Una breve historia del tiempo: del Big Bang a los agujeros negros es un libro sobre cosmología teóricadel físico inglés Stephen Hawking . Se publicó por primera vez en 1988. Hawking escribió el libro para lectores que no tenían conocimientos previos de física.
En Una breve historia del tiempo , Hawking escribe en términos no técnicos sobre la estructura, origen, desarrollo y destino final del Universo , que es objeto de estudio de la astronomía y la física moderna . Habla de conceptos básicos como el espacio y el tiempo , los componentes básicos que componen el Universo (como los quarks ) y las fuerzas fundamentales que lo gobiernan (como la gravedad ). Escribe sobre fenómenos cosmológicos como el Big Bang y los agujeros negros . Analiza dos teorías principales, la relatividad general y la mecánica cuántica , que los científicos modernos utilizan para describir el Universo. Finalmente, habla de la búsqueda de una teoría unificadora que describa todo lo que hay en el Universo de manera coherente.
El libro se convirtió en un éxito de ventas y vendió más de 25 millones de copias. [1]
A principios de 1983, Hawking se acercó por primera vez a Simon Mitton , el editor a cargo de libros de astronomía en Cambridge University Press , con sus ideas para un libro popular sobre cosmología. Mitton tenía dudas sobre todas las ecuaciones del borrador del manuscrito, que en su opinión desanimarían a los compradores de las librerías de los aeropuertos a las que Hawking deseaba llegar. Con cierta dificultad, convenció a Hawking de que abandonara todas las ecuaciones menos una. [2] El propio autor señala en los agradecimientos del libro que le advirtieron que por cada ecuación en el libro, el número de lectores se reduciría a la mitad, por lo que incluye solo una ecuación: . El libro emplea una serie de modelos complejos, diagramas y otras ilustraciones para detallar algunos de los conceptos que explora.
En Una breve historia del tiempo , Stephen Hawking explica al lector no especializado una serie de temas de cosmología , incluidos el Big Bang, los agujeros negros y los conos de luz . Su principal objetivo es dar una visión general del tema, pero también intenta explicar algunas matemáticas complejas . En la edición de 1996 del libro y en ediciones posteriores, Hawking analiza la posibilidad de viajes en el tiempo y agujeros de gusano y explora la posibilidad de tener un Universo sin una singularidad cuántica al comienzo de los tiempos. La edición de 2017 del libro contenía doce capítulos, cuyo contenido se resume a continuación.
En el primer capítulo, Hawking analiza la historia de los estudios astronómicos , en particular las conclusiones del antiguo filósofo griego Aristóteles sobre la Tierra esférica y un modelo geocéntrico circular del Universo, elaborado más tarde por el astrónomo griego del siglo II Ptolomeo . A continuación, Hawking describe el rechazo del modelo aristotélico y ptolemaico y el desarrollo gradual del modelo heliocéntrico actualmente aceptado del Sistema Solar en los siglos XVI, XVII y XVIII, propuesto por primera vez por el sacerdote polaco Nicolás Copérnico en 1514, validado un siglo después. por el científico italiano Galileo Galilei y el científico alemán Johannes Kepler (quien propuso un modelo de órbita elíptica en lugar de uno circular), y respaldado matemáticamente por el científico inglés Isaac Newton en su libro de 1687 sobre la gravedad, Principia Mathematica .
En este capítulo, Hawking también cubre cómo se estudió y debatió el tema del origen del Universo y el tiempo a lo largo de los siglos: la existencia perenne del Universo propuesta por Aristóteles y otros filósofos tempranos fue rechazada por la creencia de San Agustín y otros teólogos. en su creación en un momento específico del pasado, donde el tiempo es un concepto que nació con la creación del Universo. En la era moderna, el filósofo alemán Immanuel Kant volvió a argumentar que el tiempo no tuvo comienzo. En 1929, el descubrimiento del Universo en expansión por parte del astrónomo estadounidense Edwin Hubble implicó que hace entre diez y veinte mil millones de años, todo el Universo estaba contenido en un lugar singular extremadamente denso. Este descubrimiento llevó el concepto del comienzo del Universo al ámbito de la ciencia. Actualmente, los científicos utilizan la teoría general de la relatividad y la mecánica cuántica de Albert Einstein para describir parcialmente el funcionamiento del Universo, mientras siguen buscando una Gran Teoría Unificada completa que describa todo lo que hay en el Universo.
