente o si llegara
un momento en que se contraiga.
Eso
depende de su densidad actual. De hecho, la densidad presente parece muy
próxima a la densidad critica entre la contracción y la expansión indefinida.
Si es correcta la teoría de la inflación, el universo esta en realidad en el
filo de la navaja. Pertenezco, pues, a la inveterada tradición de oráculos y
profeta que se guardan las espaldas, prediciendo una cosa y la otra.
Stephen Hawking
En esta charla, quisiera especular un poco, sobre el desarrollo de la vida
en el universo, y en particular, sobre el desarrollo de la vida inteligente.
Haré esto para incluir a la raza humana, aunque buena parte de su
comportamiento a lo largo de la historia, ha sido bastante estúpido, y no
precisamente calculado para ayudar a la supervivencia de las especies. Dos
preguntas que discutiré son, '¿Cuál es la probabilidad de que la vida exista en
otras partes del universo?' y, ' ¿Cómo podrá desarrollarse la vida en el
futuro?'
Es cuestión de experiencia común, saber que las cosas tienden al desorden y
al caos a medida que pasa el tiempo. Esta observación puede elevarse al estado
de ley, la así llamada Segunda Ley de la Termodinámica. Esta dice que la
cantidad total de desorden, o entropía, en el universo, aumenta siempre con el
tiempo. Sin embargo, la ley se refiere solamente a la cantidad total de
desorden. El orden en un cuerpo puede aumentar, a condición de que la cantidad
de desorden a sus alrededor aumente en una cantidad mayor. Esto es lo que
sucede con un ser vivo. Podríamos definir a la vida como: sistema ordenado que
puede sostenerse contra la tendencia al desorden, y que puede reproducirse. Es
decir, que puede formar sistemas ordenados similares, pero independientes. Para
hacer estas cosas, el sistema debe poder convertir energía partiendo de una
forma ordenada, (por ejemplo: alimento, luz del sol, o energía eléctrica), en
energía desordenada, (en forma de calor). De esta manera, el sistema puede
satisfacer el requisito de que la cantidad total de desorden aumente, mientras
que, al mismo tiempo, aumenta el orden en sí mismo y en su descendencia. Un ser
vivo tiene generalmente dos elementos: un sistema de instrucciones que le dicen
al sistema cómo sostenerse y reproducirse, y un mecanismo para realizar estas
instrucciones. En biología, estas dos piezas se llaman genes y metabolismo.
Pero merece la pena acentuar que no es necesario una naturaleza biológica en
ellos. Por ejemplo, un virus de ordenador es un programa que hará copias de sí
mismo en la memoria de un ordenador, y se transferirá a otros ordenadores. Así,
cabe en la definición de sistema vivo que yo he dado. Al igual que un virus
biológico, ambos son formas algo degeneradas, porque solo contiene
instrucciones o genes, y no tienen ningún metabolismo propio. En su lugar,
reprograman el metabolismo del ordenador huésped o de la célula. Algunas
personas se han cuestionado si deberíamos contar a los virus entre los seres
vivos, ya que son parásitos, y no pueden existir independientemente de sus
anfitriones. Pero entonces la mayor parte de las formas de vida, nosotros
mismos incluidos, son parásitos, ya que se alimentan y dependen para su
supervivencia de otras formas de vida. Creo que los virus de ordenador deberían
considerarse también como vida. Quizás esto dijera algo sobre la naturaleza
humana, ya que la única forma de vida que hemos creado hasta ahora, es
puramente destructiva. Dicho de otro modo, creamos vida a nuestra imagen y
semejanza. Volveré sobre las formas electrónicas de vida más adelante.
Lo qué normalmente conocemos como ' vida ' se basa en cadenas de átomos de
carbono, enlazados con algunos otros átomos, tales como nitrógeno o fósforo.
Podríamos especular que se puede obtener vida a partir de otra base química,
por ejemplo el silicio, pero el carbono parece el caso más favorable, porque
tiene la química más rica. Que los átomos de carbono existan al fin, con las
características que tienen, requiere un fino ajuste de las constantes físicas,
tales como la escala QCD (Nota del traductor: escala cromo-dinámica cuántica),
la carga eléctrica, e incluso la dimensión espacio-tiempo. Si estas constantes
tuvieran valores perceptiblemente distintos, o bien el núcleo del átomo de
carbono se volvería inestable, o bien los electrones se colapsarían sobre el
núcleo. A primera vista, parece notable que el universo esté ajustado tan
finamente. Esta es quizá una evidencia, de que el universo fue diseñado
especialmente para producir la raza humana. Sin embargo, hay que tener cuidado
sobre tales discusiones, debido a lo que se conoce como el Principio Antrópico.
Este se basa en la verdad, de por si evidente, de que si el universo no hubiera
sido adecuado para la vida, nosotros no estaríamos ahora preguntándonos por qué
está ajustado tan finamente. Se puede aplicar el Principio Antrópico, en sus
versiones fuerte, o débil. Para el principio Antrópico fuerte, suponemos que
hay muchos y diversos universos, cada uno con distintos valores en sus
constantes físicas. En un número pequeño de ellos, estos valores permitirán la
existencia de objetos tales como los átomos del carbono, que pueden actuar como
los ladrillos para la construcción de sistemas vivos. Puesto que debemos vivir
en uno de estos universos, no debemos sorprendernos de que las constantes
físicas estén tan finamente ajustadas. Si no fuera así, no estaríamos aquí. La
forma fuerte del Principio Antrópico no es muy satisfactoria. ¿Qué sentido
operativo podemos dar a la existencia de esos otros universos? Y si están
separados y al margen de nuestro propio universo, cómo puede afectarnos lo que
suceda en ellos. En su lugar, adoptaré el que se conoce como Principio
Antrópico débil. Es decir, tomaré los valores de las constantes físicas, según
nos vienen dados. Pero veré qué conclusiones pueden extraerse, del hecho de que
la vida exista en este planeta, en esta etapa de la historia del universo.
No había carbono, cuando el universo comenzó con el Big Bang, hace
aproximadamente 15 mil millones de años. Era tan caliente, que toda la materia
habría estado en forma de partículas, llamadas protones y neutrones. En un
principio habría protones y neutrones en cantidades iguales. Sin embargo, como
el universo se expandió, este se habría enfriado. Aproximadamente un minuto
después del Big Bang, la temperatura habría caído a alrededor de mil millones
de grados, equivalente a cientos de veces la temperatura del Sol. A esta
temperatura, los neutrones comenzaron a descomponerse en más protones. Si solo
hubiera sucedido esto, toda la materia en el universo habría terminado siendo
como el elemento más simple, el hidrógeno, cuyo núcleo consiste en un solo
protón. Sin embargo, algunos de los neutrones chocaron con los protones, y se
fusionaron para formar el siguiente elemento más simple, el helio, cuyo núcleo
consiste en dos protones y dos neutrones. Pero en el joven universo no se
habría formado ningún elemento más pesado, como el carbono o el oxígeno. Es
difícil imaginarse construir un sistema vivo, partiendo del hidrógeno y del
helio, y de todos modos el universo primigenio seguía siendo demasiado caliente
como para que los átomos se combinasen formando moléculas.
