Stephen Hawking. Historia del tiempo.

1.- ¿Cuáles son las preguntas fundamentales acerca del universo?

Las preguntas fundamentales son quién lo hizo, si tuvo un comienzo y si es estático o está en movimiento.

2.- ¿Qué requisitos debe cumplir toda buena teoría?

Son dos los requisitos que debe cumplir una buena teoría: a) describir con precisión un amplio conjunto de observaciones sobre la base de un modelo que contenga sólo unos pocos parámetros arbitrarios y b) ser capaz de predecir positivamente los resultados de las observaciones futuras. Un ejemplo de teoría que no cumple con los requisitos es la teoría aristotélica de que todo estaba constituido por cuatro elementos: tierra, agua, aire y fuego. Esta teoría cumplía con el requisito de simpleza pero fallaba en que no realizaba ninguna predicción concreta.

3.- ¿Qué es la teoría de la relatividad?

Es la teoría propuesta por Einstein, cuyo postulado fundamental es que las leyes de la ciencia debían ser las mismas para todos los observadores en movimiento libre, independientemente de cuál fuera su velocidad. Según Einstein, las leyes de la naturaleza son iguales para todos los sistemas que se mueven uniformemente. Entre sus consecuencias más notables se encuentran que se rechaza la idea de un tiempo absoluto, la  del espacio como sistema fijo, en reposo absoluto, en el cuál es posible distinguir el movimiento absoluto del relativo y la ley de que ningún objeto puede viajar a la velocidad de la luz (debido a la equivalencia entre masa y energía; ya que la energía que un objeto adquiere debido a su movimiento se añadirá a su masa, incrementándola. Esto significa que cuanto mayor sea la velocidad de un objeto más difícil será aumentar su aceleración)[1].

 

4.- ¿Cuál es la  imagen moderna del universo y cómo se llegó a ella?

La imagen moderna del universo es que se está expandiendo y que probablemente se expanda por siempre hasta colapsar. Esto sucedería en aproximadamente diez mil millones de años. Esta visión se debe en buena medida a Edwin Hubble, astrónomo norteamericano que en 1924  propuso que nuestra galaxia no era la única. Para poder probar su hipótesis, Hubble necesitaba determinar las distancias que había hasta esas galaxias. El método que utilizó fue el siguiente:

1) el brillo aparente de una estrella depende de la cantidad de luz que irradia (su luminosidad) y lo lejos que está de nosotros. Para las estrellas cercanas, podemos medir sus brillos aparentes y sus distancias, de tal forma que podemos calcular sus luminosidades.

2) Si conociéramos la luminosidad de la estrellas de otras galaxias, podríamos calcular sus distancias midiendo sus brillos aparentes.

3) Ciertos tipos de estrellas, cuando están lo suficientemente cerca de nosotros como para medir su luminosidad, tienen siempre la misma luminosidad. Si se encuentra tales tipos de estrellas en otra galaxia, podríamos supones que tendrían la misma luminosidad y de esa manera, calcular la distancia a esa galaxia.

Gracias al método anterior, Hubble pudo calcular la distancia de nueve galaxias. Luego de esto, se dedicó a catalogar las distancias y a observar los espectros de las galaxias. Todos creían que las galaxias se moverían de forma aleatoria, pero algunos astrónomos empezaron a estudiar las estrellas de esas galaxias y descubrieron que esas estrellas poseían los mismos conjuntos característicos de colores ausentes que las estrellas de nuestra propia galaxia, pero desplazados hacia el espectro correspondiente al color rojo[2], es decir, se estaban alejando de nosotros.

 

5.- ¿Cuáles fueron las dos suposiciones fundamentales acerca del universo que propuso Alexander Friedmann y cuantos tipos de modelos del universo se desprenden de ellas?