En este capítulo, Hawking describe el desarrollo del pensamiento científico respecto a la naturaleza del espacio y el tiempo . Primero describe la idea aristotélica de que el estado naturalmente preferido de un cuerpo es estar en reposo , y que sólo puede ser movido por la fuerza , lo que implica que los objetos más pesados caerán más rápido. Sin embargo, el científico italiano Galileo Galilei demostró experimentalmente que la teoría de Aristóteles estaba equivocada al observar el movimiento de objetos de diferentes pesos y concluir que todos los objetos caerían al mismo ritmo. Esto finalmente condujo a las leyes de movimiento y gravedad del científico inglés Isaac Newton . Sin embargo, las leyes de Newton implicaban que no existe el estado absoluto de reposo o el espacio absoluto como creía Aristóteles: si un objeto está "en reposo" o "en movimiento" depende del marco de referencia inercial del observador.
Hawking describe a continuación la creencia de Aristóteles y Newton en el tiempo absoluto , es decir, el tiempo puede medirse con precisión independientemente del estado de movimiento del observador. Sin embargo, Hawking escribe que esta noción de sentido común no funciona a la velocidad de la luz o cerca de ella. Menciona el descubrimiento del científico danés Ole Rømer de que la luz viaja a una velocidad muy alta pero finita a través de sus observaciones de Júpiter y una de sus lunas Io , así como las ecuaciones del científico británico James Clerk Maxwell sobre electromagnetismo que demostraron que la luz viaja en ondas. moviéndose a una velocidad fija. Dado que la noción de reposo absoluto fue abandonada en la mecánica newtoniana, Maxwell y muchos otros físicos argumentaron que la luz debe viajar a través de un fluido hipotético llamado éter , siendo su velocidad relativa a la del éter. Esto fue posteriormente refutado por el experimento de Michelson-Morley , que demostró que la velocidad de la luz siempre permanece constante independientemente del movimiento del observador. Einstein y Henri Poincaré argumentaron más tarde que no hay necesidad de que el éter explique el movimiento de la luz, suponiendo que no existe un tiempo absoluto . En esto se basa la teoría especial de la relatividad , argumentando que la luz viaja con una velocidad finita sin importar cuál sea la velocidad del observador.
Masa y energía están relacionadas por la famosa ecuación , que explica que se necesita una cantidad infinita de energía para que cualquier objeto con masa viaje a la velocidad de la luz (3×10⁸m/s). Se desarrolló una nueva forma de definir un metro utilizando la velocidad de la luz. Los "eventos" también se pueden describir mediante el uso de conos de luz , una representación gráfica del espacio-tiempo que restringe qué eventos están permitidos y cuáles no, basándose en los conos de luz pasados y futuros. También se describe un espacio-tiempo de 4 dimensiones , en el que "espacio" y "tiempo" están intrínsecamente vinculados. El movimiento de un objeto a través del espacio inevitablemente afecta la forma en que experimenta el tiempo.
La teoría general de la relatividad de Einstein explica cómo la trayectoria de un rayo de luz se ve afectada por la " gravedad ", que según Einstein es una ilusión causada por la deformación del espacio-tiempo, en contraste con la visión de Newton que describía la gravedad como una fuerza que la materia ejerce sobre otro asunto. En la curvatura del espacio-tiempo , la luz siempre viaja en un camino recto en el "espacio-tiempo" de 4 dimensiones, pero puede parecer que se curva en el espacio de 3 dimensiones debido a los efectos gravitacionales. Estos caminos en línea recta son geodésicas . La paradoja de los gemelos , un experimento mental en relatividad especial que involucra a gemelos idénticos, considera que los gemelos pueden envejecer de manera diferente si se mueven a diferentes velocidades entre sí, o incluso si vivieron en diferentes lugares con curvatura espacio-temporal desigual. La relatividad especial se basa en ámbitos del espacio y el tiempo donde tienen lugar los acontecimientos, mientras que la relatividad general es dinámica donde la fuerza podría cambiar la curvatura del espacio-tiempo y da lugar a un Universo dinámico y en expansión. Hawking y Roger Penrose trabajaron en esto y luego demostraron usando la relatividad general que si el Universo tuvo un comienzo hace un tiempo finito en el pasado, entonces también podría terminar en un tiempo finito a partir de ahora en el futuro.