El universo habría continuado expandiéndose, y enfriándose. Pero algunas
regiones habrían tenido densidades algo más altas que otras. La atracción
gravitacional de la materia adicional en esas regiones, retrasaría su
expansión, y eventualmente la pararía. En su lugar, esas regiones se
colapsarían para formar galaxias y estrellas, hecho que empezó aproximadamente
dos mil millones de años después del Big Bang. Algunas de aquellas estrellas
tempranas habrían sido más masivas y calientes que nuestro Sol y habrían
quemado el hidrógeno y helio original, transformándolo en elementos más
pesados, tales como carbono, oxígeno, y hierro. Esto habría podido tomar
solamente algunos cientos de millones de años. Después de eso, algunas de las
estrellas habrían estallado como supernovas, y habrían dispersado los elementos
pesados hacia el interior del espacio, formando la materia prima para próximas
generaciones de estrellas.
Otras estrellas están demasiado lejos, como para que podamos ver
directamente, si tienen planetas girando alrededor de ellas. Pero ciertas
estrellas, llamadas pulsars, emiten pulsos regulares de ondas de radio.
Observamos una leve variación en el índice de emisión de algunos pulsars, y
esto se interpreta como un indicador de que están siendo perturbados, por la
presencia de planetas del tamaño de la Tierra girando alrededor de ellas. Los
planetas que giran alrededor de pulsars tienen pocas probabilidades de albergar
vida, porque cualquier ser vivo habría muerto, en la explosión de la supernova
que condujo a la estrella a convertirse en un pulsar. Pero, el hecho de que se
haya observado que varios pulsars tienen planetas sugiere que una fracción
razonable de las cientos de miles de millones de estrellas de nuestra galaxia
pueden también tener planetas. Las condiciones planetarias necesarias para
nuestra forma de vida pudieron por lo tanto, haber existido a partir de cuatro
mil millones de años después del Big Bang.
Nuestro Sistema Solar se formó aproximadamente hace cuatro mil quinientos
millones de años, cerca de diez mil millones de años después del Big Bang, a
partir de gas contaminado con los restos de estrellas anteriores. La Tierra se
formó en gran parte a partir de los elementos más pesados, incluyendo el
carbono y el oxígeno. De algún modo, algunos de esos átomos llegaron a
ordenarse en forma de moléculas de ADN. Este tiene la famosa forma de doble
hélice, descubierta por Crick y Watson en un cuartucho situado en el Nuevo
Museo, en Cambridge. Enlazando las dos cadenas en la hélice, hay pares de
ácidos nucleicos. Hay cuatro tipos de ácidos nucleicos: adenina, citosina,
guanina, y tiamina. Me temo que mi sintetizador del voz no es muy bueno,
pronunciando sus nombres. Obviamente, no fue diseñado para biólogos
moleculares. Una adenina en una cadena se empareja siempre con una tiamina en
la otra cadena, y una guanina con un citosina. Así la secuencia de ácidos
nucleicos en una cadena define una secuencia única y complementaria, en la otra
cadena. Ambas cadenas pueden entonces separarse y cada una actúa como una
plantilla para construir otras cadenas. De este modo las moléculas de ADN
pueden reproducir la información genética, cifrada en sus secuencias de ácidos
nucleicos. Algunas secciones de la secuencia se pueden también utilizar para
elaborar proteínas y otros productos químicos, que pueden transportar las
instrucciones codificadas en secuencia, y montar la materia prima para que el
propio ADN se reproduzca.
No sabemos cómo aparecieron las primeras moléculas de ADN. La probabilidad
de que una molécula de ADN se forme por fluctuaciones al azar es muy pequeña.
Algunas personas, por lo tanto, han sugerido que la vida llegó a la Tierra
desde alguna otra parte, y que hay semillas de vida flotando por los
alrededores de la galaxia. Sin embargo, parece inverosímil que el ADN pudiera
sobrevivir durante mucho tiempo a la radiación en el espacio. E incluso si
pudiera, esto realmente no ayudaría a explicar el origen de la vida, porque el
tiempo que necesitó el universo para lograr la formación del carbono es sólo un
poco mas del doble que la edad de la Tierra.
La posibilidad de formación de algo parecido al ADN, que pudiera
reproducirse, es extremadamente inverosímil. Sin embargo, en un universo con un
número muy grande, o infinito, de estrellas, cabría esperar que esto ocurriera
en algunos sistemas estelares, pero estarían tremendamente separados unos de
otros. El hecho de que la vida llegara a suceder en la Tierra, no es sin
embargo algo que nos sorprenda o inverosímil. Es solo una aplicación del
Principio Antrópico Débil: si en su lugar, la vida hubiera aparecido en otro
planeta, estaríamos preguntándonos por qué había ocurrido allí.
Si la aparición de vida en un planeta dado era muy inverosímil, se podía
haber esperado que el proceso se alargase en el tiempo. Más exactamente, se
podía haber esperado de la vida que apareciese justo a tiempo para la evolución
subsiguiente de seres inteligentes, como nosotros antes del apagón, es decir
antes del fin del proceso vital del Sol. Este es de cerca de diez mil millones
de años, tras lo cual el Sol se expandirá y engullirá a la Tierra. Una forma
inteligente de vida, podría haber dominado el viaje espacial, y podría por
tanto ser capaz de escaparse a otra estrella. Pero de otro modo, la vida en la
Tierra estaría condenada.
Hay evidencia fósil, de que existían ciertas formas de vida en la Tierra,
hace aproximadamente tres mil quinientos millones de años. Esto pudo haber sido
apenas 500 millones de años después de que la Tierra llegase a estabilizarse y
a enfriarse lo bastante como para que la vida apareciera. Pero la vida habría
podido tardar siete mil millones de años en desarrollarse, y todavía le
sobraría tiempo para el desarrollo de seres que como nosotros, podrían
preguntarse sobre el origen de la vida. Si la probabilidad del desarrollo de
vida en un planeta dado, es muy pequeña, por qué sucedió en la Tierra, en tan
solo 1/14 del tiempo total disponible.
La temprana aparición de vida en la Tierra sugiere que hay buenas opciones
para la generación espontánea de vida, en condiciones convenientes. Quizás
existieran ciertas formas más simple de organización, las cuales llegaron a
construir el ADN. Una vez que apareció el ADN, este habría tenido tanto éxito,
que puede ser que hubiera substituido totalmente las formas anteriores. No
sabemos cuáles habrían sido estas formas anteriores. Una posibilidad es el ARN.
Este es como el ADN, pero algo más simple, y sin la estructura de doble hélice.
