HISTORIA DEL TIEMPO Del Big Bang a los Agujeros Negros Stephen Hawking Historia del Tiempo: Del Big Bang a los Agujeros Negros Stephen Hawking INDICE Indice......................................................................................................................................2 Agradecimientos...................................................................................................................3 Prólogo...................................................................................................................................5 Introducción............................................................................................................................7 Capítulo 1: Nuestra Imagen del Universo...........................................................................9 Capítulo 2: Espacio y Tiempo...........................................................................................20 Capítulo 3: El Universo en Expansión..............................................................................40 Capítulo 4: El Principio de Incertidumbre.........................................................................55 Capítulo 5: Las Partículas Elementales y las Fuerzas de la Naturaleza.......................63 Capítulo 6: Los Agujeros Negros......................................................................................77 Capítulo 7: Los Agujeros Negros No son tan Negros.....................................................93 Capítulo 8: El Origen y el Destino del Universo............................................................107 Capítulo 9: La Flecha del Tiempo..................................................................................129 Capítulo 10: Agujeros de Gusano y Viajes en el Tiempo............................................138 Capítulo 11: La Unificación de la Física.......................................................................148 Capítulo 12: Conclusión..................................................................................................162 Albert Einstein..................................................................................................................166 Galileo Galilei...................................................................................................................168 Isaac Newton....................................................................................................................170 Glosario.............................................................................................................................172 2 Historia del Tiempo: Del Big Bang a los Agujeros Negros Stephen Hawking Este libro está dedicado a Jane AGRADECIMIENTOS Decidí escribir una obra de divulgación sobre el espacio y el tiempo después de impartir en Harvard las conferencias Loeb de 1982. Ya existía una considerable bibliografía acerca del universo primitivo y de los agujeros negros, en la que figuraban desde libros muy buenos, como el de Steven Weinberg, Los tres primeros minutos del universo, hasta otros muy malos, que no nombraré. Sin embargo, sentía que ninguno de ellos se dirigía realmente a las cuestiones que me habían llevado a investigar en cosmología y en la teoría cuántica: ¿de dónde viene el universo? ¿Cómo y por qué empezó? ¿Tendrá un final, y, en caso afirmativo, cómo será? Estas son cuestiones de interés para todos los hombres. Pero la ciencia moderna se ha hecho tan técnica que sólo un pequeño número de especialistas son capaces de dominar las matemáticas utilizadas en su descripción. A pesar de ello, las ideas básicas acerca del origen y del destino del universo pueden ser enunciadas sin matemáticas, de tal manera que las personas sin una educación científica las puedan entender. Esto es lo que he intentado hacer en este libro. El lector debe juzgar si lo he conseguido. Alguien me dijo que cada ecuación que incluyera en el libro reduciría las ventas a la mitad. Por consiguiente, decidí no poner ninguna en absoluto. Al final, sin embargo, sí que incluí una ecuación, la famosa ecuación de Einstein, E=mc2. Espero que esto no asuste a la mitad de mis potenciales lectores. Aparte de haber sido lo suficientemente desafortunado como para contraer el ALS, o enfermedad de las neuronas motoras, he tenido suerte en casi todos los demás aspectos. La ayuda y apoyo que he recibido de mi esposa, Jane, y de mis hijos, Robert, Lucy y Timmy, me han hecho posible llevar una vida bastante normal y tener éxito en mi carrera. Fui de nuevo afortunado al elegir la física teórica, porque todo está en la mente. Así, mi enfermedad no ha constituido una seria desventaja. Mis colegas científicos han sido, sin excepción, una gran ayuda para mí. En la primera fase «clásica» de mi carrera, mis compañeros y colaboradores principales fueron Roger Penrose, Robert Geroch, Brandon Carter y George Ellis. Les estoy agradecido por la ayuda que me prestaron y por el trabajo que realizamos juntos. Esta fase