El universo en una cáscara de nuez, de Stephen Hawking

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“El universo en una cáscara de nuez” es un libro escrito por Stephen Hawking, titular de la cátedra Lucasiana de Matemáticas que ocupó Sir Isaac Newton en la Universidad de Cambridge. Se le conoce internacionalmente como el físico teórico más brillante después de Einstein.

En “El universo en una cáscara de nuez”, Hawking se refiere a los temas más contemporáneos de la física moderna, dando primero a entender la historia de la misma.

Todo comienza con una “Breve historia de la relatividad”, en la que habla de Albert Einstein (físico alemán del siglo XX, uno de los grandes genios de la historia de la humanidad que revolucionó nuestra forma de ver y entender el universo). Desde este primer capítulo, Hawking confiesa el evidente deseo de la humanidad por hallar la Teoría del Todo, una teoría tan vasta y compleja que nos permita comprender el comportamiento de todo lo que nos rodea.

A finales del siglo XIX los físicos creían estar cerca de una comprensión completa del universo, pero con el paso de los años fueron cada vez más evidentes los errores que ensombrecían la Física Clásica (que es la que, normalmente, se estudia en los grados superiores de algunos colegios y en los primeros semestres de carreras universitarias relacionadas con la matemática, la ciencia y la ingeniería), errores que mostraban el hecho de que no era posible predecir ni analizar con precisión el comportamiento de los objetos del universo a escalas muy pequeñas.

Pero este no era en realidad el único problema de la física clásica.

A continuación enumeraré algunas de las suposiciones básicas de la física clásica que, con el tiempo, pudieron ser falseadas:

1. El universo es invariable con respecto al tiempo, es decir, estático.

2. El tiempo y el espacio son dos cosas que no se encuentran intrínsecamente relacionadas la una con la otra.

3. El universo es infinitamente viejo y no tendrá fin.

4. El tiempo es único e invariable en todo el universo.

En los primeros años del siglo XX todas y cada una de estas suposiciones fueron refutadas con pruebas de tal magnitud, que la física tuvo que verse sometida a un cambio dramático.

Einstein fue una pieza clave en este cambio, pues formuló la teoría de la relatividad (primero la especial, luego la general), en la que propuso, básicamente, que el tiempo es relativo, es decir, no es único en todo el universo, no todos los relojes deben marcar el mismo tiempo.

Einstein también propuso la idea de que las leyes de la naturaleza debían ser las mismas en todo el universo, iguales para todos los observadores. Y que la velocidad de la luz es independiente del movimiento del observador y tiene el mismo valor en todas las direcciones.

Y como si nada de esto fuera suficiente, descubrió la relación entre masa y energía, en su famosa ecuación:

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Donde E representa la energía total de un cuerpo o partícula, m representa su masa y c la velocidad de la luz.

Esta fórmula predijo las bombas nucleares y dio paso al Proyecto Manhattan…y eventualmente ocasionó la destrucción de Hiroshima y Nagasaki en el año 1945, el último año de la Segunda Guerra Mundial.

Ese, queridos lectores, es el poder la Física (en este caso, de una ecuación), tan destructiva o constructiva como la especie humana lo desee.

Einstein halló una manera de conciliar su Teoría de la Relatividad General con la Física Clásica, logrando relacionar el espacio con el tiempo de una manera tal que ahora eran una sola cosa que denominó “espacio-tiempo”, el cual se deformaba debido a la masa de los cuerpos celestes, lo cual ocasionaba la gravedad. ¡Brillante!, ahora la gravedad no era la punta de lanza de la física teórica, pues la relatividad general había logrado explicar su causa, transformándose así en la teoría más completa hasta el momento.

La teoría de la relatividad general desmintió entonces las bases de la Física Clásica, prediciendo además (a partir de las fórmulas matemáticas que la definían) que el universo debía haber tenido un principio, pues las soluciones de las ecuaciones de Einstein presentaban una singularidad.