Las cortas longitudes del ARN, podían reproducirse como el ADN, y pudieron
eventualmente transformarse en ADN. No se pueden crear ácidos nucleicos en el
laboratorio a partir de material no-vivo, ni siquiera ARN. Pero transcurridos
500 millones de años, y contando con los océanos que cubrían la mayor parte de
la Tierra, pudo haber una probabilidad razonable de que el ARN, se formase por
casualidad.
Mientras el ADN se reprodujo, habrían sucedido errores al azar. Muchos de
estos errores habrían sido dañinos, y habrían muerto. Otros habrían sido
neutrales. Lo cual significa que no habrían afectado la función de los genes.
Tales errores contribuirían a una deriva genética gradual, lo cual parece
ocurrir en todas las poblaciones. Y otros errores habrían sido favorables para
la supervivencia de la especie. Estos habrían sido escogidos por la selección
natural Darwiniana. El proceso de la evolución biológica fue muy lento al
principio. Llevó dos mil quinientos millones de años, desarrollar animales
multicelulares a partir de las células más tempranas, y otros mil millones de
años más el desarrollo, a través de peces y reptiles, de los mamíferos. Pero
entonces la evolución pareció pegar un acelerón. En solo unos cientos de
millones de años, los primeros mamíferos evolucionaron hasta nosotros. La razón
es, que los peces ya contienen una gran parte de los órganos importantes de los
humanos, y los mamíferos, prácticamente todos. Es decir, todo lo que se
requería para el desarrollo humano a partir de los primeros mamíferos, como los
lemurs, era un poco de afinación y ajuste.
Pero con la raza humana, la evolución alcanzó un nivel crítico, comparable
en importancia con el desarrollo del ADN. Este hito fue el desarrollo del
lenguaje, y particularmente el del lenguaje escrito. Ello significó que existía
otro tipo de información que se podía pasar de generación en generación, además
de la genética a través del ADN. No ha habido cambios perceptibles en al ADN
humano, causados por la evolución biológica, en los diez mil años de historia
registrada. Pero la cantidad de conocimiento manejado de generación en
generación ha crecido enormemente. El ADN en los seres humanos contiene cerca
de tres mil millones de ácidos nucleicos. Sin embargo, mucha de la información
cifrada en esta secuencia, es redundante, o está inactiva. Por tanto la cantidad
total de información útil en nuestros genes, es probablemente algo que ocupa
unos cientos de millones de bits. Un bit de información es la respuesta a una
pregunta de rango: si ó no. Por el contrario, una novela impresa en papel puede
contener dos millones de bits de información. Así que un ser humano es el
equivalente a 50 novelas románticas de Mills & Boon (Nota del traductor:
Arlequín Mills & Boon es la empresa lider mundial en edición de novelas
rosa) .Una biblioteca nacional importante puede contener cerca de cinco
millones de libros, lo cual equivale a cerca de diez billones de bits. Por lo
que la cantidad de información recogida en los libros, es cientos de miles de
veces superior a la contenida en el ADN.
Aún más importante, es el hecho de que la información en los libros, puede
cambiarse y actualizarse, mucho más rápidamente. Hemos tardado varios millones
de años en desarrollarnos a partir de los monos. Durante ese tiempo, la
información útil en nuestra ADN, ha cambiado probablemente en solo algunos
millones de bits. De modo que el índice de evolución biológica en los seres
humanos, es aproximadamente de un bit por año. Por contra, se publican cerca de
50.000 nuevos libros en lengua inglesa cada año, conteniendo del orden de
cientos de miles de millones de bits de información. Por supuesto, la gran
mayoría de esta información es basura, y de ninguna utilidad para cualquier
forma de vida. Pero, incluso así, el ratio en el cual se puede agregar
información útil es de millones, si no miles de millones, más alto que el del
ADN.
Esto ha significado que hemos entrado en una nueva fase de la evolución. Al
principio, la evolución procedió por obra de la selección natural, a través de
mutaciones al azar. Esta fase Darwiniana, duró cerca de tres mil quinientos
millones de años, y nos produjo a nosotros, seres que desarrollaron el lenguaje
para intercambiar información. Pero en los últimos diez mil años, más o menos,
hemos atravesado lo que podemos llamar, una fase de transmisión externa.
Durante esta, el registro interno de información, manejado por las generaciones
que tuvieron éxito reproductivo, no ha cambiado perceptiblemente al ADN. Pero
el registro externo, mediante libros y otras formas duraderas de almacenaje, ha
crecido enormemente. Algunas personas utilizarían el término, evolución, sólo
para el material genético internamente transmitido, y se opondría a que dicho
término fuese aplicado a la información manejada externamente. Pero creo que
esto es también un problema de estrechez de miras. Somos más que simplemente
nuestros genes. Podemos no ser más fuertes, o intrínsecamente más inteligentes,
que nuestros antepasados los hombre de las cavernas. Pero lo que nos distingue
de ellos, es el conocimiento que hemos acumulado durante los últimos diez mil
años, y particularmente, durante los últimos trescientos. Pienso que es
legítimo tomar una visión de conjunto, e incluir la información transmitida
externamente, tanto como al ADN, en la evolución de la raza humana.
La escala de tiempo para la evolución de la información, durante el período
de transmisión externo, es la de la tasa de acumulación. Esta fase solía ser de
centenares, o aún de millares de años. Pero ahora este escala de tiempo se ha
reducido a cerca de 50 años, o menos. Por otro lado, los cerebros con los
cuales procesamos esa información se han desarrollado solamente en la escala de
tiempo Darwiniana, de cientos de miles de años. Esto está comenzando a causar
problemas. En el siglo XVIII, se decía que había un hombre que había leído cada
uno de los libros escritos. Pero hoy en día, si usted leyera un libro al día,
le llevaría cerca de 15.000 años leer todos los libros de una biblioteca
nacional. Y para cuando acabase, muchos más libros habrían sido escritos.
Esto ha significado que nadie puede ser maestro en más que una pequeña
esquina del conocimiento humano. La gente tiene que especializarse, en campos
más y más reducidos. Esto es probable que sea una limitación importante en el
futuro. No podemos continuar ciertamente, durante mucho tiempo, con el índice
de crecimiento exponencial de conocimiento que hemos tenido en los últimos
trescientos años. Una limitación y un peligro aún mayor para las generaciones
futuras, es que todavía conservamos los instintos, y en particular, los
impulsos agresivos, que teníamos en los días del hombre de las cavernas. Las
agresiones, tales como la subyugación o el asesinato de otros hombres para
tomar sus mujeres y su alimento, ha representado una ventaja definitiva para la
supervivencia, hasta el presente. Pero ahora podría destruir a la raza humana
entera, y a gran parte del resto de seres vivos de la Tierra. Una guerra
nuclear, sigue representando el peligro más inmediato, pero existen otros,
tales como el lanzamiento de virus rediseñados por ingeniería genética. O que
el efecto invernadero llegue a tornarse inestable.