En este capítulo, Hawking describe por primera vez cómo los físicos y astrónomos calcularon la distancia relativa de las estrellas a la Tierra. En el siglo XVIII, Sir William Herschel confirmó las posiciones y distancias de muchas estrellas en el cielo nocturno. En 1924, Edwin Hubble descubrió un método para medir la distancia utilizando el brillo de las estrellas variables Cefeidas vistas desde la Tierra. La luminosidad , el brillo y la distancia de estas estrellas están relacionados mediante una sencilla fórmula matemática. Usando todo esto, calculó distancias de nueve galaxias diferentes. Vivimos en una galaxia espiral bastante típica, que contiene una gran cantidad de estrellas.
Las estrellas están muy lejos de nosotros, por lo que sólo podemos observar su rasgo característico: su luz. Cuando esta luz pasa a través de un prisma, da lugar a un espectro . Cada estrella tiene su propio espectro y, dado que cada elemento tiene su propio espectro único, podemos medir el espectro de luz de una estrella para conocer su composición química. Utilizamos espectros térmicos de las estrellas para conocer su temperatura. En 1920, cuando los científicos examinaban los espectros de diferentes galaxias, descubrieron que algunas de las líneas características del espectro estelar estaban desplazadas hacia el extremo rojo del espectro. Las implicaciones de este fenómeno estuvieron dadas por el efecto Doppler , y quedó claro que muchas galaxias se estaban alejando de nosotros.
Se supuso que, dado que algunas galaxias están desplazadas hacia el rojo, algunas galaxias también estarían desplazadas hacia el azul. Sin embargo, las galaxias desplazadas al rojo superaban con creces a las galaxias desplazadas al azul. Hubble descubrió que la cantidad de corrimiento al rojo es directamente proporcional a la distancia relativa. A partir de esto determinó que el Universo se está expandiendo y tuvo un comienzo. A pesar de esto, el concepto de un Universo estático persistió hasta el siglo XX. Einstein estaba tan seguro de un Universo estático que desarrolló la " constante cosmológica " e introdujo fuerzas "antigravedad" para permitir que existiera un universo de edad infinita. Además, muchos astrónomos también intentaron evitar las implicaciones de la relatividad general y se apegaron a su Universo estático, con una excepción especialmente notable, el físico ruso Alexander Friedmann .
Friedmann hizo dos suposiciones muy simples: el Universo es idéntico dondequiera que estemos, es decir, homogeneidad , y que es idéntico en todas las direcciones en las que miremos, es decir, isotropía . Sus resultados mostraron que el Universo no es estático. Sus suposiciones fueron probadas más tarde cuando dos físicos de los Laboratorios Bell , Arno Penzias y Robert Wilson , encontraron una radiación de microondas inesperada no sólo de una parte particular del cielo sino de todas partes y en casi la misma cantidad. De este modo se demostró que la primera suposición de Friedmann era cierta.
Casi al mismo tiempo, Robert H. Dicke y Jim Peebles también estaban trabajando en la radiación de microondas . Argumentaron que deberían poder ver el brillo del Universo temprano como radiación de microondas de fondo. Wilson y Penzias ya lo habían hecho, por lo que recibieron el Premio Nobel en 1978. Además, nuestro lugar en el Universo no es excepcional , por lo que deberíamos ver el Universo aproximadamente igual desde cualquier otra parte del espacio que lo soporte. El segundo supuesto de Friedmann. Su trabajo permaneció en gran parte desconocido hasta que Howard Robertson y Arthur Walker hicieron modelos similares .
