El legado de Stephen Hawking

Sáb, 17/03/2018 - 12:28

El 14 de marzo falleció uno de los científicos más influyentes del último medio siglo. Cuando Stephen Hawking empezó su tesis doctoral en la Universidad de Cambridge en 1962, la relatividad general y la cosmología estaban aún lejos de llegar a su madurez teórica y experimental. La teoría del Big Bang no se asentó hasta el  año 1964, con el descubrimiento del fondo cósmico de microondas por Arno Penzias y Robert Wilson. No fue hasta 1965 cuando Roger Penrose revolucionó las técnicas matemáticas en relatividad general y estableció la primera prueba de que los agujeros contienen singularidades. La búsqueda de agujeros negros no comenzó hasta 1966, con las propuestas de  Yakov Zel'dovich e Igor Novikov para detectar posibles señales en sistemas binarios. El nombre de "agujero negro" (black hole) no fue acuñado hasta 1967 por John Wheeler, con el propósito de visualizar el resultado de un colapso gravitatorio extremo: la producción de una región del espacio-tiempo donde incluso la luz queda atrapada y ninguna partícula puede escapar.

Ello no fue obstáculo para que el joven Stephen Hawking decidiera enfocar su tesis, con título Properties of expanding universes (1966), a la expansión del universo y al estudio de la singularidad del Big Bang. En los siguientes años y en colaboración con Penrose analizó también  las  singularidades que  encierran los agujeros negros. Establecieron claramente que las singularidades en agujeros negros y en cosmología son predicciones genéricas de la relatividad general. Por estos resultados ambos recibieron el Premio Wolf en 1988.

Pero la popularidad científica de Stephen Hawking llegó cuando, sorprendiendo a casi todos, mostró en su famoso artículo Particle creation by black holes (1975), que los agujeros negros de la relatividad general no son realmente negros, sino que emiten todo tipo de partículas elementales. Para llegar a este resultado asumió que los alrededores de la estrella que colapsa y forma el agujero negro se rigen por la teoría cuántica de campos, adaptada a la presencia de gravitación. Esta adaptación fue formulada en  la tesis doctoral de Leonard Parker, con título The creation of particles  by  the expanding universe, y presentada también en 1966. Extendiendo los métodos de cosmología a los agujeros negros, Hawking mostró que éstos  emiten radiación térmica  con una temperatura característica que es inversamente proporcional, en ausencia de rotación, a la masa del agujero negro. También consiguió asignar una entropía a los  agujero negros, corroborando las ideas previas más especulativas de Jacob Bekenstein. De esta forma Hawking estableció una sólida conexión entre relatividad general, física cuántica y termodinámica. La belleza de su cálculo y la elegancia de la consistencia de la termodinámica en presencia de agujeros negros fue apabullante. 

Aunque la temperatura de los agujeros negros astrofísicos es muy pequeña y está lejos de poder ser detectada, las profundas  implicaciones teóricas  de este resultado  pronto empezaron a emerger. La teoría cuántica es un ingrediente esencial para mostrar que los agujeros negros emiten partículas, pero como una especie de boomerang la predicción se vuelve contra la propia teoría cuántica. Como razonó Hawking poco tiempo después, si un agujero negro emite radiación térmica y termina evaporándose, la información contenida en la materia que ha colapsado desaparecería, ya que no tiene cabida en un espectro puramente térmico. Esto viola uno de los principios básicos de la mecánica cuántica, la unitariedad de la evolución temporal. Esta famosa paradoja, denominada la paradoja de la pérdida de información, ha tenido y tiene una gran influencia en muchos campos de la física.

A principios de los años 80, con la introducción en cosmología de la teoría de la inflación por Alan Guth, Hawking vuelve a estudiar el origen del Universo. La inflación permite soslayar varios problemas de la teoría del Big Bang, por ejemplo,  ¿por qué la temperatura de  la  radiación de fondo es tan independiente de la dirección en la que se observe? La teoría de la inflación da una respuesta muy sencilla y convincente a esta pregunta. Basta suponer que en una época muy temprana del universo  se expandió de manera rapidísima, en un lapso de tiempo muy pequeño. Gracias también a esta rápida expansión el universo se aplanaría. Luego vendría el Big Bang caliente, la formación de la radiación cósmica de fondo, el posterior enfriamiento, y la lenta, aunque acelerada, expansión actual, 13.800 millones de años después. Hawking y Viacheslav Mukhanov mostraron, de manera independiente, usando la teoría cuántica de campos adaptada a la presencia de gravitación, que las fluctuaciones cuánticas del vacío son amplificadas durante la inflación cósmica. Estas fluctuaciones se transforman en perturbaciones que son las responsables últimas de las inhomogeneidades del fondo cósmico de microondas, que fueron detectadas por primera vez por el satélite COBE (1992) y con más precisión por el satélite PLANCK (2013). También son responsables de las variaciones de densidad del universo primitivo que han generado la diversidad de estructuras (galaxias, cúmulos, estrellas, planetas, etc) de nuestro universo actual. La idea de que en el fondo todo es consecuencia de fluctuaciones cuánticas constituye una de las ideas más atractivas de la física contemporánea, y mucho le debe también a Stephen Hawking. 

José Navarro Salas es catedrático de universidad en el Departamento de Física Teórica de la Universitat de València e investigador del Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV). Su investigación se centra en los aspectos cuánticos de la gravitación.