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Física, Grandes científicos

«Stephen Hawking ha dejado abiertos grandes problemas que aún no sabemos cómo resolver»

Enrique F. Borja reivindica en la Fundación Cañada Blanch al teórico británico y analiza los estudios por los que se le considera uno de los físicos más relevantes

“Stephen Hawking ha sido una figura ciertamente mediática por su condición física y sus problemas de salud, que lo han convertido en un icono del siglo XX, además de por el gran impacto que tuvieron sus obras de divulgación como “Breve historia del tiempo”, “El universo, una cáscara de nuez” o “La teoría del todo”, pero a mí me interesa más reivindicar su figura como un pensador de la física, porque estamos ante un científico de primera línea que ha hecho grandes contribuciones a la ciencia y ha dejado abiertos problemas muy importantes que aún no sabemos cómo resolver”. Con estas palabras, el físico y divulgador científico Enrique F. Borja reivindicó en la Fundación Cañada Blanch la figura del científico británico desaparecido el pasado marzo.

 Enrique F. Borja (Madrid, 1978), —doctor en Física Teórica por la Universitat de València y actual docente e investigador en la Universidad de Córdoba— en un momento de la conferencia en la fundación Cañada Blanch.


El legado científico de Stephen Hawking (1942-2018) fue el eje central de la conferencia “Las cinco aportaciones geniales de Hawking a la Física” con la que  Enrique F. Borja (Madrid, 1978), —doctor en Física Teórica por la Universitat de València y actual docente e investigador en la Universidad de Córdoba— intervino en el décimo ciclo “ConecTalks” de divulgación científica. El ciclo, dirigido por el catedrático de Astronomía y Astrofísica de la Universitat de València, Vicent Martínez, en el que colabora el Institut de Ciències Fisico-naturals de la Institució Alfons el Magnànim, forma parte del programa de actividades de la Cátedra de Divulgación de la Ciencia establecida entre la Fundación Cañada Blanch y la Universitat.

A Hawking se le considera como uno de los salvadores de la teoría de la relatividad general propuesta por Einstein como teoría de la gravedad, que señalaba que ésta no era más que la curvatura del espacio-tiempo que responde al contenido de energía y de los flujos de energía que hay en un determinado espacio, un espacio-tiempo como nuestro universo, indicó el profesor Borja, una idea que supuso “un cambio radical fundamental en nuestra forma de entender la gravedad, ya que hasta entonces se creía que actuaba como una fuerza, aunque no se tenía muy clara su naturaleza, pero Einstein cambió ese modo de ver”.

Las singularidades en el espacio-tiempo

Pero la teoría que Einstein propuso en 1915 era demasiado compleja y matemática, al resultar las ecuaciones muy difíciles de resolver. Además, en algunas situaciones, especialmente cuando se estudió cómo sería el espacio-tiempo alrededor de una estrella totalmente esférica, o cuando se aplicaron las ecuaciones de la relatividad general para entender el propio universo, “mostraban –resaltó el divulgador científico- que existían unos puntos denominados singularidades donde la teoría dejaba de tener sentido, unos puntos en los que la teoría venía a decirte: ‘hasta aquí he llegado y no puedo darte más respuestas sobre lo que está pasando’”.

Ello supuso un shock para los físicos, incluido Einstein, quien no solo negó que esos puntos singulares pudieran existir, “sino que debería haber procesos físicos que impidieran su aparición en el origen del universo, en donde todos sus puntos se habían acercado tanto que podía imaginarse que todo estaba contenido en un punto o bien en los agujeros negros”, señaló Enrique F. Borja. “Los agujeros negros –añadió- se producen cuando una estrella deja de tener combustible nuclear para producir fusión, se enfría y pierde la capacidad de mantener una presión hacia afuera y, si eso ocurre y la estrella tiene una masa suficientemente grande, la gravedad provoca que toda la masa de la estrella caiga hacia un punto y se forme lo que llamamos un agujero negro”. “Por tanto, -aseveró-, en el interior de los agujeros negros también existía una singularidad, algo que en los años 60 y 70 del pasado siglo se consideraba un artificio de la teoría y que en realidad no podía ocurrir porque la naturaleza seguramente contaba con otros mecanismos que impedían la aparición de singularidades”.