No queda tiempo, para esperar a que la evolución Darwiniana, nos haga más
inteligentes, y mejore nuestra naturaleza. Pero ahora estamos entrando en una
nueva fase, que podría ser llamada, evolución de auto-diseño, en la cual
podremos cambiar y mejorar nuestra ADN. Existe un proyecto en marcha hoy en día
para trazar la secuencia entera del ADN humano. (Nota del traductor: La charla
es anterior a 1993, y el proyecto Genoma Humano empezó en 1990 y acabó en el
2000) Costará algunos miles de millones de dólares, pero eso es pecata minuta,
para un proyecto de esta importancia. Una vez que hayamos leído el libro de la
vida, comenzaremos a escribir las correcciones. Al principio, estos cambios
estarán confinados a la reparación de defectos genéticos, como la fibrosis
quística, y la distrofia muscular. Estas son controladas por genes sencillos,
así que son bastante fáciles de identificar, y de corregir. Otras cualidades,
tales como la inteligencia, son probablemente controladas por una gran cantidad
de genes. Será mucho más difícil encontrarlos, y descubrir las relaciones entre
ellos. Sin embargo, estoy seguro de que durante el próximo siglo, la gente
descubrirá cómo modificar tanto la inteligencia, como los instintos agresivos.
Se aprobarán leyes contrarias a la ingeniería genética en seres humanos.
Pero algunas personas no podrán resistirse a la tentación, de mejorar ciertas
características humanas, tales como el tamaño de la memoria, la resistencia a
las enfermedades, y el alargamiento de la vida. Una vez que aparezcan
semejantes super-seres humanos, va a haber problemas políticos importantes, con
el resto de seres humanos no mejorados, que no podrán competir. Probablemente,
estos últimos morirán, o perderán importancia. En su lugar, habrá una raza de
seres auto-diseñados, que irán mejorándose en un porcentaje cada vez mayor.
Si esta raza consigue reajustarse, hasta reducir o eliminar el riesgo de
autodestrucción, probablemente se expandirá, y colonizará otros planetas y
estrellas. Sin embargo, los viajes espaciales a través de grandes distancias,
serán difíciles para las formas de vida con base química, como el ADN. El curso
de vida natural para tales seres es muy breve, comparado con el tiempo del
viaje. Según la teoría de la relatividad, nada puede viajar más rápidamente que
luz. Por lo que el viaje de ida y vuelta a la estrella más cercana tomaría por
lo menos 8 años, y al centro de la galaxia, alrededor de cien mil años. En la
ciencia ficción, se superan estas dificultades, mediante deformaciones del
espacio, o viajando a través de otras dimensiones. Pero no creo que esto sea
posible jamás, no importa lo inteligentes que se vuelvan. En la teoría de la
relatividad, si algo puede viajar más rápidamente que luz, también puede viajar
hacia atrás en el tiempo. Esto nos conduciría a problemas con la gente que
vuelve desde el futuro, para cambiar el pasado. Cabría esperar además, haber
visto a una gran cantidad de turistas llegando desde el futuro, curiosos por
observar nuestras costumbres pintorescas y pasadas de moda. Puede que sea
posible utilizar la ingeniería genética, para hacer que la vida basada en ADN
sobreviva indefinidamente, o por lo menos durante cien mil años. Pero hay una
forma más sencilla, y que ya casi está dentro de nuestras posibilidades, que
sería la de enviar máquinas. Estas se podrían diseñar para que durasen el
tiempo suficiente para soportar el recorrido interestelar. Cuando llegasen a
una nueva estrella, podrían aterrizar en un planeta conveniente, y extraer
material de las minas para producir más máquinas, las cuales podrían ser
enviadas hacia otras estrellas. Estas máquinas serían una nueva forma de vida,
basada en componentes mecánicos y electrónicos, en lugar de macromoléculas.
Podrían eventualmente sustituir a la vida basada en ADN, tal y como el ADN pudo
haber sustituido a otras formas anteriores de vida.
Esta vida mecánica podría también ser auto-diseñada. Por ello, parece que
el período de transmisión externa de la evolución, habría sido solo un corto
interludio, entre la fase Darwiniana, y la fase (biológica o mecánica) de
auto-diseño. Esto se muestra en el diagrama siguiente, que no es a escala,
porque no hay forma alguna de representar un período de diez mil años en una
escala de miles de millones de años.
Cuánto tiempo durará la fase de auto-diseño, es algo discutible. Puede ser
inestable, y la vida podría destruirse a si misma, o llegar a un callejón sin
salida. Si no lo hace, debería poder sobrevivir a la muerte del Sol,
aproximadamente dentro de 5 mil millones de años, moviéndose a planetas
situados alrededor de otras estrellas. La mayoría de las estrellas se habrán
quemado dentro de otros 15 mil millones de años, más o menos, y el universo se
acercará a un estado de completo desorden, según la Segunda Ley de la
Termodinámica. Pero Freeman Dyson ha demostrado que, a pesar de esto, la vida
podría adaptarse a la fuente siempre decreciente de energía ordenada, y por lo
tanto podría, en principio, continuar su existencia para siempre.
¿Qué oportunidades tenemos de encontrar alguna forma de vida alienígena ,
mientras exploramos la galaxia?. Si la discusión sobre la escala de tiempo para
la aparición de vida en la Tierra es correcta, debe haber muchas otras
estrellas, cuyos planetas alberguen vida. Algunos de estos sistemas estelares
podrían haberse formado cinco mil millones de años antes que la Tierra. Luego,
¿por qué la galaxia no está bullendo de formas de vida auto-diseñadas,
mecánicas o biológicas? ¿Por qué la Tierra no ha sido visitada, o incluso
colonizada?. No tendré en cuenta las sugerencias de que los OVNIS transportan a
seres del espacio exterior. Creo que cualquier visita alienígena, sería mucho
más obvia, y probablemente también, mucho más desagradable.
¿Cuál es la explicación del por qué no nos han visitado? Una posibilidad es
que la discusión, sobre la aparición de vida en la Tierra, es incorrecta. Tal
vez la probabilidad de que la vida aparezca espontáneamente es tan baja, que la
Tierra es el único planeta en la galaxia, o en el universo observable, en el
cual sucedió. Otra posibilidad es que exista una probabilidad razonable para
que se formen sistemas de auto reproducción, como las células, pero que la
mayoría de estas formas de vida no desarrollaron la inteligencia. Solemos creer
en la vida inteligente, como una consecuencia inevitable de la evolución. Pero
el Principio Antrópico debería advertirnos para que fuéramos cuidadosos con
tales argumentos. Es más probable que la evolución sea un proceso al azar,
donde la inteligencia es simplemente uno más entre una gran cantidad de
resultados posibles. No está claro que la inteligencia tenga un valor de
supervivencia a largo plazo. Las bacterias, y otros organismos unicelulares,
seguirán viviendo, aún cuando el resto de la vida en la Tierra fuese barrida
por nuestras acciones. Hay por tanto apoyos para la visión de que la
inteligencia, es un desarrollo poco probable de la vida en la Tierra, desde la
cronología de la evolución. Tomó un tiempo muy largo, dos mil quinientos
millones de años, llegar a partir de las células hasta los seres
multicelulares, los cuales son precursores necesarios para la inteligencia.
