La paradoja de los agujeros negros y los descubrimientos que hicieron famoso a Stephen Hawking

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Conoce las paradojas de los agujeros negros y los hallazgos de Stephen Hawking

El último episodio de una apasionada disputa científica comenzó en 1981: por un lado Stephen Hawking, por otro lado el “quantum”. Una guía para entender dónde estamos.

¿Por qué es tan famoso Stephen Hawking? ¿Es suficiente definirlo físico, matemático, cosmólogo, astrofísico? Probablemente no: Hawking es un icono, como Albert Einstein, y la mayoría de la gente lo asocia automáticamente con los agujeros negros. He aquí el camino científico que hay detrás de esta asociación y una guía para entender el debate científico iniciado en los años 80 y sobre el que el propio Hawking publicó un nuevo capítulo a principios de 2016: es (dice Hawking) la solución a la paradoja de los agujeros negros.

I BUCHI NERI. A principios del siglo pasado, Albert Einstein formuló la teoría de la gravitación, que sustituyó (junto con, de hecho) a la de Isaac Newton. Para el científico inglés que vivió entre los siglos XVII y XVIII, este campo hace que la Tierra (por ejemplo) ejerza una “fuerza” sobre una manzana o la Luna que los atrae. Es un hecho normal: todos los cuerpos que poseen una masa ejercen esta fuerza.

Einstein piensa de manera diferente: la gravedad no es un campo sino una propiedad, es decir, una característica del espacio mismo. Él dice que todos los cuerpos masivos – todos, desde el Sol hasta un alfiler – se curvan el espacio alrededor de sí mismos. Para hacerse una idea de lo que significa, basta pensar en una pelota que descansa en un colchón: deforma la superficie sobre la que descansa y fluye. En este ejemplo, la deformación ocurre en dos dimensiones: en realidad, imaginada por primera vez por el científico alemán, la deformación del espacio se realiza en tres dimensiones. Un efecto un poco más difícil de visualizar.

La Relatividad General también hipotetiza que un objeto lo suficientemente grande, como una estrella masiva, puede colapsar sobre sí mismo para concentrarse en un punto de densidad infinita. Ese punto se llama singularidad.

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AGUJERO NEGRO POR EL CONTRARIO. La singularidad deforma tan fuertemente el espacio a su alrededor que ni siquiera la luz -si pasa lo suficientemente cerca de ella- puede escapar de ella. Y así hemos llegado a imaginar un agujero negro. Robert Oppenheimer, ya en 1939, lo entendió muy bien y lo describió en una obra muy importante.

Pero, ¿cómo se podía haber imaginado, entonces, un fenómeno así? Parecía más allá de cualquier posibilidad del Universo mismo. Sí, la teoría estaba ahí, pero la realidad tenía que ser diferente.

Así, la teoría languideció. Pero 20 años después, justo cuando Hawking está estudiando en la Universidad de Oxford, varios físicos están sacando a relucir los agujeros negros. Las obras más importantes son las de John Wheeler, en Estados Unidos (dará nombre a los agujeros negros), Roger Penrose, en el Reino Unido, y Yakov Zel’dovič, en la Unión Soviética. Hawking, que después de graduarse en física está haciendo un doctorado en Cambridge bajo la supervisión del cosmólogo Dennis Sciama, está literalmente hechizado por la agitación científica en torno a la Relatividad General y los Agujeros Negros.

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A pesar de las primeras manifestaciones de la esclerosis lateral amiotrófica, comenzó a profundizar la teoría del Big Bang, hoy casi comúnmente aceptada pero difícil de digerir. Hawking compara el Big Bang con un agujero negro al revés: en lugar de terminar todo en una singularidad, todo comienza con una singularidad. Y junto a Penrose, en 1970, publicó una obra que demuestra cómo el Universo nació de una singularidad.

ENTROPÍA Y AGUJEROS NEGROS.

Los agujeros negros son la pasión de Hawking: le gustaría entender y explicar… Se da cuenta de que un agujero negro sólo puede aumentar de tamaño, nunca encogerse. Hoy parecerá obvio, porque sabemos que todo lo que pasa cerca de un agujero negro termina dentro, pero entonces era un asunto totalmente diferente.

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Entiende que la masa de un agujero negro determina el tamaño del espacio que rodea la singularidad dentro de la cual nada puede salir. La frontera se llama el horizonte de los acontecimientos. Se da cuenta de que un agujero negro no puede “romperse”, ni siquiera en caso de colisión con otro agujero negro, y se acerca a la continua expansión del horizonte de los acontecimientos con otro concepto: la entropía, que mide el grado de desorden de un sistema. La entropía (el estado de equilibrio desordenado de un sistema) sólo puede aumentar, nunca disminuir: el Universo por lo tanto se vuelve más y más desordenado a medida que envejece.

Hawking enfatiza fuertemente cómo los dos fenómenos – la expansión del horizonte de los eventos y el crecimiento de la entropía – son extrañamente similares. ¿Qué los une?

Y LA RESPUESTA ENTRE LOS CIENTÍFICOS. ¿Y si fuera una coincidencia? La protesta fue hecha por un joven físico israelí, Jacob Bekenstein, que no vio ninguna conexión entre los agujeros negros y la entropía. Bekenstein planteó la hipótesis de que el tamaño del agujero negro no era más que una medida de la entropía del agujero negro en sí.

La respuesta de Hawking no tarda en llegar: si un objeto tiene entropía también debe tener una temperatura (índice del movimiento de los átomos que lo componen). Si tiene una temperatura también debe irradiar energía, pero… nada sale de un agujero negro.

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La diatriba Bekenstein-Hawking parecía haber terminado a favor del segundo. Pero cuando el científico inglés quiere demostrar que Bekestein está equivocado, descubre que el razonamiento del joven físico no es tan equivocado.

A esta conclusión se llega “trabajando” simultáneamente con la Relatividad general y la mecánica cuántica, algo que nadie había hecho antes. Quantum describe fenómenos infinitamente pequeños, a nivel de átomos y partículas, mientras que General Relativity describe fenómenos a escala cósmica. Las dos teorías parecen casi irreconciliables, aunque sólo sea porque la Relatividad teoriza un espacio liso y continuo como una hoja de papel, mientras que la teoría cuántica afirma que el Universo a escala microscópica es granuloso, dividido en infinitamente pequeños “terrones”, cuánticos.

DE LO VIRTUAL A LO REAL. Durante décadas los físicos han tratado (en vano) de unificar las dos teorías, lo que llevaría a una Teoría del Todo: a continuación, una breve introducción a una Teoría del Todo.

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