El modelo de Friedmann dio lugar a tres tipos diferentes de modelos para la evolución del Universo. Primero, el Universo se expandiría durante un período de tiempo determinado, y si la tasa de expansión es menor que la densidad del Universo (lo que lleva a la atracción gravitacional), en última instancia conduciría al colapso del Universo en una etapa posterior. En segundo lugar, el Universo se expandiría y, en algún momento, si la tasa de expansión y la densidad del Universo se igualaran, se expandiría lentamente y se detendría, dando lugar a un Universo algo estático. En tercer lugar, el Universo continuaría expandiéndose para siempre si la densidad del Universo es menor que la cantidad crítica requerida para equilibrar la tasa de expansión del Universo.
El primer modelo representa el espacio del Universo curvado hacia dentro . En el segundo modelo, el espacio conduciría a una estructura plana , y el tercer modelo da como resultado una curvatura negativa en forma de silla de montar . Incluso si calculamos, la tasa de expansión actual es mayor que la densidad crítica del Universo, incluida la materia oscura y todas las masas estelares. El primer modelo incluía el inicio del Universo como un Big Bang a partir de un espacio de densidad infinita y volumen cero conocido como ' singularidad ', punto donde también se resquebraja la teoría general de la relatividad (en ella se basan las soluciones de Friedmann).
Este concepto del comienzo de los tiempos (propuesto por el sacerdote católico belga Georges Lemaître ) parecía originalmente estar motivado por creencias religiosas, debido a su apoyo a la afirmación bíblica de que el universo tiene un comienzo en el tiempo en lugar de ser eterno. [3] Entonces se introdujo una nueva teoría, la "teoría del estado estacionario" por Hermann Bondi , Thomas Gold y Fred Hoyle , para competir con la teoría del Big Bang. Sus predicciones también coincidían con la estructura actual del Universo. Pero el hecho de que las fuentes de ondas de radio cercanas a nosotros sean muchas menos que las del Universo distante, y que hubiera muchas más fuentes de radio que en la actualidad, resultó en el fracaso de esta teoría y en la aceptación universal de la teoría del Big Bang. Evgeny Lifshitz e Isaak Markovich Khalatnikov también intentaron encontrar una alternativa a la teoría del Big Bang, pero fracasaron.
Roger Penrose utilizó conos de luz y la relatividad general para demostrar que el colapso de una estrella podría dar como resultado una región de tamaño cero y densidad y curvatura infinitas llamada Agujero Negro . Hawking y Penrose demostraron juntos que el Universo debería haber surgido a partir de una singularidad, lo que el propio Hawking refutó una vez que se tienen en cuenta los efectos cuánticos.
En este capítulo, Hawking analiza por primera vez la firme creencia del matemático francés del siglo XIX Laplace en el determinismo científico , según el cual las leyes científicas eventualmente podrán predecir con precisión el futuro del Universo. Luego analiza la teoría de la radiación infinita de las estrellas según los cálculos de los científicos británicos Lord Rayleigh y James Jeans , que luego fue revisada en 1900 por el científico alemán Max Planck quien sugirió que la energía debe irradiarse en paquetes pequeños y finitos llamados cuantos .
Hawking analiza a continuación el principio de incertidumbre formulado por el científico alemán Werner Heisenberg , según el cual la velocidad y la posición de una partícula no pueden conocerse con precisión debido a la hipótesis cuántica de Planck: aumentar la precisión en la medición de su velocidad disminuirá la certeza de su posición y viceversa. viceversa. Esto refutó la idea de Laplace de una teoría completamente determinista del universo. Hawking luego describe el eventual desarrollo de la mecánica cuántica por parte de Heisenberg, el físico austriaco Erwin Schroedinger y el físico inglés Paul Dirac en la década de 1920, una teoría que introdujo un elemento irreductible de imprevisibilidad en la ciencia y, a pesar de las fuertes objeciones del científico alemán Albert Einstein , ha Se ha demostrado que tiene mucho éxito a la hora de describir el universo, excepto la gravedad y las estructuras a gran escala.
Hawking luego analiza cómo el principio de incertidumbre de Heisenberg implica el comportamiento de dualidad onda-partícula de la luz (y de las partículas en general).