Alexander Friedmann hizo dos suposiciones sobre el universo: que el universo parece el mismo desde cualquier dirección desde la que se observe, y que ello sería cierto si se le observara desde cualquier otro lugar. Según Friedmann, si nos concentramos en las galaxias lejanas, parece haber más o menos el mismo número de ellas en cada dirección. Así, el universo parece ser el mismo en cualquier dirección con tal de que se le analice a gran escala y se omitan las diferencias a pequeña escala. Su teoría fue comprobada gracias al experimento de Arno Penzias y Robert Wilson, quienes al probar un detector de microondas captaron más ruido del esperado. Este ruido no provenía de de alguna dirección en particular y supusieron que venía de fuera de la atmosfera. Como el ruido era el mismo durante el día y durante la noche, y a lo largo de todo el año, a pesar de que la Tierra girara sobre su eje y alrededor del sol, se demostró que la radiación debía venir de más allá del sistema solar e incluso más allá de nuestro sistema solar, pues de lo contrario, variaría cuando el movimiento de la tierra hiciera que el detector apuntara en diferentes direcciones. 

            Con base en las dos suposiciones de Friedmann se pueden suponer tres tipos de modelos del universo[3]:

 

a) El universo se expande lo suficientemente lento como para que la atracción gravitatoria entre las diferentes galaxias sea capaz de frenar y finalmente detener la expansión. Las galaxias se empiezan a acercar unas a otras y el universo se contrae. En este modelo la gravedad es tan fuerte que el espacio se curva hasta cerrarse sobre sí mismo. Esto significa que se expande primero y luego se colapsa. Es, por tanto, finito en extensión.

b) El universo se expande tan rápidamente que la fuerza gravitatoria no puede pararlo aunque si lo frena un poco. En este modelo, el espacio se curva hacía el lado contrario del primer modelo, como un sombrero de charro. En este caso, el espacio es infinito.

c) El universo se está expandiendo a la velocidad justa  para evitar colapsarse. En este modelo, el espacio no está curvado y es infinito en extensión.

 

6.- ¿Qué es una singularidad?

 

Un punto en el espacio tiempo en el cuál la curvatura del tiempo se hace infinita y donde las teorías físicas resultan inservibles.

 

7.- ¿Qué es la teoría del big-bang?

 

Todos los modelos del universo que se derivan de las suposiciones de Freidmann presuponen que en algún tiempo pasado la distancia entre galaxias vecinas debió ser cero. En aquel instante, la densidad del universo y la curvatura del espacio-tiempo debió ser infinita. Este instante se conoce como big-bang. El problema es que esto implica que en cierto momento, toda teoría científica colapsa, pues están formuladas bajo la suposición de que el espacio-tiempo es uniforme y casi plano, de manera que ellas dejan de ser aplicables a la singularidad del big-bang, donde la curvatura del espacio-tiempo es infinita[4]. Es por ello que se dice que el tiempo tiene su comienzo con el big-bang, pues aunque hubiera acontecimientos anteriores al big-bang, no se podrían utilizar para determinar lo que sucedería después, ya que toda capacidad de predicción fallaría en el big-bang. Igualmente, si sólo sabemos lo que ha sucedido después del big-bang, no podremos determinar que sucedió antes.

 

8.- ¿Cuál es la teoría del estado estacionario?

 

Es la teoría propuesta  por Hermann Bondi, Thomas Gold y Fred Hoyle, opuesta a la teoría del big-bang. Según esta teoría, conforme las galaxias se iban alejando unas de otras, nuevas galaxias se formaban continuamente en las regiones intergalácticas, a partir de materia nueva creada de forma continua[5]. De esta manera, el universo parecería el mismo en todo tiempo y todo punto del espacio. Esto significaba que el número de galaxias u objetos de  cualquier volumen dado del espacio  debería ser el mismo donde quiera y cuando quiera que miráramos el universo. Sin embargo, cuando Martin Ryle realizo un estudio sobre las ondas de radio en el espacio exterior, demostró que la mayoría de las fuentes de radio residían fuera de nuestra galaxia y que las más fuertes eran las más cercanas y las más débiles la eran las más distantes[6]. Esto significaba que en alguna parte del universo las fuentes eran más escasas o bien, que las fuentes eran más numerosas en el pasado. Fuera cual fuere la explicación, ambas contradecían las predicciones del estado estacionario, ya que las señales debían ser iguales. Aunado a lo anterior, el experimento de Penzias y Wilson[7], indicaba que el universo tenía que haber sido más denso en el pasado, por lo que la teoría del estado estacionario tuvo que ser abandonada.

