Breve historia del tiempo: del Big Bang a los agujeros negros es un libro sobre cosmología teórica del físico Stephen Hawking . Se publicó por primera vez en 1988. Hawking escribió el libro para lectores que no tenían conocimientos previos de física.
En Breve historia del tiempo , Hawking escribe en términos no técnicos sobre la estructura, el origen, el desarrollo y el 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 bloques básicos que forman 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 en el Universo de manera coherente.
El libro se convirtió en un éxito de ventas y ha vendido 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 los libros de astronomía en Cambridge University Press , con sus ideas para un libro popular sobre cosmología. Mitton tenía dudas sobre todas las ecuaciones en el borrador del manuscrito, que creía que desalentarían a los compradores de las librerías de los aeropuertos a las que Hawking deseaba llegar. Con cierta dificultad, persuadió a Hawking de que eliminara todas las ecuaciones menos una. [2] El propio autor señala en los agradecimientos del libro que se le advirtió que para cada ecuación en el libro, el número de lectores se reduciría a la mitad, por lo que solo incluye una única ecuación: . El libro emplea una serie de modelos complejos, diagramas y otras ilustraciones para detallar algunos de los conceptos que explora.
En Breve historia del tiempo , Stephen Hawking explica una serie de temas de la cosmología , entre ellos el Big Bang, los agujeros negros y los conos de luz , al lector no especialista. 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 ediciones posteriores, Hawking analiza la posibilidad de los viajes en el tiempo y los agujeros de gusano y explora la posibilidad de tener un Universo sin una singularidad cuántica al principio 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 filósofo griego Aristóteles sobre la Tierra esférica y un modelo geocéntrico circular del Universo, elaborado posteriormente 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 del Sistema Solar actualmente aceptado 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 (que 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 explica cómo se estudió y debatió a lo largo de los siglos el tema del origen del Universo y del tiempo: la existencia perenne del Universo, planteada por Aristóteles y otros filósofos primitivos, 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 principio. En 1929, el descubrimiento del Universo en expansión por parte del astrónomo estadounidense Edwin Hubble implicaba 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 teoría unificada completa que describa todo lo que hay en el Universo.
En este capítulo, Hawking describe el desarrollo del pensamiento científico sobre 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 solo puede moverse mediante 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 era errónea al observar el movimiento de objetos de diferentes pesos y concluir que todos los objetos caerían a la misma velocidad. Esto finalmente condujo a las leyes del movimiento y la gravedad del científico inglés Isaac Newton . Sin embargo, las leyes de Newton implicaban que no existe tal cosa como 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 luego 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 Ío, así como las ecuaciones del científico británico James Clerk Maxwell sobre electromagnetismo que mostraron que la luz viaja en ondas que se mueven 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 refutado más tarde por el experimento de Michelson-Morley , que mostró que la velocidad de la luz siempre permanece constante independientemente del movimiento del observador. Einstein y Henri Poincaré argumentaron posteriormente que no es necesario el éter para explicar el movimiento de la luz, suponiendo que no existe un tiempo absoluto . La teoría especial de la relatividad se basa en esto, argumentando que la luz viaja con una velocidad finita sin importar cuál sea la velocidad del observador.
La masa y la energía están relacionadas por la 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 utilizando conos de luz , una representación gráfica del espacio-tiempo que restringe qué eventos están permitidos y cuáles no en función de los conos de luz pasados y futuros. También se describe un espacio-tiempo de 4 dimensiones , en el que el "espacio" y el "tiempo" están intrínsecamente vinculados. El movimiento de un objeto a través del espacio inevitablemente impacta 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 otra materia. En la curvatura del espacio-tiempo , la luz siempre viaja en una trayectoria recta en el "espacio-tiempo" de 4 dimensiones, pero puede parecer curvarse en el espacio tridimensional debido a los efectos gravitacionales. Estas trayectorias en línea recta son geodésicas . La paradoja de los gemelos , un experimento mental en relatividad especial que involucra 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 curvaturas desiguales del espacio-tiempo. La relatividad especial se basa en arenas de espacio y tiempo donde tienen lugar los eventos, mientras que la relatividad general es dinámica donde la fuerza podría cambiar la curvatura del espacio-tiempo y que da lugar a un Universo dinámico y en expansión. Hawking y Roger Penrose trabajaron en esto y más tarde demostraron, utilizando 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 desde ahora hacia el futuro.