Stephen Hawking revolucionó la física teórica. GETTY

Fueron los trabajos de Hawking, junto con los de Roger Penrose y Robert Gero, los que demostraron que cualquier teoría de la gravedad que se basara en la geometría del espacio-tiempo en condiciones muy generales contendría esos puntos singulares. Ellos, en cierto modo, rescataron la teoría de Einstein, “que pasó de ser considerada un paradigma matemático a algo que podía estudiarse, ya que las técnicas matemáticas que introdujeron no requerían resolver las ecuaciones de la relatividad general, sino que eran ideas muy generales sobre cómo se comportaban los rayos de luz o las partículas al moverse por un determinado espacio”, afirmó Borja. Por tanto, se puede considerar que Hawking, junto con otros físicos, demostró fehacientemente la existencia de las singularidades en el espacio-tiempo y que, por tanto, la teoría de la relatividad general predecía su propio límite.

Los agujeros negros y la entropía

Tras estos trabajos iniciales realizados alrededor de 1970, Hawking desarrolló toda la teoría matemática formal sobre los agujeros negros, a los que atribuyó ciertas propiedades muy interesantes como sus características sobre su masa, carga y momento angular. Además, demostró que un agujero negro es una región del espacio-tiempo en la que existe una superficie llamada horizonte a partir de la cual si entras ya no puedes salir.

“Si algo cruza el horizonte del agujero negro ya no podrá salir de él, porque necesitaría moverse hacia el exterior a una velocidad superior a la de la luz y eso está prohibido por la propia relatividad”, explicó el investigador de la Universidad de Córdoba, para a continuación exponer cómo Hawking demostró las propiedades de esos horizontes y, en concreto, “que el área de un horizonte de sucesos nunca podía decrecer con el tiempo, ya que hiciéramos lo que hiciéramos a un agujero negro, el área de su horizonte aumentaba o se quedaba igual, pero nunca decrecía”.

Fueron los trabajos de Hawking, junto con los de Roger Penrose y Robert Gero, los que demostraron que cualquier teoría de la gravedad que se basara en la geometría del espacio-tiempo en condiciones muy generales contendría esos puntos singulares.

Sobre la entropía, otra magnitud física que solo aumenta con el tiempo y no puede disminuir, se produjo otro gran avance gracias a la mente privilegiada de Howking. “Si la entropía mide si la energía de un sistema es aprovechable para producir trabajo útil, a entropías muy altas la energía estará como degenerada y no podrá ser aprovechada de manera útil”, expuso Enrique F. Borja. “Por tanto, añadió- si la entropía solo puede aumentar con el tiempo o quedarse igual, podía hacer pensar que los agujeros negros tenían entropía y que ésta iba medida con el área de su horizonte, porque el paralelismo era clarísimo: la entropía solo aumenta con el tiempo y el área del horizonte de un agujero negro solo aumenta con el tiempo”.

Sin embargo, según la termodinámica y el electromagnetismo, cualquier cuerpo o sistema físico con entropía necesariamente ha de tener otra magnitud que es la temperatura, lo que supone un problema, ya que cualquier cosa que tenga temperatura emite radiación electromagnética. “Si los agujeros negros tienen entropía, han de emitir cosas según la teoría física, pero por definición un agujero negro es eso de lo que nada puede escapar, así que no estaba claro”, describió Borja. “Un problema que Hawking resolvió en 1975 al demostrar, utilizando las reglas de la física cuántica combinadas con las reglas de la relatividad, que los agujeros negros podían emitir, y de hecho eso es lo que hoy en día se conoce como ‘radiación Hawking’”, resaltó.