 

9.- ¿Qué es un cuanto?

 

Hacia finales del siglo XIX, Rayleigh y Jeans sugierieron que un objeto caliente, por ejemplo una estrella, debía irradiar energía a un ritmo infinito. Según las leyes de aquel tiempo, un cuerpo caliete tendría que emitir ondas electromagnéticas (ondas de radio, luz visible, rayos X) con igual intensidad a todas las frecuencias comprendidas entre uno y dos billones de ciclos por segundo, como en ondas de frecuencias comprendidas entre dos y tres billones de ciclos por segundo. Como el número de ciclos por segundo es ilimitado, esto significaría que la energía total irradiada es infinita.

Max Planck sugirió que la luz, rayos X y otros tipos de ondas no podían ser emitidos en cantidades arbitrarias, sino sólo en ciertos paquetes que él llamó «cuantos»[8].

 

10.- ¿Qué es el principio de incertidumbre?

 

El principio propuesto por Heisenberg y según el cual resulta imposible medir con exactitud la velocidad y posición de una partícula, pues con cuanta mayor precisión se mida la posición, con menor exactitud se podrá medir su velocidad y a la inversa. El principio terminó con la idea de un universo determinista, pues no se pueden predecir los acontecimientos futuros con exactitud, si ni siquiera se puede medir el estado presente del universo en forma precisa[9]. A partir de este principio se reformuló la mecánica con una nueva teoría llamada mecánica cuántica. En esta teoría, las partículas ya no poseen posiciones y velocidades definidas por separado, pues según el principio de incertidumbre, éstas no podrían ser observadas. En vez de ello, las partículas tienen un estado cuántico, que es una combinación de posición y velocidad[10].

 

11.- ¿Qué son los quarks?

 

Son las partículas más elementales descubiertas hasta hoy. Fueron descubiertas mientras se realizaba un experimento en el que se colisionaban protones con otros protones  o con electrones a alta velocidad[11].

Existe una variedad de ellos; se cree que existen seis flavors (up, down, strange, charmed, bottom y top). Cada flavor tiene uno de los tres  posibles «colores», que son rojo, azul y verde[12]. Todo quark emite una partícula portadora de fuerza.

 

12.- ¿En cuántas categorías se agrupan las partículas portadoras de fuerza?

 

 Las  partículas portadoras de fuerza se agrupan de acuerdo con la intensidad de la fuerza que transmiten y con el tipo de partículas con las que interactúan.  Las categorías son:

 

Fuerza gravitatoria: Es universal y la más débil de las fuerzas. Sus dos propiedades esenciales son: su actuar a gran distancia y que es siempre atractiva[13].

 

Fuerza electromagnética: Es mucho más intensa que la fuerza gravitatoria. Actúa sólo sobre las partículas cargadas  eléctricamente, como los electrones y los quarks.  La fuerza entre entre dos cargas positivas o bien, dos cargas negativas es repulsiva; pero entre una carga positiva y una negativa, es atractiva[14].

 

Fuerza nuclear débil: Es la responsable de la radioactividad y actúa sobre todas las partículas materiales de espín 1/2[15], pero no sobre partículas de espín 0, 1 o 2.

 

Interacción nuclear fuerte: Mantiene a los quarks unidos en el protón y neutrón, y a los protones y neutrones juntos en los núcleos del los átomos.

 

 

 

 

13.- ¿Qué es un agujero negro?

Una región del espacio que tiene una gran densidad, provocada por su gran cantidad de masa, que genera un campo gravitatorio tan intenso que la luz no podría escapar[16]. Debido a esto, no podríamos observarlos pero si notar su atracción gravitatoria. De hecho, esta es la única forma en la que pueden detectarse, ya que los agujeros negros ejercen una fuerza gravitatoria sobre los objetos cercanos que parecen gravitar sobre un objeto invisible[17]. Empero, este objeto invisible bien podría tratarse de una estrella enana.

