«Be Curious»: la extraordinaria vida de Stephen Hawking en sus propias palabras

En una conferencia en Starmus en 2016, el profesor Hawking discutió algunas de sus teorías más innovadoras, sus hijos y su vida.

Mi trabajo con los agujeros negros comenzó con un momento eureka, poco después del nacimiento de mi hija, Lucy, mientras estaba en la cama. Me di cuenta del teorema del área. Si la relatividad general es correcta y la densidad de energía es positiva, el área de superficie del horizonte de sucesos, el límite de un agujero negro, tiene la propiedad de que siempre aumenta cuando cae materia o radiación adicional en el agujero negro.

Además, si dos agujeros negros chocan y se unen para formar un solo agujero negro, el área del horizonte de eventos alrededor del agujero negro resultante es mayor que la suma de las áreas del horizonte de eventos alrededor de los agujeros negros originales.

El teorema de la zona puede ser probado experimentalmente por Ligo. El 14 de septiembre de 2015, Ligo, por primera vez, detectó ondas gravitacionales de la colisión y fusión de una pista de agujero negro. Las propiedades de los agujeros negros sugirieron que el área de un agujero negro era como lo que se llama entropía en termodinámica.

La entropía puede verse como una medida de un desorden de un sistema o, de manera equivalente, como una falta de conocimiento de su estado preciso. Sería una medida de cuántos estados podría tener un agujero negro en el interior, para la misma apariencia en el exterior. Pero el área no podía ser realmente entropía, porque, como todos creían saber, los agujeros negros eran completamente negros y no podían estar en equilibrio con la radiación térmica.

Tuve tanto éxito con la teoría general de la relatividad clásica que me decepcionó un poco en 1973. Mi trabajo con Roger Penrose mostró que la relatividad general fracasaba en las singularidades. Entonces, el siguiente paso obvio sería combinar la relatividad general, la teoría de lo muy grande, con la teoría cuántica, la teoría de lo muy pequeño.

No tenía experiencia en teoría cuántica, y el problema de la singularidad parecía demasiado difícil para un ataque frontal en ese momento. Entonces, como ejercicio de calentamiento, consideramos cómo se comportarían las partículas y los campos gobernados por la teoría cuántica cerca de un agujero negro.

Estudié cómo los campos cuánticos o las partículas se dispersarían desde un agujero negro y esperaba que parte de una onda incidente fuera absorbida y el resto se dispersara. Para mi gran sorpresa, descubrí que parece haber emisiones del propio agujero negro. Al principio pensé que debía ser un error de cálculo, pero lo que me convenció de que era real fue que el espectáculo era exactamente lo que se requería; para identificar el área del horizonte con la entropía de un agujero negro.

El trabajo posterior ha descubierto la razón profunda de esta fórmula. La relatividad general se puede combinar con la teoría cuántica de una manera elegante, si se reemplaza el tiempo ordinario por el llamado tiempo imaginario. Esto se llama enfoque euclidiano, porque hace del tiempo la cuarta dirección del espacio.

El espacio de tiempo euclidiano es uniforme y no contiene ninguna singularidad en la que no se puedan definir las ecuaciones de la física. Resolvió el problema fundamental que habían planteado los teoremas de singularidad de Penrose y el mío: que la predictibilidad fallaría debido a la singularidad.

La radiación de un agujero negro transportará energía, por lo que el agujero negro perderá masa y se encogerá. Con el tiempo, parece que el agujero negro se evaporará y desaparecerá por completo. Esto planteó un problema que golpeó el corazón de la física. Mi cálculo mostró que la radiación era exactamente térmica y aleatoria, como debería ser, si el área del horizonte iba a ser la entropía del agujero negro.

Entonces, ¿cómo podría la radiación restante transportar toda la información sobre lo que hizo el agujero negro? Pero si se pierde información, esto es incompatible con la mecánica cuántica. Esta paradoja se había discutido durante treinta años sin mucho progreso.

Finalmente, encontré lo que creo que es su resolución. La información no se pierde en los agujeros negros, pero no se devuelve de forma útil. Es como quemar una enciclopedia. La información no se pierde, pero es muy difícil de leer.

En 1982, propusimos que las semillas de las estructuras de nuestro universo podrían ser creadas por efectos cuánticos durante la inflación. El escenario inicial de inflación fue que el universo comenzó con una gran singularidad. A medida que el universo se expandía, de alguna manera tenía que alcanzar un estado inflacionario, pero pensé que eso no era satisfactorio.

Si no se sabe qué salió de la singularidad original, no se podría calcular cómo se desarrollará el universo. La cosmología no tendría poder predictivo. Necesitaba un espacio-tiempo sin singularidad, como en la versión euclidiana de un agujero negro.

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Durante este tiempo, decidí escribir un libro. Pensé que podría hacer una suma modesta para ayudar a mis hijos en la escuela y aumentar el costo de mi cuidado, pero la razón principal fue porque me gustó. Mientras lo escribía, visité el CERN y enfermé gravemente de neumonía y perdí la voz debido a una traqueotomía. Nunca esperé que Una breve historia del tiempo funcionara tan bien como lo hizo.

Hay muchos experimentos ambiciosos planeados para el futuro. Trazaremos las posiciones de miles de millones de galaxias y, con la ayuda de supercomputadoras como el Cosmos, comprenderemos mejor nuestro lugar en el Universo.

Fue un momento glorioso para estar vivo e investigar en física teórica. El hecho de que los humanos, que somos meras colecciones de partículas fundamentales de la naturaleza, hayamos logrado acercarnos tanto a la comprensión de las leyes que nos gobiernan a nosotros y a nuestro universo, es un gran triunfo.

No olvides mirar hacia las estrellas y no hacia tus pies. Trate de comprender lo que ve y pregúntese qué hace que exista el universo. Ser curioso. Y no importa cuán difícil pueda parecer la vida, siempre hay algo que puede hacer y lograrlo. Importa que no te rindas.

Este artículo se publicó originalmente en octubre de 2016. Los extractos anteriores se tomaron de la conferencia de 2016 de Stephen Hawking sobre Starmus, titulada Una breve historia de mí *; el discurso completo se publicó en el tercer libro Starmus. *

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