fue recogida en el libro The Large Scale Structure of Spacetime, que Ellis y yo escribimos en 1973. Desaconsejaría a los lectores de este libro 3 Historia del Tiempo: Del Big Bang a los Agujeros Negros Stephen Hawking consultar esa obra para una mayor información: es altamente técnica y bastante árida. Espero haber aprendido desde entonces a escribir de una manera más fácil de entender. En la segunda fase «cuántica» de mi trabajo, desde 1974, mis principales colaboradores han sido Gary Gibbons, Don Page y Jim Hartle. Les debo mucho a ellos y a mis estudiantes de investigación, que me han ayudado muchísimo, tanto en el sentido físico como en el sentido teórico de la palabra. El haber tenido que mantener el ritmo de mis estudiantes ha sido un gran estímulo, y ha evitado, así lo espero, que me quedase anclado en la rutina. Para la realización de este libro he recibido gran ayuda de Brian Whitt, uno de mis alumnos. Contraje una neumonía en 1985, después de haber escrito el primer borrador. Se me tuvo que realizar una operación de traqueotomía que me privó de la capacidad de hablar, e hizo casi imposible que pudiera comunicarme. Pensé que sería incapaz de acabarlo. Sin embargo, Brian no sólo me ayudó a revisarlo, sino que también me enseñó a utilizar un programa de comunicaciones llamado Living Center ('centro viviente'), donado por Walt Woltosz, de Words Plus Inc., en Sunnyvale, California. Con él puedo escribir libros y artículos, y además hablar con la gente por medio de un sintetizador donado por Speech Plus, también de Sunnyvale. El sintetizador y un pequeño ordenador personal fueron instalados en mi silla de ruedas por David Mason. Este sistema le ha dado la vuelta a la situación: de hecho, me puedo comunicar mejor ahora que antes de perder la voz. He recibido múltiples sugerencias sobre cómo mejorar el libro, aportadas por gran cantidad de personas que habían leído versiones preliminares. En particular, de Peter Guzzardi, mi editor en Bantam Books, quien me envió abundantes páginas de comentarios y preguntas acerca de puntos que él creía que no habían sido explicados adecuadamente. Debo admitir que me irrité bastante cuando recibí su extensa lista de cosas que debían ser cambiadas, pero él tenía razón. Estoy seguro de que este libro ha mejorado mucho gracias a que me hizo trabajar sin descanso. Estoy muy agradecido a mis ayudantes, Colin Williams, David Thomas y Raymond Lafiamme; a mis secretarias Judy Fella, Ann Ralph, Cheryl Billington y Sue Masey; y a mi equipo de enfermeras. Nada de esto hubiera sido posible sin la ayuda económica, para mi investigación y los gastos médicos, recibida de Gonville and Caius College, el Science and Engineeering Research Council, y las fundaciones Leverhulme, MeArthur, Nufield y Ralph Smith. Mi sincera gratitud a todos ellos. Stephen Hawking 20 de Octubre de 1987. 4 Historia del Tiempo: Del Big Bang a los Agujeros Negros Stephen Hawking Prólogo1 Yo no escribí un prólogo a la edición original de Historia del Tiempo. Eso fue hecho por Carl Sagan. En cambio, escribí un pedazo corto titulado "Reconocimientos" en la que me aconsejaron que agradeciera a todos. Algunas de las fundaciones que me habían dado apoyo no estuvieron muy agradecidos de haber sido mencionados, sin embargo, también porque llevó a un gran aumento en aplicaciones. Yo pienso que nadie, mis publicadores, mi agente, o yo, esperó que el libro hiciera algo como lo que hizo. Estuvo en la lista de best-seller del London Sunday Times durante 237 semanas, más que cualquier otro libro (al parecer, no se cuentan la Biblia y Shakespeare). Se ha traducido en algo así como cuarenta idiomas y ha vendido aproximadamente una copia para cada 750 hombres, mujeres, y niños en el mundo. Como Nathan Myhrvold de Microsoft (un anterior editor mío) comentó: Yo he vendido más libros sobre física que Madona sobre sexo. El éxito de Historia del Tiempo indica que hay interés extendido en las preguntas grandes como: ¿De dónde vinimos nosotros? ¿Y por qué es el universo de la manera que es? He aprovechado la oportunidad para poner al día el libro e incluir nuevos resultados teóricos y observacionales obtenidos desde que el libro fue publicado por primera vez (en el Día de los Inocentes de abril, 1988). He incluido un nuevo capítulo de agujeros de gusano y viajes en el tiempo. La Teoría General de Einstein de Relatividad parece ofrecer la posibilidad que nosotros podríamos crear y podríamos mantener agujeros de gusano, pequeños tubos que conectan regiones diferentes de espacio-tiempo. En ese caso, podríamos ser capaces de usarlos para viajes rápidos a través de la galaxia o volver en el tiempo. Por supuesto, no hemos visto a nadie del futuro (¿o tenemos?) pero yo discuto una posible explicación para esto. También describo el progreso que se ha hecho recientemente encontrando "dualidades" o correspondencias entre teorías aparentemente diferentes de físicas. Estas correspondencias son una indicación fuerte que hay una teoría unificada completa de la física, pero ellas también sugieren que no pueda ser posible expresar esta teoría en una sola formulación fundamental. En cambio, nosotros podemos tener que usar reflexiones diferentes de la teoría subyacente en situaciones diferentes. Podríamos ser incapaces de representar la superficie de la tierra en un solo mapa y 1 Este documento fue digitalizado de la primera versión en español, excepto el prólogo y el capítulo 10 que fue obtenido de la segunda versión (editada debido al exito obtenido). Por lo tanto, los cambios y actualizaciones que Hawking señala en este prólogo, no están reflejados en este documento. Nota del ‘scanner’. 