En este capítulo, Hawking describe primero 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 relacionadas mediante una fórmula matemática simple. Usando todo esto, calculó las 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 solo 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 como cada elemento tiene sus propios espectros únicos, podemos medir los espectros de luz de una estrella para conocer su composición química. Utilizamos los espectros térmicos de las estrellas para conocer su temperatura. En 1920, cuando los científicos examinaban espectros de diferentes galaxias, descubrieron que algunas de las líneas características del espectro de las estrellas estaban desplazadas hacia el extremo rojo del espectro. Las implicaciones de este fenómeno las dio el efecto Doppler , y quedó claro que muchas galaxias se alejaban de nosotros.
Se suponía que, dado que algunas galaxias están desplazadas hacia el rojo, algunas galaxias también lo estarían hacia el azul. Sin embargo, las galaxias desplazadas hacia el rojo superaban en número a las desplazadas hacia el azul. Hubble descubrió que la cantidad de desplazamiento hacia el 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 quedaron con 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 Bell Labs , Arno Penzias y Robert Wilson , encontraron una radiación de microondas inesperada no solo de una parte particular del cielo sino de todas partes y en casi la misma cantidad. De este modo, la primera suposición de Friedmann resultó ser 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 resplandor del Universo primitivo como radiación de microondas de fondo. Wilson y Penzias ya lo habían hecho, por lo que fueron galardonados con 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, lo que apoya la segunda suposición de Friedmann. Su trabajo permaneció en gran parte desconocido hasta que Howard Robertson y Arthur Walker elaboraron modelos similares .
El modelo de Friedmann dio lugar a tres tipos diferentes de modelos para la evolución del Universo. En primer lugar, 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 conduce a la atracción gravitatoria), 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, lo que daría 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 describe el espacio del Universo como curvado hacia dentro . En el segundo modelo, el espacio daría lugar a una estructura plana , y el tercer modelo da como resultado una curvatura negativa "en forma de silla de montar" . Incluso si hacemos cálculos, la tasa de expansión actual es mayor que la densidad crítica del Universo, incluyendo la materia oscura y todas las masas estelares. El primer modelo incluía el comienzo del Universo como un Big Bang a partir de un espacio de densidad infinita y volumen cero conocido como " singularidad ", un punto en el que también se desmorona la teoría general de la relatividad (en la que se basan las soluciones de Friedmann).
Este concepto del comienzo del tiempo (propuesto por el sacerdote católico belga Georges Lemaître ) parecía estar motivado originalmente por creencias religiosas, debido a su apoyo a la afirmación bíblica de que el universo tuvo un comienzo en el tiempo en lugar de ser eterno. [3] Así que se introdujo una nueva teoría, la "teoría del estado estacionario" de 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 cerca de nosotros sean mucho menos que las del Universo distante, y hubiera muchas más fuentes de radio que en la actualidad, resultó en el fracaso de esta teoría y 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 también fracasaron.
Roger Penrose utilizó conos de luz y la relatividad general para demostrar que una estrella en colapso podría dar lugar a una región de tamaño cero y densidad y curvatura infinitas llamada agujero negro . Hawking y Penrose demostraron juntos que el Universo debería haber surgido de una singularidad, lo que el propio Hawking desmintió una vez que se tienen en cuenta los efectos cuánticos.
En este capítulo, Hawking analiza primero 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 irradiar en paquetes pequeños y finitos llamados cuantos .
Hawking luego analiza 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. Esto refutó la idea de Laplace de una teoría completamente determinista del universo. Hawking luego describe el eventual desarrollo de la mecánica cuántica por Heisenberg, el físico austríaco Erwin Schrödinger y el físico inglés Paul Dirac en la década de 1920, una teoría que introdujo un elemento irreducible de imprevisibilidad en la ciencia y, a pesar de las fuertes objeciones del científico alemán Albert Einstein , ha demostrado ser muy exitosa en la descripción del universo excepto por 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).
Hawking 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 bloques de construcción de la materia. Mientras que la teoría del científico danés Niels Bohr solo resolvió 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 forma 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 tiene que conciliarse con la teoría cuántica en situaciones en las que la gravedad es muy fuerte, como los agujeros negros y el Big Bang.
En este capítulo, Hawking traza 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 los átomos que se combinan para formar moléculas , el descubrimiento de JJ Thomson de los electrones dentro de los átomos, 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 , fondo y cima ) 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 analiza luego la propiedad de espín de las partículas, que determina cómo se ve una partícula desde diferentes direcciones. A continuación, Hawking analiza dos grupos de partículas en el Universo en función de su espín: los fermiones y los 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 hacia arriba" no pueden ocupar la misma ubicación en el espacio). Sin esta regla, no podrían existir las estructuras complejas.