El cosmos y su época inflacionaria

Hawking contribuyó brillantemente, resaltó Borja, al estudio de la cosmología al demostrar que si el universo había pasado en su inicio por una fase muy rápida de expansión, la llamada época inflacionaria, en esa etapa se podrían haber producido alteraciones de densidad entre los distintos puntos. Algo que chocaría con las leyes de la gravedad y la relatividad general por las que hay que suponer que el universo es homogéneo e isótropo, es decir, que es lo mismo independientemente de la dirección en la que miremos.

Esas cualidades del universo de homogéneo e isótropo son ciertas a gran escala, tal como se han visto en la radiación cósmica de fondo, emitida por el universo trescientos mil años después de su origen, una radiación tan homogénea como una parte en cien mil, lo que quiere decir que existen una pequeñas variaciones, explicó.

Hawking contribuyó brillantemente, resaltó Borja, al estudio de la cosmología al demostrar que si el universo había pasado en su inicio por una fase muy rápida de expansión, la llamada época inflacionaria

“Cuando miramos la radiación cósmica de fondo podemos encontrar diferencias en las energías o en las temperaturas de esa radiación de una parte en diez mil a una parte en cien mil, y fue Hawking el que demostró que si miramos nuestro universo, no lo vemos homogéneo e isótropo, porque vemos una galaxia aquí, una estrella allí, en fin, que vemos grupos”, explicó Borja. “Si el universo hubiera sido inicialmente totalmente homogéneo -dijo- no tendría estructura, porque para ello unas partes deberían de haber sido más densas y poder atraer a otras formando acumulaciones que, con la evolución del universo, se convertirían en galaxias, mientras que las partes menos densas se irían vaciando”.

El origen del universo y el gran problema

Stephen Hawking fue el primero en considerar cómo sería el propio origen del universo, indicó. Junto con James Hartle (Baltimor, 1939) y Neil Turok (Johannesburgo, 1958), combinó las teorías de la relatividad con la de la mecánica cuántica y llegó a la conclusión de que “el universo podría haber surgido perfectamente de la nada, es decir, que es totalmente posible que un universo aparezca espontáneamente y comience a evolucionar tal y como lo hace el nuestro”, dijo Borja, “algo alucinante que da un poco de vértigo y que también consuela filosóficamente a la gente con creencias venidas a menos”.

Para concluir su intervención, el doctor en Física Teórica destacó que una de las mayores contribuciones de Hawking a la ciencia fue la llamada “paradoja de la pérdida de información de los agujeros negros”, a la que nadie ha sido capaz de encontrarle una solución pese a que la planteó en 1975. Borja expuso así el problema: “Si la mecánica cuántica nos dice que siempre podemos saber de dónde proviene un sistema físico, quememos un libro, en este caso un ejemplar de ‘El Quijote’. Según la física cuántica, si de la hoguera pudiéramos capturar toda la radiación electromagnética, todo el humo y toda la ceniza y aplicáramos a todo ello las ecuaciones de la cuántica y las hiciéramos evolucionar hacia atrás en el tiempo, podríamos afirmar que todo eso es ‘El Quijote’. Es decir, en la física cuántica la información se conserva”.

A continuación, planteó tirar el ejemplar de “El Quijote” a un agujero negro, éste se evaporaría por ’radiación Hawking’ y eventualmente desaparecería. “Lo que demostró Hawking es que si recogemos esa radiación no está claro si podríamos evolucionarla hacia atrás y asegurar que a ese agujero negro había caído ‘El Quijote’, lo que supone una merma en nuestro entendimiento de la física cuántica que dice que es obligatorio que sea posible”, afirmó Borja. “Si en los agujeros negros no ocurre eso –añadió- tenemos que volver a repensar todo lo que sabemos de física cuántica, al menos entre la relación entre la cuántica y la gravedad, y porqué la gravedad hace que la cuántica sea capaz de olvidar información”. Eso –concluyó- es un problema al que las mentes más brillantes del siglo XX y del actual están todavía intentando contestar”.

(Esta crónica fue publicada en la edición digital del diario Levante-EMV el 25-04-2018).


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