Cada 14 de marzo conmemoramos el fallecimiento de Stephen Hawking. En su página web, que ha sido sustituida , se autodenominaba «cosmólogo, viajero espacial y héroe». Verdaderamente, fue todo eso. Expresaba su dedicación al estudio de las leyes fundamentales que rigen el universo y compartía sus tres principales hallazgos.
Sintetizaremos aquí los tres principales hallazgos de Hawking y exploraremos cuatro preguntas fundamentales que abordó: ¿Cuál es el origen del tiempo y el espacio? ¿Cuál es su destino? ¿Es el universo finito? ¿Cuál es el futuro de la humanidad en él?
Basado en Einstein
El trabajo de Hawking se inicia a partir de la sobresaliente teoría cosmológica de Albert Einstein , la Relatividad General . Una visión revolucionaria del tiempo y el espacio (o espacio-tiempo), cimentada en el principio de equivalencia de las fuerzas. Este principio se gesta en un momento «Eureka»: una caída libre imaginada por Einstein desde lo alto del tejado de su casa.
Gracias a su aguda lógica, respaldada por principios aparentemente simples, se derivó una ley única para el cosmos, basada en las ecuaciones relativistas de campo. Estas ecuaciones, siguiendo el principio cosmológico, ofrecen una única solución para nuestro universo: la de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker.
Este resultado es extraordinario: ¡una sola ecuación y solución posible para el universo!
Partiendo de este punto, Hawking avanzó aún más, desarrollando teoremas notables sobre singularidades (Hawking-Penrose) y explorando la termodinámica del espacio-tiempo (Bekenstein-Hawking). Gracias a estos avances, pudo abordar preguntas fundamentales de manera exitosa.
¿Dónde se originan el tiempo y el espacio?
Aplicando la teoría de Einstein, Hawking llegó a la conclusión de que nuestro universo tuvo un principio en el pasado, un origen definido. Este hallazgo marcó su primer gran descubrimiento. Los teoremas de singularidad de Hawking-Penrose indican que el espacio-tiempo tuvo inicio en una singularidad: la del Big Bang .
Al retroceder en el tiempo utilizando las ecuaciones de la teoría y considerando las condiciones que existían en el universo primitivo (las cuales se recrean, en parte, en grandes laboratorios como el CERN), se demuestra esta premisa.
Sin embargo, llega un punto en el que el tiempo y el espacio desaparecen: ya no es posible retroceder más hacia el pasado. Es en este punto donde se encuentra el origen del universo. Esta analogía puede compararse con la búsqueda de las fuentes del Nilo, realizada por Livingstone, en la cual se busca el lugar exacto donde nace el río.
¿Y en dónde terminan?
El espacio-tiempo llega a su fin en cada uno de los agujeros negros que se forman constantemente en el cosmos. Estos agujeros negros representan otras singularidades que emergen de los teoremas de Hawking-Penrose. Son como sumideros donde el tiempo y el espacio desaparecen de manera irreversible.
Estos hallazgos condujeron a la necesidad de cuantizar la gravedad para poder validarlos en escalas extremadamente pequeñas. Solo mediante este proceso podrían considerarse conclusiones definitivas y no simplemente aproximaciones clásicas de la realidad. En otras palabras, era imperativo combinar la Relatividad General de Einstein con la Física Cuántica: las dos grandes teorías del siglo XX.
Un paso inicial en esta dirección lo dio el propio Hawking con su segundo gran hallazgo: la radiación de Hawking.
Todo agujero negro de Schwarzschild, con una masa M, emite radiación electromagnética de manera similar a un cuerpo negro perfecto a una temperatura: T = ℏc³/8πGMk.
Esta fórmula es verdaderamente sorprendente, ya que combina las constantes fundamentales más importantes de la naturaleza: la constante de Planck, ℏ (que proviene de la física cuántica); la velocidad de la luz, c (de la física relativista); la constante de gravitación universal, G (de la física newtoniana); la constante de Boltzmann, k (de la termodinámica); y el número π (de las matemáticas).
Todas las teorías físicas principales convergen en una simple fórmula. Es una sinfonía universal de una belleza excepcional.
Con esta contribución, Hawking abrió nuevas sendas que aún no han sido completamente exploradas. Una de ellas es la ruta hacia la cuantización de la gravedad. La otra, hacia la emergente teoría de la información cuántica y sus fascinantes paradojas cósmicas.
¿Nuestro universo es finito?
Durante muchos siglos, la cuestión sobre el origen del universo ha intrigado a la humanidad. En un principio, se creía que el universo era eterno, infinito tanto en espacio como en tiempo. Sin embargo, esta creencia cambió en varias ocasiones a lo largo del tiempo.
Fue entonces cuando Hawking y Hartle presentaron un concepto revolucionario: si al principio el tiempo fuese imaginario, entonces el universo no tendría límites ni fronteras. Sería finito pero ilimitado, y no habría una singularidad inicial. De esta manera, la manera en que se originó estaría determinada por las leyes fundamentales de la física.
Este hallazgo marcó su tercer gran descubrimiento: la conjetura de Hartle-Hawking sobre un universo que, de alguna manera, se sostiene por sí mismo.
¿Cuál es el destino de la humanidad en el universo?
En los últimos años de su vida, Hawking dedicó su atención al análisis de los desafíos más graves que enfrentamos como especie. Llegó a la conclusión de que estos problemas podrían representar una amenaza letal para la humanidad si no se resuelven en los próximos cien años.
A pesar de esto, Hawking mantenía un optimismo cautivador. Predijo que, para ese entonces, habríamos establecido colonias autosostenibles fuera de la Tierra. Además, creía firmemente que los avances en inteligencia, tanto humana como artificial, habrían encontrado soluciones para los numerosos problemas que actualmente nos acechan. Con esta visión, Hawking abría un horizonte nuevo, lleno de siglos de esperanza.
El último consejo de Hawking a los jóvenes científicos, que siempre fueron su audiencia preferida, fue que mantuvieran viva esa sensación maravillosa al contemplar nuestro vasto y complejo universo:
No hay nada comparable a experimentar un momento Eureka, a descubrir por primera vez algo que nadie sabía.
Hasta que el universo se desvanezca o los humanos desaparezcamos, los extraordinarios descubrimientos legados por Stephen Hawking, como su hermosa fórmula, grabada ahora en su lápida, seguirán generando nuevos conocimientos. En este singular espacio-tiempo en el que hoy, seis años después de su muerte, lo recordamos.