 

14.- ¿Por qué no se puede explicar el origen del universo?

 

Según Hawking, porque la teoría de la relatividad nos da las opciones de que el tiempo se extiende hasta límites infinitos o que tuvo un principio en una singularidad dentro de un tiempo finito en el pasado, por lo que ambas opciones plantean  el problema de tener que especificar el estado inicial del universo y no tenemos razones para pensar que comenzó de una forma u otra.  Hawking  propone la teoría cuántica de la gravedad, donde el espacio y tiempo fueran finitos pero no tuvieran un límite (como la superficie de la tierra, donde se puede caminar en una sola dirección y no caer al vacío). Esta  abriría una nueva posibilidad porque  al no haber límite se eliminaría la necesidad  de explicar dicha frontera[18].

 

15.- ¿Qué es una flecha del tiempo?

La forma en que se distingue el pasado del futuro dando una dirección al tiempo. Existen tres tipos de flechas: la termodinámica (la dirección del tiempo en la que la entropía aumenta), la psicológica (la dirección en la que recordamos el pasado pero no el futuro) y la cosmológica (la dirección en la que el universo está expandiéndose en vez de contrayéndose)[19]. 

 

16.- ¿Es posible alcanzar una teoría última sobre el universo?

Existen tres posibles respuestas: a) existe una teoría unificada que podremos alcanzar algún día si somos lo bastante inteligentes b) No existe ninguna teoría definitiva del universo, sólo teorías que lo describen cada vez con más precisión c) no hay ninguna teoría del universo: los acontecimientos no pueden predecirse más allá de cierto punto, ya que ocurren de una manera aleatoria y arbitraria[20].  

La tercera opción es hecha a un lado porque que se ha redefinido el objeto de la ciencia, que es predecir acontecimientos sólo hasta el límite impuesto por el principio de incertidumbre. La segunda opción también es desechada, porque la gravedad pone un límite a la sucesión de teorías cada vez más precisas, ya que si hubiera una partícula por encima de lo que se conoce como energía de Planck, su masa estaría tan concentrada que formaría un pequeño agujero negro. Por tanto, Hawking considera que si existe una teoría última del universo que podemos elaborar en tanto no nos aniquilemos antes de alcanzarla.

 

 

 

 

 

 

Bibliografía

Hawking, Stephen W, Historia del tiempo. Del big bang a los agujeros negros, Crítica, Barcelona, 2011, 245 pp.

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[1] Hawking, Stephen W. , Historia del tiempo,  Crítica, Barcelona,  2011, p.40

[2] La frecuencia de la luz va desde los cuatrocientos hasta los setecientos millones de ondas por segundo. Las diferentes frecuencias de la luz son lo que el ojo humano ve como diferentes colores, correspondiendo las frecuencias más bajas al extremo rojo del espectro y las más altas, al extremo azul.  Esto significa que las estrellas que se estén alejando de nosotros tendrán sus espectros desplazados hacia el extremo rojo del espectro.

[3]ibid,  p.69

[4] Ibid, p. 73

[5] Ibid, p.74

[6] Ver ibid, p.75

[7] Ver supra

[8] Ver ibid, p. 82

[9] Ver ibid, p. 83

[10] Ver Hawking, Stephen W. , Historia del tiempo,  Crítica, Barcelona,  2011,  p. 84

[11] Ver ibid, p. 96

[12] Ver ibid, p. 97

[13] Ver ibid, p. 101

[14] Ver ibid, p. 102

[15]  Todas las partículas tienen una propiedad llamada espín. Un modo de imaginarse un espín es representando las partículas como pequeñas peonzas girando sobre su eje.

[16] Ver Hawking, Stephen W. , Historia del tiempo,  Crítica, Barcelona,  2011, 

[17] Ver ibid, p. 131

[18] Ver ibid, p. 181.

[19] Ver ibid, p. 191

[20] Ver ibid, p 214