Luego describe el fenómeno de la interferencia , en el que múltiples ondas de luz interfieren entre sí para dar lugar a una única onda de luz con propiedades diferentes a las de las ondas componentes, así como la interferencia dentro de las partículas, ejemplificada por el experimento de las dos rendijas . Hawking escribe cómo la interferencia refinó nuestra comprensión de la estructura de los átomos , los componentes básicos de la materia. Mientras que la teoría del científico danés Niels Bohr resolvió sólo parcialmente el problema del colapso de los electrones, la mecánica cuántica lo resolvió por completo. Según Hawking, la suma de historias del científico estadounidense Richard Feynman es una buena manera de visualizar la dualidad onda-partícula. Finalmente, Hawking menciona que la teoría general de la relatividad de Einstein es una teoría clásica, no cuántica, que ignora el principio de incertidumbre y que debe conciliarse con la teoría cuántica en situaciones donde la gravedad es muy fuerte, como los agujeros negros y el Big Bang.
En este capítulo, Hawking recorre la historia de la investigación sobre la naturaleza de la materia : los cuatro elementos de Aristóteles, la noción de átomos indivisibles de Demócrito , las ideas de John Dalton sobre la combinación de los átomos para formar moléculas , el descubrimiento de los electrones dentro de los átomos por parte de JJ Thomson , El descubrimiento de Ernest Rutherford del núcleo atómico y los protones , el descubrimiento de James Chadwick de los neutrones y, finalmente, el trabajo de Murray Gell-Mann sobre quarks aún más pequeños que forman protones y neutrones. Hawking luego analiza los seis "sabores" diferentes ( arriba , abajo , extraño , encanto , abajo y arriba ) y tres " colores " diferentes de quarks (rojo, verde y azul). Más adelante en el capítulo analiza los antiquarks , que son superados en número por los quarks debido a la expansión y el enfriamiento del Universo.
Hawking luego analiza la propiedad de espín de las partículas, que determina cómo se ve una partícula desde diferentes direcciones. Hawking luego analiza dos grupos de partículas en el Universo según su giro: fermiones y bosones . Los fermiones, con un espín de 1/2, siguen el principio de exclusión de Pauli , que establece que no pueden compartir el mismo estado cuántico (por ejemplo, dos protones "con espín arriba" no pueden ocupar el mismo lugar en el espacio). Sin esta regla no podrían existir estructuras complejas.
Los bosones o las partículas portadoras de fuerza, con un espín de 0, 1 o 2, no siguen el principio de exclusión. Hawking luego da ejemplos de gravitones virtuales y fotones virtuales . Los gravitones virtuales, con un espín de 2, transportan la fuerza de la gravedad . Los fotones virtuales, con un espín de 1, transportan la fuerza electromagnética . Hawking luego analiza la fuerza nuclear débil (responsable de la radiactividad y que afecta principalmente a los fermiones) y la fuerza nuclear fuerte transportada por la partícula gluón , que une los quarks en hadrones , generalmente neutrones y protones , y también une neutrones y protones en núcleos atómicos . Hawking luego escribe sobre el fenómeno llamado confinamiento del color que impide el descubrimiento de quarks y gluones por sí solos (excepto a temperaturas extremadamente altas), ya que permanecen confinados dentro de hadrones.
Hawking escribe que a temperaturas extremadamente altas, la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil se comportan como una sola fuerza electrodébil , dando lugar a la especulación de que a temperaturas aún más altas, la fuerza electrodébil y la fuerza nuclear fuerte también se comportarían como una sola fuerza. Las teorías que intentan describir el comportamiento de esta fuerza "combinada" se denominan Grandes Teorías Unificadas , y pueden ayudarnos a explicar muchos de los misterios de la física que los científicos aún tienen que resolver.
En este capítulo, Hawking analiza los agujeros negros , regiones del espacio-tiempo donde una gravedad extremadamente fuerte impide que todo, incluida la luz, escape de su interior. Hawking describe cómo la mayoría de los agujeros negros se forman durante el colapso de estrellas masivas (al menos 25 veces más pesadas que el Sol ) que se acercan al final de su vida. Escribe sobre el horizonte de sucesos , el límite del agujero negro desde el cual ninguna partícula puede escapar al resto del espacio-tiempo. Hawking luego analiza los agujeros negros no giratorios con simetría esférica y los giratorios con simetría axial . Hawking describe a continuación cómo los astrónomos descubren un agujero negro no directamente, sino indirectamente, observando con telescopios especiales los potentes rayos X que emite cuando consume una estrella. Hawking finaliza el capítulo mencionando su famosa apuesta realizada en 1974 con el físico estadounidense Kip Thorne en la que Hawking sostenía que los agujeros negros no existían. Hawking perdió la apuesta cuando nuevas pruebas demostraron que Cygnus X-1 era efectivamente un agujero negro.