Esta es una buena fracción del tiempo total disponible, antes de que el sol se
destruya. Lo cual daría consistencia a la hipótesis, de que la probabilidad
para que la vida inteligente se desarrolle, es baja. En ese caso, cabe esperar
que encontremos muchas otras formas de vida en la galaxia, pero es poco
probable encontrar vida inteligente. Otro modo, mediante el cual la vida podría
fracasar en su intento de desarrollarse hasta un escenario de inteligencia,
sería la de que un asteroide o cometa colisionase con el planeta. Acabamos de
observar la colisión de un cometa, el Schumacher-Levi, con Júpiter. Esto produjo
una serie de bolas de fuego enormes. Se cree que la colisión de un cuerpo algo
más pequeño, con la Tierra, hace cerca de 70 millones de años, fue responsable
de la extinción de los dinosaurios. Algunos pequeños mamíferos tempranos
sobrevivieron, pero cualquier cosa tan grande como un humano habría sido
aniquilada casi con toda certeza. Es difícil decir cuan a menudo ocurren tales
colisiones, pero una conjetura razonable sobre este promedio, puede ser cada
veinte millones de años. Si esta cifra es correcta, significaría que la vida
inteligente en la tierra ha aparecido, únicamente gracias al hecho afortunado
de que no ha habido colisiones importantes en los últimos 70 millones de años.
Otros planetas en la galaxia, en los cuales la vida hubiera aparecido, pudieron
no haber tenido un período libre de colisiones lo suficientemente largo como
para desarrollar seres inteligentes.
Una tercera posibilidad es que durante la fase de transmisión externa haya
una probabilidad razonable para que la vida se forme, y se desarrollen los
seres inteligentes. Pero en ese punto, el sistema llega a ser inestable, y la
vida inteligente se destruye. Esta sería una conclusión muy pesimista. Y en
verdad deseo mucho que no sea así. Prefiero una cuarta posibilidad: la de que
hay otras formas de vida inteligente ahí fuera, pero que se nos han pasado por
alto. Existía un proyecto llamado SETI, la búsqueda de inteligencia
extra-terrestre. Este implicaba la exploración de radiofrecuencias, para ver si
podríamos captar señales emitidas por civilizaciones extraterrestres. Creo que
merecía la pena apoyar este proyecto, aunque fue cancelado debido a una carencia
de fondos. Pero deberíamos ser cuidadosos y no contestar, hasta que nos hayamos
desarrollado un poquito más. Descubrir una civilización más avanzada, en
nuestra actual etapa, puede ser un poco como cuando los habitantes originales
de América se encontraron con Colón. Creo que estaban mejor antes de ello.
Eso es todo lo que tengo que decir. Gracias por escuchar.
Stephen Hawking
En
esta charla, me gustaría discutir sobre si el tiempo en si mismo tuvo un
principio, y sobre si tendrá un final. Todas las evidencias parecen indicar que
el universo no ha existido desde siempre, sino que tuvo un principio,
aproximadamente hace 15.000 millones de años. Este es probablemente el
descubrimiento más notable de la cosmología moderna. Aún no está completamente
demostrado. Todavía no sabemos con certeza si el universo tendrá un final.
Cuando yo daba una charla en Japón, me pidieron que no mencionase el posible
re-colapso del universo, porque podría afectar al mercado de valores. Sin
embargo, puedo re-asegurar a cualquiera que se sienta nervioso por sus
acciones, que es un poco pronto para vender: incluso si el universo esta
destinado a finalizar, no sucederá antes de al menos 20.000 millones de años.
Para ese tiempo, tal vez el acuerdo de comercio GATT haya alcanzado sus
objetivos.
N.
del T.: GATT = General Agreement on Tariffs and Trade (Acuerdo General sobre
Aranceles y Comercio) firmado en 1947, persigue la igualdad comercial entre
países.
La
escala de tiempo del universo en muy grande comparada con la vida humana. Por
ello no fue ninguna sorpresa que hasta hace poco, se pensase que el universo
era esencialmente estático, e invariable a lo largo del tiempo. Por otro lado,
ha debido ser obvio que la sociedad evoluciona cultural y tecnológicamente.
Esto indica que la fase presente de la historia de la humanidad no puede haber
empezado antes de unos pocos miles de años. De otro modo estaríamos más
avanzados de lo que lo estamos. Por ello es natural que creamos que la especie
humana, y quizás el universo completo, comenzaron justamente en un pasado
reciente. Sin embargo, mucha gente estaba descontenta con la idea de que el
universo tuviera un principio, ya que esto parecía implicar la existencia de un
ser sobrenatural que lo creó. Ellos preferían creer que el universo y la
especie humana han existido desde siempre. Su explicación sobre el progreso
humano se basaba en la existencia de inundaciones periódicas, u otro desastre
natural, que devolvía repetidamente a los humanos a un estado primitivo.
Este
argumento acerca de si el universo tuvo o no un principio, persistió durante el
siglo XIX y XX. Se basó principalmente en tesis teológicas y filosóficas, con
muy pocas consideraciones sobre evidencias observables. Esto pudo haber sido
razonable, dada la notoria falta de fiabilidad de las observaciones
cosmológicas, hasta hace bien poco. El cosmólogo, Sir Arthur Eddington, dijo
una vez, “No se preocupe si su teoría no casa bien con las observaciones, ya
que probablemente estas son erróneas.” Pero si su teoría esta en desacuerdo con
la segunda ley de la Termodinámica, entonces está usted metido en problemas. De
hecho, la teoría de que el universo ha existido desde siempre entra en serias
dificultades con la segunda ley de la Termodinámica. La segunda ley establece
que el desorden siempre se incrementa a medida que transcurre el tiempo. Al
igual que con el argumento del progreso humano, esto indica que debió haber
existido un comienzo. De otro modo, el universo se hallaría hoy en día en un
estado de desorden completo, y todo estaría a la misma temperatura. En un
universo infinito y eterno, cualquier rastro visible acabaría en la superficie
de las estrellas. Esto significaría que el cielo nocturno sería tan brillante
como la superficie del Sol. El único modo de evitar este problema sería si, por
alguna razón, las estrellas no brillasen durante cierto tiempo.
En
un universo que fuese esencialmente estático, no habría ninguna razón dinámica
por la que las estrellas debiesen súbitamente encenderse, en un momento dado.