Los bosones o partículas portadoras de fuerza, con un espín de 0, 1 o 2, no siguen el principio de exclusión. Hawking da entonces los ejemplos de gravitones virtuales y fotones virtuales . Los gravitones virtuales, con un espín de 2, llevan la fuerza de la gravedad . Los fotones virtuales, con un espín de 1, llevan la fuerza electromagnética . Hawking analiza entonces 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 a los quarks en hadrones , normalmente neutrones y protones , y también une a los neutrones y protones en núcleos atómicos . Hawking escribe entonces sobre el fenómeno llamado confinamiento de 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 única fuerza electrodébil , lo que da lugar a la especulación de que a temperaturas aún más altas, la fuerza electrodébil y la fuerza nuclear fuerte también se comportarían como una única fuerza. Las teorías que intentan describir el comportamiento de esta fuerza "combinada" se denominan teorías de gran unificación , que 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 del que ninguna partícula puede escapar al resto del espacio-tiempo. Hawking luego analiza los agujeros negros no giratorios con simetría esférica y los giratorios con axisimetría . Hawking luego describe cómo los astrónomos descubren un agujero negro no directamente, sino indirectamente, al observar con telescopios especiales los poderosos rayos X emitidos cuando consume una estrella. Hawking termina el capítulo mencionando su famosa apuesta hecha en 1974 con el físico estadounidense Kip Thorne en la que Hawking argumentó que los agujeros negros no existían. Hawking perdió la apuesta cuando nuevas pruebas demostraron que Cygnus X-1 era de hecho 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 solo pueden hacerse más grandes, y nunca más pequeños, 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 "perder" 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, devolviendo la energía prestada y dejando de existir. Sin embargo, en el borde de un agujero negro, una partícula virtual podría quedar atrapada por el agujero negro mientras que la otra escapa. Debido a la segunda ley de la termodinámica , las partículas tienen "prohibido" tomar energía del vacío. Por lo tanto, la partícula toma energía del agujero negro en lugar de hacerlo del vacío, y escapa del agujero negro como radiación de Hawking .
Según Hawking, los agujeros negros deben encogerse muy lentamente con el tiempo y finalmente "evaporarse" debido a esta radiación, en lugar de continuar existiendo para siempre, como los científicos habían creído anteriormente.
En este capítulo se analiza el principio y el fin del universo.
La mayoría de los científicos coinciden en que el Universo comenzó en una expansión llamada "Big Bang". Al comienzo del Big Bang, el Universo tenía una temperatura extremadamente alta, lo que impidió la formación de estructuras complejas como las estrellas, o incluso estructuras 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 desconcertado mucho a los investigadores. Después de la inflación, el Universo continuó expandiéndose a un ritmo más lento. Se volvió mucho más frío, lo que finalmente permitió la formación de tales estructuras.
Hawking también analiza cómo el Universo podría haber tenido un aspecto diferente si hubiera crecido en tamaño más lento o más rápido de lo que realmente lo ha hecho. Por ejemplo, si el Universo se expandiera demasiado lentamente, colapsaría y no habría tiempo suficiente para que se formara vida . Si el Universo se expandiera demasiado rápido, se habría quedado casi vacío.
Hawking finalmente propone la conclusión de que el universo podría ser finito, pero ilimitado. En otras palabras, podría no tener principio ni fin en el tiempo, sino simplemente existir con una cantidad finita de materia y energía.
En este capítulo también se analiza el concepto de gravedad cuántica .
En este capítulo, Hawking explica por qué el "tiempo real", como denomina Hawking al tiempo tal como lo observamos y experimentamos los seres humanos (en contraste con el " tiempo imaginario ", que Hawking afirma que es inherente a las leyes de la ciencia), parece tener una dirección determinada, en particular desde el pasado hacia el futuro. A continuación, Hawking analiza tres " flechas del tiempo " que, en su opinión, le dan 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 (a la que Hawking llama desorden). Según Hawking, es por eso que nunca vemos que los pedazos rotos de una taza se reúnan para formar una taza entera. La segunda flecha de Hawking es la flecha psicológica del tiempo , por la que nuestro sentido subjetivo del tiempo parece fluir en una dirección, por lo que 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 lo observamos funcionando 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 termodinámica y cosmológica del tiempo no coincidirían.
