Stephen Hawking - La naturaleza del espacio y del tiempo

STEPHEN HAWKING
ROGER PENROSE

Traducción de

Javier García Sanz

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El debate entre Roger Penrose y Stephen Hawking que se recoge en este libro constituyó el punto culminante de un programa semestral desarrollado en 1994 en el Instituto Isaac Newton de Ciencias Matemáticas de la Universidad de Cambridge. Representa una seria discusión de algunas de las ideas más fundamentales acerca de la naturaleza del universo. No hace falta decir que todavía no estamos al final del camino; sigue habiendo incertidumbres y controversias y queda mucho de lo que discutir.

Hace aproximadamente sesenta años tuvo lugar un famoso y extenso debate entre Niels Bohr y Albert Einstein sobre los fundamentos de la mecánica cuántica. Einstein se negaba a aceptar que la mecánica cuántica fuese una teoría definitiva. La encontraba filosóficamente inadecuada, y libró una dura batalla contra la interpretación ortodoxa de la Escuela de Copenhague que Bohr representaba.

En cierto sentido, el debate entre Penrose y Hawking es una continuación de esa discusión anterior, donde Penrose asume el papel de Einstein y Hawking el de Bohr. Ahora las cuestiones son más complejas y generales pero, como antes, representan una combinación de argumentos técnicos y puntos de vista filosóficos.

La teoría cuántica, o su versión más sofisticada, la teoría cuántica de campos, está ahora altamente desarrollada y resulta técnicamente acertada, incluso si todavía quedan escépticos filosóficos tales como Roger Penrose. La relatividad general, la teoría de la gravitación de Einstein, ha superado igualmente el test del tiempo y puede proclamar éxitos notables, aunque hay serios problemas concernientes al papel de las singularidades o los agujeros negros.

El punto importante que domina la discusión Hawking-Penrose es la combinación de estas dos teorías de éxito, la manera de producir una teoría de «gravedad cuántica». Hay profundos problemas conceptuales y técnicos involucrados, y estos proporcionan el ámbito para los argumentos discutidos en estas conferencias.

Como ejemplos de las cuestiones fundamentales planteadas se incluyen «la flecha del tiempo», las condiciones iniciales en el nacimiento del universo y la forma en que los agujeros negros se tragan la información. Sobre todas estas, y muchas otras, Hawking y Penrose mantienen posiciones sutilmente diferentes. Los argumentos se presentan cuidadosamente tanto en términos matemáticos como en términos físicos, y el formato del debate permite un significativo intercambio de críticas.

Aunque algunas fases de la presentación requieren una comprensión técnica de las matemáticas y de la física, gran parte de la discusión está llevada en un nivel superior (o más profundo) que interesará a una audiencia más amplia. El lector se hará al menos una idea del alcance y sutileza de los conceptos que se están discutiendo y del enorme reto que supone producir una imagen coherente del universo que explique completamente tanto la gravitación como la teoría cuántica.

MICHAEL ATIYAH

En estas conferencias, Roger Penrose y yo presentaremos nuestros puntos de vista relacionados aunque bastante diferentes sobre la naturaleza del espacio y del tiempo. Hablaremos por turnos y daremos tres conferencias cada uno, seguidas de una discusión sobre nuestros diferentes enfoques. Debería resaltar que estas serán conferencias técnicas. Supondremos un conocimiento básico de la relatividad general y la teoría cuántica.

Hay un corto artículo de Richard Feynman en el que describe sus experiencias en una conferencia sobre relatividad general. Creo que era en la conferencia de Varsovia en 1962. En dicho artículo se hacían comentarios muy desfavorables sobre la competencia general de las personas allí reunidas y la relevancia de lo que estaban haciendo. El hecho de que la relatividad general adquiriese pronto una reputación mucho mejor, y un mayor interés, se debe en considerable medida al trabajo de Penrose. Hasta entonces, la relatividad general había sido formulada como un conjunto desordenado de ecuaciones en derivadas parciales en un único sistema de coordenadas. La gente se ponía tan contenta cuando encontraba una solución que no le preocupaba el hecho de que probablemente no tuviera significado físico. Sin embargo, Penrose introdujo conceptos modernos como los de espinores y métodos globales. Él fue el primero en mostrar que era posible descubrir propiedades generales sin resolver las ecuaciones con exactitud. Fue su primer teorema de singularidad el que me introdujo en el estudio de la estructura causal e inspiró mi trabajo clásico sobre singularidades y agujeros negros.

Creo que Penrose y yo estamos bastante de acuerdo en cuanto al trabajo clásico. Sin embargo, discrepamos en nuestra aproximación a la gravedad cuántica y, en realidad, a la propia teoría cuántica. Aunque los físicos de partículas me consideran un peligroso radical por proponer que podría haber pérdida de coherencia cuántica, yo soy decididamente conservador comparado con Penrose. Yo adopto el punto de vista positivista según el cual una teoría física es solamente un modelo matemático y no tiene sentido preguntar si se corresponde o no con la realidad. Todo lo que uno puede pedir es que sus predicciones concuerden con la observación. Creo que Penrose es un platónico de corazón, pero él debe responder por sí mismo.

Aun cuando se ha sugerido que el espacio-tiempo podría tener una estructura discreta, yo no veo ninguna razón para abandonar las teorías continuas que tan buenos resultados han dado. La relatividad general es una bella teoría que concuerda con todas las observaciones realizadas hasta ahora. Podría necesitar modificaciones en la escala de Planck, pero no creo que esto afecte a muchas de las predicciones que pueden hacerse a partir de ella. Quizá sea solo una aproximación de baja energía a alguna teoría más fundamental, como la teoría de cuerdas, aunque creo que se han exagerado los méritos de la teoría de cuerdas. En primer lugar, no está claro que la relatividad general, cuando se combina con otros campos en una teoría de supergravedad, no pueda dar una teoría cuántica razonable. Los informes sobre la muerte de la supergravedad son exageraciones. Un año, todo el mundo creía que la supergravedad era finita. Al año siguiente cambiaba la moda, y todo el mundo decía que la supergravedad estaba condenada a tener divergencias, incluso si nadie realmente había encontrado ninguna. Mi segunda razón para no discutir la teoría de cuerdas es que no ha hecho ninguna predicción verificable. Por el contrario, la aplicación directa de la teoría cuántica a la relatividad general, sobre la que voy a hablar, ha hecho ya dos predicciones verificables. Una de estas, el desarrollo de pequeñas perturbaciones durante la inflación, parece estar confirmada por observaciones recientes de fluctuaciones en el fondo de microondas. La otra predicción, que los agujeros negros deberían radiar térmicamente, es verificable en principio. Todo lo que tenemos que hacer es encontrar un agujero negro primordial. Por desgracia, no parece que haya muchos por estos pagos. Si los hubiera, sabríamos cómo cuantizar la gravedad.

Ninguna de estas predicciones cambiaría incluso si la teoría de cuerdas fuera la teoría definitiva de la naturaleza. Pero la teoría de cuerdas, al menos en su estado actual de desarrollo, es completamente incapaz de hacer estas predicciones excepto apelando a la relatividad general como la teoría efectiva a baja energía. Sospecho que esto puede seguir siendo siempre así y que podría no haber ninguna predicción observable de la teoría de cuerdas que no pueda ser también predicha a partir de la relatividad general o la supergravedad. Si esto es cierto, se plantea la cuestión de si la teoría de cuerdas es una teoría científica genuina. ¿Es suficiente la compleción y belleza matemática en ausencia de predicciones distintivas verificadas observacionalmente? Y eso que la teoría de cuerdas en su forma presente no es bella ni completa.