Cualquiera de estos “períodos de luces encendidas” tendría que venir impuesto
por una intervención desde el exterior del universo. La situación, sin embargo,
fue diferente, cuando se comprobó que el universo no era estático, sino que se
expandía. Las galaxias se están apartando constantemente unas respecto a las
otras. Esto significa que en el pasado estaban más juntas. Se puede representar
gráficamente la distancia entre dos galaxias en función del tiempo. Si no
hubiese aceleración causada por la gravedad, el gráfico sería una línea recta.
Descendería hacia el punto de separación cero, aproximadamente hace 20.000
millones de años. Se podría esperar que la gravedad causase una aceleración de
unas galaxias contra las otras. Esto implicaría que el gráfico de la separación
se doblaría hacia abajo, a un nivel inferior al de la línea recta. Por lo que el
momento de separación cero, sería inferior a 20.000 millones de años.
En
ese momento, el Big Bang, toda la materia del universo, se encontraría en la
superficie de si misma. La densidad habría sido infinita. Sería lo que a menudo
es nombrado como singularidad. En una singularidad, todas las leyes de la
física se rompen. Esto significa que el estado del universo, tras el Big Bang,
no dependía de ninguna cosa que hubiese pasado con anterioridad, ya durante el
Big Bang las leyes determinísticas que gobiernan el universo se incumplían. El
universo evolucionó a partir del Big Bang, de manera completamente
independientemente a como lo hacía antes de este suceso. Hasta la cantidad de
materia del universo puede ser distinta a la existente antes del Big Bang, ya
que en ese momento la Ley de Conservación de Materia, no se cumplía.
Ya
que no contemos con consecuencias observables anteriores al Big Bang, se
podrían extraer a partir de la teoría, y decir que el tiempo comenzó con el Big
Bang. Los sucesos anteriores al Big Bang, simplemente no están definidos, ya
que no hay modo alguno de medir lo que en ellos sucedió. Este tipo de comienzo
del universo, y del tiempo en si, difiere mucho de los anteriormente
considerados. En estos el universo se veía bajo la imposición y acción de un
agente externo. No hay ninguna razón dinámica que impida extrapolar el
movimiento de los cuerpos en el sistema solar al pasado, hasta más allá de los
4.004 años antes del nacimiento de Cristo, la fecha de la creación del universo
según el libro del Génesis. Por tanto, si el universo comenzase en esa fecha, se
requeriría la intervención directa de Dios. Sin embargo, el Big Bang es un
comienzo que viene requerido por las leyes de la dinámica que gobiernan el
universo. Es, por ello, algo intrínseco al universo, y no viene impuesto desde
el exterior.
Pese
a que las leyes de la ciencia parecían predecir que el universo tuvo un
comienzo, también parecían predecir que no pueden determinar como comenzó el
universo. Esto era obviamente muy insatisfactorio. Por lo tanto hubo una serie
de intentos de dar un rodeo a la conclusión de que hubo una singularidad de
densidad infinita en el pasado. Una propuesta fue modificar la ley de la
gravitación, de tal manera que se volviera repulsiva. Esto podía llevar a que
la gráfica de la separación entre dos galaxias sea una curva que se aproxima a
cero, pero que no pasa de hecho por él, en ningún tiempo finito del pasado. En
lugar de eso, la idea era que según las galaxias se separaban, se creaban
nuevas galaxias en medio a partir de la materia que se suponía que era creada
continuamente. Esta era la teoría del “Estado Estable” (Steady State),
propuesta por Bondi, Gold, y Hoyle.
La
teoría del “Estado Estable”, era lo que Karl Popper llamaría una buena teoría
científica: hacia predicciones definidas, que se podían comprobar mediante una
observación, y era posible falsificarlas. Desafortunadamente para la teoría,
fueron falsificadas. El primer problema apareció con las observaciones de
Cambridge sobre el numero de fuentes de ondas de radio de diferentes potencias.
En media, uno esperaría que las fuentes más débiles fueran a su vez las más
distantes. Además uno esperaría también que fueran más numerosas que las
fuentes brillantes, que tienden a estar cerca nuestra. Sin embargo, la gráfica
del número de fuentes de ondas de radio con respecto a su fuerza crecía de
manera mucho más accidentada en las fuentes de baja potencia de lo que predecía
la teoría del “Estado Estable”.
Hubo
intentos de explicar las cifras de esta gráfica, recurriendo a que algunas de
las fuentes más débiles de ondas de radio estaban en nuestra propia galaxia, y
por lo tanto no nos decían nada sobre cosmología. Este argumento no aguantó las
observaciones posteriores. Pero el golpe definitivo que envió a la teoría del
“Estado Estable” a la tumba ocurrió con el descubrimiento de la radiación de
microondas de fondo, en 1965. Esta radiación es la misma en todas las
direcciones. Ésta tiene el espectro de radiación en un equilibrio termal de 2
coma 7 grados sobre el Cero Absoluto. No hay ninguna manera de explicar esta
radiación en la teoría del “Estado Estable”.
Otro
intento de evitar un comienzo del tiempo, fue la sugerencia de que quizás todas
las galaxias no se encontraban en un único punto en el pasado. Aunque en media
las galaxias se alejan unas de otras con una tasa constante, también tienen
pequeñas velocidades adicionales, relativas a la expansión uniforme. Estas
llamadas “velocidades peculiares” (peculiar velocities) de las galaxias podían
direccionarse lateralmente a la expansión principal. Se argumentó que si se
dibujaba la posición de las galaxias atrás en el tiempo, las “velocidades
peculiares” laterales habrían provocado que las galaxias no se encontraran
todas juntas. En lugar de eso, debería haber una fase previa de contracción del
universo en la cual las galaxias se moverían unas hacia las otras. Las
velocidades laterales provocarían que las galaxias no chocaran, pero que se
precipitaran a pasar unas al lado de otras y que entonces comenzaran a
separarse. Esto no habría provocado ninguna singularidad de densidad infinita,
ni ninguna rotura de las leyes de la física. Por lo tanto no habría necesidad
de que el universo tuviera un comienzo, y que el tiempo en si mismo tuviera un
principio. De hecho, uno debería suponer que el universo habría oscilado, a
pesar de que no se podría solucionar el problema de la Segunda Ley de la
Termodinámica: se esperaría que el universo se iría desordenando cada vez más
con cada oscilación. Es por consiguiente difícil ver como el universo podría
haber estado oscilando durante un tiempo infinito.
Esta
posibilidad de que las galaxias se hubieran esquivado las unas a las otras fue
sostenida por dos rusos. Argumentaban que no habría singularidades en una
solución en el campo de las ecuaciones de la relatividad general que fuera
totalmente general, en el sentido de que no tuviera ninguna simetría exacta. De
cualquier manera su argumento se probó que era erróneo utilizando unas serie de
teoremas de Roger Penrose y míos. Estos demostraban que la relatividad general
predecía singularidades, siempre que estuviera presente al menos una cantidad
de masa determinada en una región. Los primeros teoremas estaban diseñados para
demostrar que el tiempo llega a un final, dentro de un agujero negro, formado
por el colapso de una estrella. No obstante, la expansión del universo es como
darle la vuelta en el tiempo al colapso de una estrella. Por consiguiente
quiero mostrarles que la evidencia de las observaciones indica que el universo
tiene suficiente materia como para que sea como el colapso de una estrella,
pero al revés, y que por tanto contenga una singularidad.