Este capítulo analiza un aspecto del comportamiento de los agujeros negros que Stephen Hawking descubrió en la década de 1970. Según teorías anteriores, los agujeros negros sólo pueden crecer y nunca reducirse, porque nada de lo que entra en un agujero negro puede salir. Sin embargo, en 1974, Hawking publicó una nueva teoría que sostenía que los agujeros negros pueden "filtrar" radiación . Imaginó lo que podría suceder si un par de partículas virtuales aparecieran cerca del borde de un agujero negro. Las partículas virtuales "toman prestada" brevemente energía del propio espacio-tiempo , luego se aniquilan entre sí, devuelven la energía prestada y dejan de existir. Sin embargo, en el borde de un agujero negro, una partícula virtual podría quedar atrapada por el agujero negro mientras la otra escapa. Debido a la segunda ley de la termodinámica , las partículas tienen "prohibido" tomar energía del vacío. Así, la partícula toma energía del agujero negro en lugar de del vacío, y escapa del agujero negro en forma de radiación de Hawking .
Según Hawking, los agujeros negros deben reducirse muy lentamente con el tiempo y eventualmente "evaporarse" debido a esta radiación, en lugar de continuar existiendo para siempre como los científicos habían creído anteriormente.
En este capítulo se analizan el principio y el fin del universo.
La mayoría de los científicos coinciden en que el Universo comenzó con una expansión llamada "Big Bang". Al inicio del Big Bang, el Universo tenía una temperatura extremadamente alta, lo que impidió la formación de estructuras complejas como las estrellas, o incluso muy simples como los átomos. Durante el Big Bang se produjo un fenómeno llamado " inflación ", en el que el Universo se expandió ("infló") brevemente hasta alcanzar un tamaño mucho mayor. La inflación explica algunas características del Universo que hasta entonces habían confundido mucho a los investigadores. Después de la inflación, el universo siguió expandiéndose a un ritmo más lento. Se volvió mucho más frío, lo que eventualmente permitió la formación de tales estructuras.
Hawking también analiza cómo el Universo podría haber aparecido de manera diferente si hubiera crecido en tamaño más lento o más rápido de lo que realmente lo hizo. Por ejemplo, si el Universo se expandiera demasiado lentamente, colapsaría y no habría tiempo suficiente para que se formara vida . Si el Universo se hubiera expandido demasiado rápido, se habría quedado casi vacío.
En última instancia, Hawking propone la conclusión de que el universo podría ser finito, pero ilimitado. En otras palabras, puede que no tenga principio ni fin en el tiempo, sino que simplemente exista con una cantidad finita de materia y energía.
En este capítulo también se analiza el concepto de gravedad cuántica .
En este capítulo, Hawking habla de por qué el "tiempo real", como Hawking llama al tiempo tal como lo observan y experimentan los humanos (en contraste con el " tiempo imaginario ", que según Hawking es inherente a las leyes de la ciencia) parece tener una dirección determinada, en particular del pasado hacia el futuro. Hawking analiza a continuación tres " flechas del tiempo " que, en su opinión, confieren al tiempo esta propiedad. La primera flecha del tiempo de Hawking es la flecha termodinámica del tiempo : la dirección en la que aumenta la entropía (que Hawking llama desorden). Según Hawking, esta es la razón por la que nunca vemos los pedazos rotos de una taza juntarse para formar una taza entera. La segunda flecha de Hawking es la flecha psicológica del tiempo , mediante la cual nuestro sentido subjetivo del tiempo parece fluir en una dirección, razón por la cual recordamos el pasado y no el futuro. Hawking afirma que nuestro cerebro mide el tiempo de una manera en la que el desorden aumenta en la dirección del tiempo; nunca observamos que funcione en la dirección opuesta. En otras palabras, afirma que la flecha psicológica del tiempo está entrelazada con la flecha termodinámica del tiempo. La tercera y última flecha del tiempo de Hawking es la flecha cosmológica del tiempo: la dirección del tiempo en la que el Universo se expande en lugar de contraerse. Según Hawking, durante una fase de contracción del universo, las flechas termodinámicas y cosmológicas del tiempo no coincidirían.