5 Historia del Tiempo: Del Big Bang a los Agujeros Negros Stephen Hawking teniendo que usar mapas diferentes en regiones diferentes. Ésta sería una revolución en nuestra vista de la unificación de las leyes de ciencia pero no cambiaría el punto más importante: que el universo es gobernado por un juego de leyes racionales que nosotros podemos descubrir y podemos entender. En el lado observacional, lejos el desarrollo más importante ha sido la medida de fluctuaciones en la radiación de fondo de microondas por COBE (Cosmic Background Explorer satellite, satélite de Explorador de Fondo Cósmico) y otras colaboraciones. Estas fluctuaciones son la 'impresión dactilar' de la creación, las diminutas irregularidades iniciales en el por otra parte liso y uniforme universo temprano que después creció en las galaxias, estrellas, y todas las estructuras que vemos a nuestro alrededor. Su forma está de acuerdo con las predicciones de la propuesta que el universo no tiene ningún límite o bordes en la dirección de tiempo imaginaria; pero extensas observaciones serán necesarias para distinguir esta propuesta de otras posibles explicaciones para las fluctuaciones en el fondo. Sin embargo, dentro de unos años deberíamos saber si podemos creer que vivimos en un universo que es completamente autónomo y sin comienzo o finaliza. Stephen Hawking 6 Historia del Tiempo: Del Big Bang a los Agujeros Negros Stephen Hawking INTRODUCCIÓN2 Nos movemos en nuestro ambiente diario sin entender casi nada acerca del mundo. Dedicamos poco tiempo a pensar en el mecanismo que genera la luz solar que hace posible la vida, en la gravedad que nos ata a la Tierra y que de otra forma nos lanzaría al espacio, o en los átomos de los que estamos constituidos y de cuya estabilidad dependemos de manera fundamental. Excepto los niños (que no saben lo suficiente como para no preguntar las cuestiones importantes), pocos de nosotros dedicamos tiempo a preguntarnos por qué la naturaleza es de la forma que es, de dónde surgió el cosmos, o si siempre estuvo aquí, si el tiempo correrá en sentido contrario algún día y los efectos precederán a las causas, o si existen límites fundamentales acerca de lo que los humanos pueden saber. Hay incluso niños, y yo he conocido alguno, que quieren saber a qué se parece un agujero negro, o cuál es el trozo más pequeño de la materia, o por qué recordamos el pasado y no el futuro, o cómo es que, si hubo caos antes, existe, aparentemente, orden hoy, y, en definitiva, por qué hay un universo. En nuestra sociedad aún sigue siendo normal para los padres y los maestros responder a estas cuestiones con un encogimiento de hombros, o con una referencia a creencias religiosas vagamente recordadas. Algunos se sienten incómodos con cuestiones de este tipo, porque nos muestran vívidamente las limitaciones del entendimiento humano. Pero gran parte de la filosofía y de la ciencia han estado guiadas por tales preguntas. Un número creciente de adultos desean preguntar este tipo de cuestiones, y, ocasionalmente, reciben algunas respuestas asombrosas. Equidistantes de los átomos y de las estrellas, estamos extendiendo nuestros horizontes exploratorios para abarcar tanto lo muy pequeño como lo muy grande. En la primavera de 1974, unos dos años antes de que la nave espacial Viking aterrizara en Marte, estuve en una reunión en Inglaterra, financiada por la Royal Society de Londres, para examinar la cuestión de cómo buscar vida extraterrestre. Durante un descanso noté que se estaba celebrando una reunión mucho mayor en un salón adyacente, en el cual entré movido por la curiosidad. Pronto me di cuenta de que estaba siendo testigo de un rito antiquísimo, la investidura de nuevos miembros de la Royal Society, una de las más antiguas organizaciones académicas del planeta. En la primera fila, un joven en una silla de ruedas estaba poniendo, muy lentamente, su nombre en un libro que lleva en sus primeras páginas la firma de 2 En la versión actualizada, esta introducción no aparece. 