Para
discutir las observaciones en cosmología estamos mirando atrás en el tiempo,
porque la luz debió partir de los objetos lejanos hace mucho tiempo para llegar
a nosotros en el presente. Esto significa que los eventos que observamos se
encuentran en lo que se llama nuestro “cono de luz pasada”. El vértice del cono
se encuentra en nuestra posición, en el tiempo presente. Conforme uno se
desplaza hacia atrás en el diagrama temporal, el cono de luz se expande a
distancias cada vez mayores, y su área se incrementa. En cambio, si hay
suficiente materia en nuestro “cono de luz pasada”, ésta curvaría los rayos de
luz unos contra otros. Esto significaría que tal como uno se dirige hacia atrás
en el pasado, el área de nuestro “cono de luz pasada” alcanzaría un máximo para
posteriormente comenzar a disminuir. Este enfoque de nuestro “cono de luz
pasada”, provocado por el efecto gravitatorio de la materia en el universo es
la señal de que el universo es dentro de su horizonte, como un agujero negro
invertido en el tiempo. Si se puede determinar que existe suficiente materia en
el universo para enfocar nuestro “cono de luz pasada”, entonces se pueden
aplicar los teoremas de las singularidades para demostrar que el tiempo debió
tener un comienzo.
¿Cómo
podemos decir a partir de las observaciones, si hay suficiente materia en
nuestro cono de luz pasado, para poder enfocarlo? Podemos observar un cierto
número de galaxias, pero no podemos medir directamente cuánta materia
contienen. Ni estamos seguro de que cualquier línea de visión que parta de
nosotros pase a través de una galaxia. Así que daré un argumento diferente,
para mostrar que el universo contiene suficiente materia para enfocar nuestro
cono de luz pasado. El argumento se basa en el espectro de la radiación de
fondo de microondas. Este es característico de una radiación que ha estado en
equilibrio térmico, con materia a igual temperatura. Para alcanzar tal
equilibrio, es necesario que la radiación sea dispersada muchas veces por la
materia. Por ejemplo, la luz que recibimos del Sol tiene un espectro térmico
característico. Este no es debido a las reacciones nucleares que tienen lugar
en el centro del Sol, que también producen radiación con espectro térmico. Más
bien, se debe a que la radiación ha sido dispersada, por la materia del Sol,
muchas veces en su camino desde el centro.
En
el caso del universo, el hecho de que el fondo de microondas tenga exactamente
ese espectro térmico indica que debe de haber sido dispersada en muchas
ocasiones. El universo debe por consiguiente contener suficiente materia para
hacerlo opaco en cualquier dirección en que nosotros miremos, puesto que el
fondo de microondas es el mismo en cualquier dirección en que miremos. Más aún,
esta opacidad debe ocurrir a una gran distancia de nosotros, dado que podemos
ver galaxias y quásares a grandes distancias. Por tanto ha de haber mucha
materia a gran distancia de nosotros. La mayor opacidad sobre una amplia banda
de ondas, para una densidad dada, proviene del hidrógeno ionizado. Se sigue por
tanto que si hay suficiente materia para hacer el universo opaco, debe ser
suficiente también para enfocar nuestro cono de luz pasado. Podemos aplicar el
teorema de Penrose y mío, para mostrar que el tiempo ha de tener un comienzo.
El
enfoque de nuestro cono de luz pasado implica que el tiempo debe de tener un
inicio, siempre que la Teoría General de la Relatividad sea correcta. Pero
tenemos que plantear la cuestión de si la Teoría General de la Relatividad es
correcta. Ciertamente concuerda con todas la pruebas observacionales que se han
llevado a cabo. Sin embargo éstas prueban la Relatividad General sólo sobre
distancias suficientemente grandes. Sabemos que la Relatividad General no es
correcta para distancias muy cortas, porque se trata de una teoría clásica. Es
decir, no tiene en cuenta el Principio de la Indeterminación de la Mecánica
Cuántica, que dice que un objeto no puede tener a la vez una posición bien
definida y una velocidad bien definida: cuanto más precisión se tenga al medir
la posición, menos precisión se tendrá al medir la velocidad, y viceversa. Por
lo tanto, para comprender el estado de muy alta densidad, cuando el universo
era muy pequeño, se necesita una teoría cuántica de la gravedad, que combine la
Relatividad General con el Principio de Incertidumbre.
Mucha
gente esperaba que los efectos cuánticos pudieran de alguna manera corregir la
singularidad de la densidad infinita, y permitir que el universo rebotara,
continuando atrás hacia una fase contractiva previa. Esto podría ser algo mejor
que la idea anterior de galaxias perdiéndose entre sí, pero el rebote ocurriría
a una densidad mucho más elevada. Sin embargo, pienso que no es esto lo que
ocurre: los efectos cuánticos no eliminan la singularidad, y permiten que el
tiempo continúe hacia atrás indefinidamente. Pero parece que los efectos
cuánticos pueden eliminar la cuestión más objetable, la de las singularidades
en la clásica Relatividad General. Esto es que la teoría clásica no nos permite
calcular lo que podría ocurrir en una singularidad, puesto que las Leyes de la
Física se rompen allí. Esto podría significar que la ciencia no es capaz de
predecir cómo el universo puede haberse iniciado. En vez de eso, debemos
recurrir a un agente externo al universo. Este puede ser el motivo por el que
numerosos líderes religiosos se apresuraron en aceptar el Big Bang y los
teoremas de las singularidades.
Parece
que la Teoría Cuántica, por otro lado, permite predecir cómo el universo puede
empezar. La Teoría Cuántica introduce una nueva idea, el tiempo imaginario. El
tiempo imaginario puede sonar a ciencia ficción, y nos recuerda al Doctor Who.
Pero a pesar de ello, se trata de un genuino concepto científico. Podemos
representarlo del siguiente modo. Pensemos en el tiempo ordinario, real, como
una línea horizontal. A la izquierda tenemos el pasado, a la derecha el futuro.
Pero existe otra clase de tiempo en la dirección vertical. Se le llama tiempo
imaginario porque no es la clase de tiempo que normalmente experimentamos. Pero
en cierto sentido es tan real como el que llamamos tiempo real.
Las
tres direcciones del espacio y la dirección adicional del tiempo imaginario
forman lo que se denomina espacio-tiempo euclidiano. No creo que haya nadie
capaz de dibujar una curva espacial de cuatro dimensiones. Pero no es demasiado
difícil imaginar una superficie de dos dimensiones, como una silla de montar o
la superficie de un balón de fútbol.