Hawking afirma entonces que la " propuesta de no tener límites " para el universo implica que éste se expandirá durante algún tiempo antes de contraerse de nuevo. Continúa argumentando que la propuesta de no tener límites es lo que impulsa la entropía y que predice la existencia de una flecha termodinámica del tiempo bien definida si y solo si el universo se está expandiendo, ya que implica que el universo debe haber comenzado en un estado suave y ordenado que debe crecer hacia el desorden a medida que avanza el tiempo. Argumenta que, debido a la propuesta de no tener límites, un universo en contracción no tendría una flecha termodinámica bien definida y, por lo tanto, solo un universo que esté en una fase de expansión puede albergar 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 pueda ser observada por la vida inteligente. Esto, en opinión de Hawking, es la razón por la que los humanos experimentamos estas tres flechas del tiempo yendo 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 métodos posibles para que los humanos con tecnología avanzada puedan 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 de Einstein-Rosen se propusieron temprano en 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 se reubicaría 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 un agujero de gusano de este tipo, incluso si fuera posible que se formara en primer lugar, no permitiría que ningún material pasara antes de volver a convertirse en un agujero negro normal. La única forma en que un agujero de gusano podría permanecer teóricamente abierto, y así permitir viajes más rápidos que la luz o viajes en el tiempo, requeriría la existencia de materia exótica con densidad de energía negativa , lo que viola las condiciones de energía de la relatividad general. Como tal, casi todos los físicos están de acuerdo en que viajar más rápido que la luz y viajar hacia atrás en el tiempo no son posibles.
Hawking también describe su propia " conjetura de protección de la cronología ", 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 (RG) describen la física del Universo con una precisión asombrosa dentro de sus propios dominios de aplicabilidad. Sin embargo, estas dos teorías se contradicen entre sí. Por ejemplo, el principio de incertidumbre de la QFT es incompatible con la RG. Esta contradicción, y el hecho de que la QFT y la RG no expliquen completamente los fenómenos observados , han llevado a los físicos a buscar una teoría de la " gravedad cuántica " que sea coherente internamente y que explique los fenómenos observados tan bien o mejor que las teorías existentes.
Hawking es cautelosamente optimista de que una teoría unificada del universo pueda encontrarse pronto, a pesar de los desafíos significativos. 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 aún estaban incompletas y aún no se habían demostrado a pesar de un esfuerzo significativo (esto sigue siendo así a partir de 2021). La teoría de cuerdas propone que las partículas se comportan como "cuerdas" unidimensionales, en lugar de partículas adimensionales como lo hacen en la teoría cuántica de campos. Estas cuerdas "vibran" en muchas dimensiones. En lugar de 3 dimensiones como en la teoría cuántica de campos o 4 dimensiones como en la RG, 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 teoría de cuerdas , cada uno de los cuales describe un universo con diferentes propiedades. Sin un medio para limitar el alcance de las posibilidades, es probable que 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 son difíciles de estudiar.
Hawking propone tres posibilidades: 1) existe una teoría unificada completa que acabaremos encontrando; 2) las características superpuestas de los diferentes paisajes nos permitirán explicar la física de forma gradual y con mayor precisión con el tiempo, y 3) no existe una teoría definitiva. La tercera posibilidad se ha dejado de lado al reconocer los límites que impone 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 entorno de laboratorio, se encontrará en el siglo XXI una teoría completa de la Gravedad Cuántica que permitirá a los físicos resolver muchos de los problemas actualmente sin resolver de la física.
En este último capítulo, Hawking resume los esfuerzos que los seres humanos han hecho a lo largo de su historia para comprender el universo y su lugar en él: desde la creencia en espíritus antropomórficos que controlan la naturaleza, hasta el reconocimiento de patrones regulares en la naturaleza y, finalmente, con el avance científico de los últimos siglos, el funcionamiento interno del universo se ha entendido mucho mejor. Recuerda la sugerencia del matemático francés del siglo XIX Laplace de que la estructura y la evolución del universo podrían eventualmente explicarse con precisión mediante un conjunto de leyes cuyo origen se deja 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 la 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 actuales que trabajan en estas teorías las abordan con cálculos matemáticos y observaciones empíricas, en lugar de plantearse esas preguntas filosóficas. En su opinión, la naturaleza cada vez más técnica de estas teorías ha hecho que la cosmología moderna se aleje cada vez más de la discusión filosófica. No obstante, Hawking expresa la esperanza de que un 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 fue eliminada después de la primera edición, ya que los derechos de autor pertenecían a Sagan, no a Hawking ni a la editorial, y esta no tenía derecho a reimprimirla a perpetuidad. Hawking escribió su propia introducción para ediciones posteriores.
En 1991, Errol Morris dirigió un documental sobre Hawking; aunque comparten título, la película es un estudio biográfico de Hawking, y no una versión filmada del libro.
"Stephen Hawking's Pocket Universe: A Brief History of Time Revisited" está basada en el libro. La aplicación fue desarrollada por Preloaded para la editorial 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 una ópera para estrenarla 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 fue modificada para que tratara sobre un tema diferente y finalmente fue cancelada por completo. [7]