Hawking luego afirma que la " propuesta sin límites " para el universo implica que el universo se expandirá durante algún tiempo antes de contraerse nuevamente. Continúa argumentando que la propuesta de no límites es lo que impulsa la entropía y que predice la existencia de una flecha termodinámica del tiempo bien definida si y sólo si el universo se está expandiendo, ya que implica que el universo debe haber comenzado de manera suave. y un estado ordenado que debe crecer hacia el desorden a medida que avanza el tiempo. Sostiene que, debido a la propuesta de no tener límites, un universo en contracción no tendría una flecha termodinámica bien definida y, por lo tanto, sólo un universo que se encuentra en una fase de expansión puede sustentar vida inteligente. Utilizando el principio antrópico débil , Hawking continúa argumentando que la flecha termodinámica debe coincidir con la flecha cosmológica para que cualquiera de ellas sea observada por la vida inteligente. Ésta, en opinión de Hawking, es la razón por la que los humanos experimentamos estas tres flechas del tiempo que van en la misma dirección.
En este capítulo, Hawking analiza si es posible viajar en el tiempo, es decir, viajar al futuro o al pasado. Muestra cómo los físicos han intentado idear posibles métodos para que los humanos con tecnología avanzada puedan ser capaces de viajar más rápido que la velocidad de la luz , o viajar hacia atrás en el tiempo , y estos conceptos se han convertido en pilares de la ciencia ficción . Los puentes Einstein-Rosen se propusieron al principio de la historia de la investigación de la relatividad general . Estos "agujeros de gusano" parecerían idénticos a los agujeros negros desde el exterior, pero la materia que entrara sería reubicada en una ubicación diferente en el espacio-tiempo, potencialmente en una región distante del espacio, o incluso hacia atrás en el tiempo. Sin embargo, investigaciones posteriores demostraron que tal agujero de gusano, incluso si fuera posible que se formara en primer lugar, no permitiría el paso de ningún material antes de volver a convertirse en un agujero negro normal. La única manera de que, en teoría, un agujero de gusano pueda permanecer abierto y, por tanto, permitir viajes más rápidos que la luz o en el tiempo, requeriría la existencia de materia exótica con densidad de energía negativa , lo que viola las condiciones energéticas de la relatividad general. Por lo tanto, casi todos los físicos están de acuerdo en que no es posible viajar más rápido que la luz ni retroceder en el tiempo.
Hawking también describe su propia " conjetura de protección cronológica ", que proporciona una explicación más formal de por qué los viajes más rápidos que la luz y hacia atrás en el tiempo son casi con certeza imposibles.
La teoría cuántica de campos (QFT) y la relatividad general (GR) describen la física del Universo con una precisión asombrosa dentro de sus propios dominios de aplicabilidad. Sin embargo, estas dos teorías se contradicen. Por ejemplo, el principio de incertidumbre de QFT es incompatible con GR. Esta contradicción, y el hecho de que QFT y GR no explican completamente los fenómenos observados , han llevado a los físicos a buscar una teoría de la " gravedad cuántica " que sea internamente consistente y explique los fenómenos observados tan bien o mejor que las teorías existentes.
Hawking es cautelosamente optimista en cuanto a que pronto se pueda encontrar una teoría unificada del Universo, a pesar de los importantes desafíos. En el momento en que se escribió el libro, la " teoría de supercuerdas " había surgido como la teoría más popular de la gravedad cuántica, pero esta teoría y las teorías de cuerdas relacionadas todavía estaban incompletas y aún no habían sido demostradas a pesar de un esfuerzo significativo (este sigue siendo el caso hasta ahora). de 2021). La teoría de cuerdas propone que las partículas se comportan como "cuerdas" unidimensionales, en lugar de partículas adimensionales como lo hacen en QFT. Estas cuerdas "vibran" en muchas dimensiones. En lugar de 3 dimensiones como en QFT o 4 dimensiones como en GR, la teoría de supercuerdas requiere un total de 10 dimensiones. La naturaleza de las seis dimensiones del "hiperespacio" requeridas por la teoría de supercuerdas es difícil, si no imposible, de estudiar, lo que deja innumerables paisajes teóricos de la teoría de cuerdas , cada uno de los cuales describe un universo con diferentes propiedades. Sin medios para reducir el alcance de las posibilidades, probablemente sea imposible encontrar aplicaciones prácticas para la teoría de cuerdas.