Los astrónomos Milton Humason y Edwin Hubble confirmaron esto al demostrar la existencia de otras galaxias (¡qué cosas!, apenas a principios del siglo pasado vino a saber la humanidad que la suya no era la única “galaxia” en el universo), y al observar que éstas se estaban alejando de la nuestra (esto es por el marco de referencia, pues en realidad la nuestra también se aleja de todas las demás [de casi todas]), y cada vez más rápido.

La Teoría de la Relatividad General predijo también la existencia de Agujeros Negros, objetos astronómicos en los que ni el propio Einstein creyó, pero que hoy en día sabemos que existen.

Einsten fue, en definitiva, el genio que revolucionó la física para siempre y le dio a la humanidad el empujón que necesitaba para seguir descifrando los secretos del cosmos.

En el segundo capítulo, “La forma del tiempo”, Hawking habla de la singularidad de la gran explosión (teoría del Big Bang), del Principio de Incertidumbre de Heissenberg (que asegura que cuanto mayor es la precisión con que intentamos medir la posición de una partícula, menor es la precisión con que podemos medir su velocidad, y viceversa), del efecto Cassimir (una diminuta fuerza que puede percibirse entre placas metálicas paralelas ubicadas a distancias minúsculas), de los números ordinarios y los números de Grassman, de los bosones y los fermiones, de las oscilaciones de cuerdas, de las p-branas, las 11 dimensiones, el tiempo imaginario y la Teoría M.

La Teoría M (que parece ser la candidata favorita a Teoría del Todo), es una teoría aún incompleta que conecta, a través de dualidades, las cinco teorías de cuerdas entre sí y con la supergravedad en 11 dimensiones.

Sin entrar en detalles complicados, Hawking menciona aspectos básicos de todas estas complejas teorías, que representan la vanguardia de la Física Moderna que intenta explicarlo TODO.

Una de las cosas que más me gustó de este capítulo fue la fórmula de la entropía del agujero negro en función del área de su horizonte de sucesos (número de estados en los que puede estar organizado su interior), quizás porque fue de las pocas fórmulas que vi en este libro repleto de ilustraciones didácticas.

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En donde c representa la velocidad de la luz, k la constante de Boltzmann, G la constante de gravitación de Newton y esa pseudo-h la constante de Planck.

En los capítulos siguientes, cinco en total, Hawking profundiza las teorías que conforman lo último en Física Moderna, no haciendo que el lector llegue a comprenderlas por completo en un libro que no fue escrito para tal fin, sino haciendo que éste se sienta intrigado e interesado por la belleza y aparente complejidad que presentan estas teorías. “El universo en una cáscara de nuez” es más un abrebocas que un vademécum.

Entre otras cosas, Hawking habla de por qué nos movemos en tres dimensiones y no en dos, cuatro, cinco, seis, siete…De los posibles finales del universo que predicen las fórmulas de la física moderna, de si es posible o no predecir el futuro tal y como se mofan de hacerlo pseudo-ciencias como la astrología (a todas luces falsa), de la famosa ecuación de Schrödinger y la función de onda para una partícula (que resulta más puntual que su función de posición o su función de velocidad, debido al principio de incertidumbre de Heissenberg). Habla también del agujero negro de Schwarzchild, nombre dado al hecho de que el astrónomo alemán Karl Schwarzchild, en 1916, halla obtenido una solución de la teoría general de la relatividad que representaba un agujero negro esférico (en ese entonces, muchos físicos lo tacharon de loco y no creyeron que fuera posible que el universo engendrara monstruosidades que se tragaran todo a su alrededor y que no dejaran escapar ni a la luz, la onda-partícula más veloz del cosmos).

