Stephen Hawking - La teoría del todo

En esta esclarecedora obra, el gran físico británico Stephen Hawking nos ofrece una historia del universo, del big bang a los agujeros negros. En siete pasos, Hawking logra, con su habitual sencillez, explicar la historia del universo, desde las primeras teorías del mundo griego y de la época medieval hasta las más complejas teorías actuales, siempre con su característico tono didáctico y accesible a todos los públicos. Newton, Einstein, la mecánica cuántica, los agujeros negros y la teoría de la gran unificación desfilan por estas páginas acercando al lector de manera clara y amena los misterios del universo.

Stephen Hawking

El origen y el destino del universo

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Un_Tal_Lucas 22.11.15

Título original: The theory of everything

Stephen Hawking, 2007

Traducción: Javier García Sans

Diseño de cubierta: Un_Tal_Lucas

Fotografía de cubierta: Messier 52, cúmulo abierto en la constelación de Casiopea

Editor digital: Un_Tal_Lucas

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STEPHEN WILLIAM HAWKING (Oxford, Inglaterra, 8 de enero de 1942) es un físico teórico, astrofísico, cosmólogo y divulgador científico británico. Sus trabajos más importantes hasta la fecha han consistido en aportar, junto con Roger Penrose, teoremas respecto a las singularidades espaciotemporales en el marco de la relatividad general, y la predicción teórica de que los agujeros negros emitirían radiación, lo que se conoce hoy en día como radiación de Hawking (o a veces radiación Bekenstein-Hawking).

Es miembro de la Real Sociedad de Londres, de la Academia Pontificia de las Ciencias y de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos. Fue titular de la Cátedra Lucasiana de Matemáticas (Lucasian Chair of Mathematics) de la Universidad de Cambridge desde 1979 hasta su jubilación en 2009. Entre las numerosas distinciones que le han sido concedidas, Hawking ha sido honrado con doce doctorados honoris causa y ha sido galardonado con la Orden del Imperio Británico (grado CBE) en 1982, con el Premio Príncipe de Asturias de la Concordia en 1989, con la Medalla Copley en 2006 y con la Medalla de la Libertad en 2009.

En este ciclo de conferencias trataré de dar una idea general de lo que pensamos que es la historia del universo, desde el big bang a los agujeros negros. En la primera conferencia haré un breve resumen de nuestras antiguas ideas sobre el universo y de cómo hemos llegado a nuestra imagen actual. Podríamos llamarlo la historia de la historia del universo.

En la segunda conferencia describiré cómo las teorías de la gravedad de Newton y Einstein llevaron a la conclusión de que el universo no podía ser estático, sino que tenía que estar expandiéndose o contrayéndose. A su vez, implicaba que debió de haber un momento hace entre 10 000 y 20 000 millones de años en que la densidad del universo era infinita. A esto se le llama el big bang. Habría sido el comienzo del universo.

En la tercera conferencia hablaré de los agujeros negros. Estos se forman cuando una estrella masiva, o un cuerpo aún mayor, colapsa sobre sí misma bajo su propia atracción gravitatoria. Según la teoría de la relatividad general de Einstein, cualquier persona suficientemente atolondrada para meterse dentro de un agujero negro estaría perdida para siempre. No podría volver a salir del agujero negro. En su lugar, la historia, en lo que a ella concierne, llegaría a un final peliagudo en una singularidad. Sin embargo, la relatividad general es una teoría clásica; es decir, no tiene en cuenta el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica.

En la cuarta conferencia describiré cómo la mecánica cuántica permite que escape energía de los agujeros negros. Los agujeros negros no son tan negros como se los pinta.

En la quinta conferencia aplicaré las ideas de la mecánica cuántica al big bang y el origen del universo. Esto lleva a la idea de que el espacio-tiempo puede ser de extensión finita pero sin fronteras ni bordes. Sería como la superficie de la Tierra pero con dos dimensiones más.

En la sexta conferencia mostraré cómo esta nueva propuesta de frontera podría explicar por qué el pasado es tan diferente del futuro, incluso si las leyes de la física son simétricas respecto al tiempo.

Finalmente, en la séptima conferencia describiré cómo estamos tratando de encontrar una teoría unificada que incluya la mecánica cuántica, la gravedad y todas las demás interacciones de la física. Si lo conseguimos, entenderemos realmente el universo y nuestra posición en él.

Ya en el 340 a. C., Aristóteles, en su libro Sobre el cielo, pudo presentar dos buenos argumentos para creer que la Tierra era una bola redonda y no un disco plano. En primer lugar, advirtió que la causa de los eclipses de Luna era que la Tierra se interponía entre el Sol y la Luna. La sombra de la Tierra sobre la Luna era siempre redonda, lo que solamente podía ser cierto si la Tierra era esférica. Si la Tierra hubiera sido un disco plano, la sombra habría sido alargada y elíptica, a menos que los eclipses ocurrieran siempre en un momento en que el Sol estuviera directamente sobre el centro del disco.

En segundo lugar, los griegos habían aprendido de sus viajes que la Estrella Polar estaba más baja en el cielo cuando se veía en el sur que cuando se veía en regiones más septentrionales. Aristóteles citaba incluso una estimación, basada en la diferencia en la posición aparente de la Estrella Polar en Egipto y en Grecia, según la cual la circunferencia de la Tierra medía 400 000 estadios. No sabemos con exactitud cuál era la longitud de un estadio, pero posiblemente era de algo menos de 200 metros. Si así fuera, la estimación de Aristóteles sería algo más del doble de la cifra actualmente aceptada.

Los griegos tenían incluso un tercer argumento a favor de la redondez de la Tierra: ¿cómo, si no, cuando se acerca un barco lo primero que se ve son las velas sobre el horizonte y solo más tarde se ve el casco? Aristóteles pensaba que la Tierra estaba en reposo y que el Sol, la Luna, los planetas y las estrellas se movían en órbitas circulares alrededor de la Tierra. Lo pensaba porque creía, por razones místicas, que la Tierra era el centro del universo y que el movimiento circular era el más perfecto.

Esta idea fue desarrollada por Ptolomeo, en el siglo I d. C., para dar un modelo cosmológico completo. La Tierra permanecía en el centro, rodeada por ocho esferas que llevaban a la Luna, el Sol, las estrellas y los cinco planetas entonces conocidos: Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno. Además, para poder explicar las complicadas trayectorias de los planetas que se observaban en el cielo, estos debían moverse en círculos más pequeños ligados a sus respectivas esferas. La esfera externa arrastraba a las denominadas estrellas fijas, que siempre están en las mismas posiciones relativas pero tienen un movimiento de rotación común. Lo que hay más allá de la última esfera no quedó nunca muy claro, pero ciertamente no era parte del universo observable para la humanidad.

El modelo de Ptolomeo ofrecía un sistema razonablemente aproximado para predecir las posiciones de los cuerpos celestes. Sin embargo, para predecir dichas posiciones correctamente, Ptolomeo tenía que hacer una hipótesis según la cual la Luna seguía una trayectoria que en algunos momentos la llevaba a una distancia de la Tierra doble que en otros. Pero eso implicaba que la Luna tenía que aparecer algunas veces el doble de tamaño que otras. Ptolomeo reconocía esta inconsistencia, pero pese a ello su modelo fue generalmente, aunque no universalmente, aceptado.