Las teorías alternativas de la gravedad cuántica, como la gravedad cuántica de bucles , también adolecen de falta de evidencia y dificultades de estudio.
Hawking propone así tres posibilidades: 1) existe una teoría unificada completa que eventualmente encontraremos; 2) las características superpuestas de diferentes paisajes nos permitirán explicar gradualmente la física con mayor precisión con el tiempo y 3) no existe una teoría definitiva. La tercera posibilidad se ha eludido al reconocer los límites establecidos por el principio de incertidumbre. La segunda posibilidad describe lo que ha estado sucediendo en las ciencias físicas hasta ahora, con teorías parciales cada vez más precisas.
Hawking cree que tal refinamiento tiene un límite y que al estudiar las primeras etapas del Universo en un laboratorio, se encontrará una teoría completa de la Gravedad Cuántica en el siglo XXI que permitirá a los físicos resolver muchos de los problemas de física actualmente no resueltos.
En este capítulo final, Hawking resume los esfuerzos realizados por los humanos a lo largo de su historia para comprender el Universo y su lugar en él: empezando por la creencia en espíritus antropomórficos que controlan la naturaleza, seguido por el reconocimiento de patrones regulares en la naturaleza, y finalmente con la investigación científica. Con el avance de los últimos siglos, el funcionamiento interno del universo se ha comprendido mucho mejor. Recuerda la sugerencia del matemático francés del siglo XIX Laplace de que la estructura y evolución del Universo podrían eventualmente explicarse con precisión mediante un conjunto de leyes cuyo origen queda en el dominio de Dios. Sin embargo, Hawking afirma que el principio de incertidumbre introducido por la teoría cuántica en el siglo XX ha puesto límites a la precisión predictiva de las leyes futuras por descubrir.
Hawking comenta que históricamente, el estudio de la cosmología (el estudio del origen, la evolución y el fin de la Tierra y del Universo en su conjunto) ha estado motivado principalmente por una búsqueda de ideas filosóficas y religiosas, por ejemplo, para comprender mejor la naturaleza. de Dios , o incluso si Dios existe en absoluto . Sin embargo, para Hawking, la mayoría de los científicos que hoy trabajan en estas teorías las abordan mediante cálculos matemáticos y observación empírica, en lugar de plantearse cuestiones filosóficas. En su opinión, la naturaleza cada vez más técnica de estas teorías ha provocado que la cosmología moderna se divorcie cada vez más de la discusión filosófica. Hawking, no obstante, expresa la esperanza de que algún día todo el mundo hable de estas teorías para comprender el verdadero origen y la naturaleza del Universo y lograr "el triunfo definitivo del razonamiento humano".
La introducción se eliminó después de la primera edición, ya que los derechos de autor pertenecían a Sagan, no a Hawking o al editor, y el editor no tenía derecho a reimprimirla a perpetuidad. Hawking escribió su propia introducción para ediciones posteriores.
En 1991, Errol Morris dirigió un documental sobre Hawking, pero aunque comparten título, la película es un estudio biográfico de Hawking, y no una versión filmada del libro.
"El universo de bolsillo de Stephen Hawking: una breve historia del tiempo revisada" está basado en el libro. La aplicación fue desarrollada por Preloaded para los editores Transworld, una división del grupo Penguin Random House .
La aplicación se produjo en 2016. Fue diseñada por Ben Courtney y producida por Jemma Harris y está disponible solo en iOS .
La Metropolitan Opera encargó el estreno de una ópera en la temporada 2015-2016 basada en el libro de Hawking. Iba a ser compuesta por Osvaldo Golijov con libreto de Alberto Manguel en una producción de Robert Lepage . [6] La ópera planeada se cambió para tratar un tema diferente y finalmente se canceló por completo. [7]