De
hecho, James Hartle de la Universidad de Santa Barbara, California, y yo hemos
propuesto que el espacio y el tiempo imaginario en su conjunto, son sin duda
finitos en extensión, pero sin límites. Son como la superficie de la Tierra,
pero con dos dimensiones más. La superficie terrestre es finita en extensión,
pero no tiene límites ni fronteras. Yo he dado la vuelta al mundo, y no me he
caído por el borde.
Si
el espacio y el tiempo imaginario son de hecho como la superficie de la Tierra,
no podría haber ninguna singularidad en la dirección del tiempo imaginario, ya
que entonces las leyes de la física se romperían. Y no habría ninguna frontera
al espacio- tiempo, tal como no hay fronteras para la superficie de la Tierra.
Esta ausencia de fronteras indica que las leyes de la física determinarían el
estado del universo de manera unívoca, en el tiempo imaginario. Pero si se
conoce el estado del universo en el tiempo imaginario, se puede calcular el
estado del universo en el tiempo real. Se esperaría por tanto algún tipo de
singularidad del Big Bang en el tiempo real. Por lo tanto el tiempo real
tendría un comienzo. Pero no se tendría que apelar a algo que esté fuera del
universo para determinar como comenzó el universo. Al contrario, la manera en
la cual el universo comenzó con el Big Bang estaría determinada por el estado
del universo en el tiempo imaginario. Y por tanto, el universo sería un sistema
completamente auto contenido. No estaría determinado por nada fuera del
universo físico, que nosotros observamos.
La
condición de no frontera es el enunciado que mantienen las leyes de la física
en todas partes. Claramente es algo que a uno le gustaría creer, pero es solo
una hipótesis. Se debe probar, comparando con el estado del universo que
predeciría, con las observaciones de como es de hecho el universo. Si las
observaciones discreparan con las predicciones de la hipótesis de no frontera,
tendríamos que concluir que la hipótesis era falsa. Tendría que haber algo
fuera del universo que diera cuerda al mecanismo de relojería, y que pusiera el
universo a funcionar. Por supuesto, incluso si las observaciones concuerdan con
las predicciones, eso no prueba que la proposición de no frontera sea correcta.
Pero la confianza depositada en ella se incrementaría, en concreto porque no
parece haber otra propuesta natural para el estado cuántico del universo.
La
propuesta de no frontera predice que el universo debería empezar en un punto
único, como si fuera el Polo Norte de la Tierra. Pero ese punto no tiene por
que ser una singularidad, como el Big Bang. Al contrario, podría ser un punto
ordinario del espacio y del tiempo, tal como el Polo Norte es un punto
ordinario en la Tierra, o al menos tal y como me han contado. Yo no lo he visto
en persona.
De
acuerdo con la proposición de no frontera, el universo se habría expandido de
manera suave desde un punto inicial. Conforme se expandía, habría tomado
prestada energía del campo gravitatorio para crear materia. Tal como cualquier
economista habrá predicho, el resultado de dichos prestamos, fue la inflación.
El universo se expandía y cogía prestada energía incluso a una tasa creciente.
Afortunadamente, la deuda de energía gravitacional no tendría que ser devuelta
hasta el final del universo.
Eventualmente,
el periodo de inflación podría haber acabado, y el universo se habría
establecido en un estado de crecimiento o expansión más moderado. Aún así, la
inflación habría dejado su marca en el universo. El universo podría haber sido
suave casi por completo, pero con pequeñísimas irregularidades. Estas
irregularidades son tan pequeñas, solo una parte de cada cien mil, que han sido
buscadas durante años en vano. Pero en 1992, el satélite de Exploración del
Fondo Cósmico (Cosmic Background Explorer), COBE, encontró dichas
irregularidades en la radiación de fondo de microondas. Fue un momento
histórico. Vimos hacia atrás el comienzo del universo. La forma de las
fluctuaciones en el fondo de microondas concordaban estrechamente con las
predicciones de la proposición de no frontera. Estas pequeñísimas
irregularidades en el universo habrían causado que algunas regiones se hubieran
expandido menos rápido que otras. Eventualmente, habrían cesado su expansión, y
se habrían colapsado en ellas mismas, para formar estrellas y galaxias. Por
tanto, la proposición de no frontera puede explicar la rica y variada
estructura del mundo en el que vivimos. ¿Que es lo que predice la proposición
de no frontera para el futuro?. Ya que requiere que el universo sea finito tanto
en el espacio, como en el tiempo imaginario, implica que el universo se
re-colapsará eventualmente. A pesar de todo, no se re-colapsará en mucho
tiempo, mucho más tiempo que los 15 miles de millones de años que se ha estado
expandiendo. Por tanto aún tienen tiempo de vender sus bonos del tesoro antes
de que el final del universo esté cerca. En que vas a invertir entonces, no se.
Originariamente,
pensaba que el colapso sería el reverso del tiempo de la expansión. Esto habría
significado que la flecha del tiempo habría apuntado en el sentido contrario en
la fase de contracción. La gente se habría hecho más joven conforme el universo
se hubiera hecho más pequeño. Eventualmente la gente habría desaparecido en la
matriz materna.
Sin
embargo ahora me doy cuenta de que estaba equivocado, tal y como estas
soluciones demuestran. El colapso no es el reverso del tiempo de la expansión.
La expansión comenzará con una fase de inflación, pero el colapso no acabará en
general con una fase anti-inflación. Lo que es más, las pequeñas discordancias
de la densidad uniforme continuarán creciendo en la fase de contracción. El
universo se volverá más y más grumoso e irregular conforme se haga más pequeño,
y el desorden se incrementará. Esto significa que aquella flecha del tiempo no
se invertirá. La gente continuará haciéndose vieja, incluso después de que el
universo haya comenzado a contraerse. Por lo tanto no es bueno esperar hasta
que el universo se re-colapse para volver a la juventud. Estarías un poco en el
pasado, de cualquier manera, para entonces.
La
conclusión de esta conferencia es que el universo no ha existido desde siempre.
Lo que es más, el universo, y el tiempo en sí mismo, tuvieron un comienzo en el
Big Bang, hace más o menos 15 mil millones de años. El comienzo del tiempo real
podría haber sido una singularidad, en la cual las leyes de la física podrían
haberse roto, si el universo satisficiera la condición de no frontera. Esto
quiere decir que en la dirección del tiempo imaginario, el espacio-tiempo es
finito en extensión, pero no tiene ninguna frontera o borde. Las predicciones
de la proposición de no frontera parecen concordar con las observaciones. La
hipótesis de no frontera también predice que el universo se colapsará otra vez
de manera eventual. Sin embargo, la fase de contracción no tendrá una flecha
del tiempo opuesta a la fase de expansión. Por lo tanto continuaremos
haciéndonos viejos, y no volveremos a nuestra juventud. Y porque el tiempo no
va a volver hacia atrás, creo que mejor paro ya.
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