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Ecuación de Schrödinger, a partir de la cual se obtiene la función de onda para una partícula

Hawking trata también la posibilidad de viajar en el tiempo hacia el pasado, devela lo poco que se sabe hoy en día acerca de los viajes en el tiempo y trata desde el punto de vista más físico, serio y teórico posible la imposibilidad de viajar hacia el pasado, de construir máquinas del tiempo y poder usarlas para objetos macroscópicos sin ser fulminados por la fuerte radiación.

Pares de partículas virtuales que aparecen y desaparecen en el vacío, objetos cuánticos que superan la velocidad de la luz al viajar a través de agujeros de gusano que curvan el espacio-tiempo, cuerdas cósmicas que fueron creadas en las etapas primitivas del universo y que hoy en día atraviesan toda la longitud del universo observable; un teorema que afirma que en cualquier sistema formal de axiomas, como por ejemplo las matemáticas actuales, siempre quedan cuestiones que no pueden ser demostradas en afirmativo ni en negativo sobre la base de los axiomas que definen el sistema (teorema de incompletitud de Gödel). Bucles infinitos al intentar viajar en el tiempo…Todas, teorías increíbles que superan la ciencia ficción y embelesan por lo bella que resulta la posibilidad que desprenden: el entendimiento del Todo.

Posteriormente, Hawking trata temas un poco más superficiales, al hablar del futuro de la humanidad y compararlo con el futuro hipotético (o imaginario) de Star Trek.

Un dato alarmante, que me llamó especialmente la atención, fue el siguiente:

Hacia el año 2600, la población mundial estaría tocándose hombro con hombro, y el consumo de electricidad pondría la Tierra al rojo vivo.

Este es un dato obtenido a partir de ecuaciones diferenciales de crecimiento poblacional y consumo energético. Pero estos resultados develan algo evidente: estamos en un punto crítico de la historia de la humanidad, nunca antes habíamos crecido a un ritmo tan vertiginoso, ni aumentado nuestro conocimiento, nuestra ciencia y nuestra tecnología a una velocidad tan sorprendente. Este ritmo creciente de una época desaforada no puede mantenerse indefinidamente, eventualmente, tendrá que pasar una de dos cosas: nos autodestruiremos o pasaremos a una era mucho más estática y pasiva (mas no por ello poco interesante).

Me siento afortunado y desafortunado al mismo tiempo por haber nacido a finales del siglo XX para vivir mi vida consciente en el tercer milenio de la Era Cristiana, un tiempo frenético y desenfrenado que no sabe qué esperar: destrucción o evolución.

ADN e Ingeniería Genética, evolución controlada, implicaciones éticas y morales, la alta probabilidad de que en algún momento y en algún lugar durante los próximo siglos se empiece a modificar el ADN de un grupo reducido de seres humanos para crear humanos mejorados; la ley de Moore y la intrigante idea de que eventualmente las máquinas podrán llegar a desarrollar consciencia y construir por ellas mismas máquinas de segunda generación (máquinas construidas por máquinas); la interficie biología-electrónica y otros temas que tocan la fibra nerviosa de cualquier ser interesado en el futuro de la humanidad. Todos, temas maravillosos.

Para dar fin a su libro, Stephen Hawking regresa a la física teórica para hablar de la última teoría acerca del por qué del universo: los universos membrana. Dicha teoría me pareció fundamentalmente compleja, y de ella entendí poco (aunque Hawking hubiera mencionado solo sus aspectos básicos), desde mi punto de vista parece algo bastante abstracto. Una de las frases que más me cautivó del capítulo final fue la siguiente:

[…] quizás vivimos en un universo cuadridimensional porque somos la sombra en la membrana de lo que está ocurriendo en el interior de la burbuja.

Puede ser que el camino que nos falta por recorrer hasta llegar a la Teoría del Todo (si es que existe) sea largo, confuso y a ratos frustrante y desesperante, pero la travesía vale la pena, pues en ella quizás logremos descubrir qué somos, y por qué estamos aquí.

Santiago Restrepo Castillo