7 Historia del Tiempo: Del Big Bang a los Agujeros Negros Stephen Hawking Isaac Newton. Cuando al final acabó, hubo una conmovedora ovación. Stephen Hawking era ya una leyenda. Hawking ocupa ahora la cátedra Lucasian de matemáticas de la Universidad de Cambridge, un puesto que fue ocupado en otro tiempo por Newton y después por P.A.M. Dirac, dos célebres exploradores de lo muy grande y lo muy pequeño. Él es su valioso sucesor. Este, el primer libro de Hawking para el no especialista, es una fuente de satisfacciones para la audiencia profana. Tan interesante como los contenidos de gran alcance del libro es la visión que proporciona de los mecanismos de la mente de su autor. En este libro hay revelaciones lúcidas sobre las fronteras de la física, la astronomía, la cosmología, y el valor. También se trata de un libro acerca de Dios... o quizás acerca de la ausencia de Dios. La palabra Dios llena estas páginas. Hawking se embarca en una búsqueda de la respuesta a la famosa pregunta de Einstein sobre si Dios tuvo alguna posibilidad de elegir al crear el universo. Hawking intenta, como él mismo señala, comprender el pensamiento de Dios. Y esto hace que sea totalmente inesperada la conclusión de su esfuerzo, al menos hasta ahora: un universo sin un borde espacial, sin principio ni final en el tiempo, y sin lugar para un Creador. Carl Sagan Universidad de Cornell, lthaca, Nueva York 8 Historia del Tiempo: Del Big Bang a los Agujeros Negros Stephen Hawking Capítulo 1 NUESTRA IMAGEN DEL UNIVERSO Un conocido científico (algunos dicen que fue Bertrand Russell) daba una vez una conferencia sobre astronomía. En ella describía cómo la Tierra giraba alrededor del Sol y cómo éste, a su vez, giraba alrededor del centro de una vasta colección de estrellas conocida como nuestra galaxia. Al final de la charla, una simpática señora ya de edad se levantó y le dijo desde el fondo de la sala: «Lo que nos ha contado usted no son más que tonterías. El mundo es en realidad una plataforma plana sustentada por el caparazón de una tortuga gigante». El científico sonrió ampliamente antes de replicarle, «¿y en qué se apoya la tortuga?». «Usted es muy inteligente, joven, muy inteligente -dijo la señora-. ¡Pero hay infinitas tortugas una debajo de otra!». La mayor parte de la gente encontraría bastante ridícula la Imagen de nuestro universo como una torre infinita de tortugas, pero ¿,en qué nos basamos para creer que lo conocemos mejor? ¿.Qué sabemos acerca del universo, y cómo hemos llegado a saberlo. ¿De dónde surgió el universo, y a dónde va? ¿Tuvo el universo un principio, y, si así fue, que sucedió con anterioridad a él? ¿Cuál es la naturaleza del tiempo? ¿Llegará éste alguna vez a un final? Avances recientes de la física, posibles en parte gracias a fantásticas nuevas tecnologías, sugieren respuestas a algunas de estas preguntas que desde hace mucho tiempo nos preocupan. Algún día estas respuestas podrán parecernos tan obvias como el que la Tierra gire alrededor del Sol, o, quizás, tan ridículas como una torre de tortugas. Sólo el tiempo (cualquiera que sea su significado) lo dirá. Ya en el año 340 a.C. el filósofo griego Aristóteles, en su libro De los Cielos, fue capaz de establecer dos buenos argumentos para creer que la Tierra era una esfera redonda en vez de una plataforma plana. En primer lugar, se dio cuenta de que los eclipses lunares eran debidos a que la Tierra se situaba entre el Sol y la Luna. La sombra de la Tierra sobre la Luna era siempre redonda. Si la Tierra hubiera sido un disco plano, su sombra habría sido alargada y elíptica a menos que el eclipse siempre ocurriera en el momento en que el Sol estuviera directamente debajo del centro del disco. En segundo lugar, los griegos sabían, debido a sus viajes, que la estrella Polar aparecía más baja en el cielo cuando se observaba desde el sur que cuando se hacía desde regiones más al norte. (Como la estrella Polar está sobre el polo norte, parecería estar justo encima de un observador situado en dicho polo, mientras que para alguien que mirara desde el ecuador parecería estar justo en el 9 Historia del Tiempo: Del Big Bang a los Agujeros Negros Stephen Hawking horizonte.) A partir de la diferencia en la posición aparente de la estrella Polar entre Egipto y Grecia, Aristóteles incluso estimó que la distancia alrededor de la Tierra era de 400.000 estadios. No se conoce con exactitud cuál era la longitud de un estadio, pero puede que fuese de unos 200 metros, lo que supondría que la estimación de Aristóteles era aproximadamente el doble de la longitud hoy en día aceptada. Los griegos tenían incluso un tercer argumento en favor de que la Tierra debía de ser redonda, ¿por qué, si no, ve uno primero las velas de un barco que se acerca en el horizonte, y sólo después se ve el casco? Figura 1:1 Aristóteles creía que la Tierra era estacionaria y que el Sol, la luna, los planetas y las estrellas se movían en órbitas circulares alrededor de ella. Creía eso porque estaba convencido, por razones místicas, de que la Tierra era el centro del universo y de que el movimiento circular era el más perfecto. Esta idea fue ampliada por Ptolomeo en el siglo ii d.C. hasta constituir un modelo cosmológico completo. La Tierra permaneció en el centro, rodeada por ocho esferas que transportaban a la Luna, el 10