Casi siempre opacado por su figura mediática, el físico británico Stephen Hawking, quien murió a los 76 años el pasado 14 de marzo, tras vivir más de medio siglo con esclerosis lateral amiotrófica (ELA), fue un teórico que dejó contribuciones importantes para la comprensión del origen del Universo y la física de los agujeros negros. En 1963, supo que padecía de esa enfermedad neuromotora, que le reduciría progresivamente los movimientos y lo condenaría durante décadas a una silla de ruedas. El período de su vida considerado como el más productivo para la ciencia es el de los 10 oó15 años que siguieron al diagnóstico, antes de la llegada a su fama planetaria. “Hasta mediados de la década de 1970, Hawking hizo trabajos muy sólidos”, sostiene el físico George Matsas, del Instituto de Física Teórica de la Universidade Estadual Paulista (IFT-Unesp). “Después, su producción científica cobró tonos más especulativos.”
Hawking nació en Oxford y cursó la carrera de física en la famosa universidad local. Pero, a los 20 años, una vez graduado, se pasó a la Universidad de Cambridge, histórica rival de Oxford, para cursar un doctorado en física, más específicamente en cosmología. Obtuvo su PhD en 1966 con la tesis intitulada “Propiedades de universos en expansión”. Su primer trabajo de peso se publicó en 1970, en coautoría con el matemático británico Roger Penrose, entonces profesor del Birkbeck College de la Universidad de Londres y diez años más grande.
En un artículo que se publicó el 27 de enero de ese año en el periódico científico Proceedings of the Royal Society A, Hawking y Penrose señalaron una implicación de la teoría general de la relatividad de Einstein, que trata a la gravitación como una propiedad geométrica del espacio-tiempo. Según el dúo de científicos, las ideas del físico alemán conducían inexorablemente a la conclusión de que el Universo tendría que haber comenzado en el pasado remoto por medio de una singularidad gravitacional, un punto del espacio-tiempo con curvatura infinita. “Ellos demostraron matemáticamente que, si la flecha del tiempo se revierte, surgirá una singularidad clásica”, explica Daniel Vanzella, del Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IFSC-USP). Esa singularidad inicial, en la que toda la materia estaría colapsada en un punto de densidad infinita, sería el llamado Big Bang, el inicio del Universo. La idea de que hubo Big Bang es anterior al artículo de Hawking y Penrose. Lo que ellos hicieron fue probar que la relatividad general hacía que esa singularidad inicial fuera inevitable dentro del contexto clásico (es decir, sin tener en cuenta ingredientes cuánticos).
Todavía trabajando con la relatividad general y el concepto de singularidad, en los primeros años de la década de 1970, Hawking se dedicó a investigar unos de los objetos más misteriosos del Cosmos, los agujeros negros. Sus primeros estudios corroboraron la visión clásica sobre este tema. Definidos como regiones del espacio-tiempo sumamente compactas, donde la gravedad es tan fuerte que nada le escapa –ni la luz–, los agujeros negros emergen de esos trabajos iniciales como entidades indestructibles. Toda materia o energía que cruza el horizonte de eventos, límite que demarca la frontera de no retorno alrededor del agujero, es succionada hacia su interior. Según esta interpretación, la masa de los agujeros negros sólo aumentaría y nunca podría disminuir.
La cuestión se volvió bastante más compleja y tomó un rumbo inesperado cuando Hawking pasó a tener en cuenta, además de la relatividad general, las ideas de la mecánica cuántica en sus análisis y cálculos sobre la dinámica de los agujeros negros. En un trabajo firmado por él únicamente, publicado el 1º de marzo de 1974 en la revista Nature, expuso por primera vez la idea de que los agujeros negros deberían emitir partículas subatómicas, en una propuesta teórica que quedaría conocida como la radiación Hawking. “Mientras que un agujero negro emite esa radiación térmica, se espera que pierda masa”, escribió el físico de Cambridge en su paper. Dicha radiación sería, por lo tanto, un efecto cuántico que haría que los agujeros negros pierdan energía (y masa) poco a poco. Ésta constituiría una evidencia de que, a diferencia de lo que postulaba la relatividad general, los agujeros negros podrían encogerse y evaporarse. O sea, podrían destruirse. “Cuanto menor el tamaño del agujero negro, mayor sería la temperatura de la radiación emitida”, comenta el físico teórico André Landulfo, de la Universidad Federal del ABC (UFABC). Como diría el propio Hawking más adelante, los agujeros negros no serían tan negros.
Partículas virtuales
El mecanismo responsable de la creación de la radiación Hawking tendría relación con lo que los físicos denominan partículas virtuales. El vacío estaría poblado de partículas y antipartículas, que se crearían y se aniquilarían rápidamente de a pares. Esto ocurriría tan velozmente que, de acuerdo con el principio de Heisenberg, una de las leyes básicas de la mecánica cuántica, esas partículas no podrían observarse directamente. De allí su definición como virtuales. Sin embargo, cerca del horizonte de eventos de un agujero negro, sucedería a veces algo especial: una de las partículas del par surgiría en el interior de agujero negro con energía negativa mientras que su compañera aparecería fuera de él con energía positiva. Las partículas, en este caso, serían reales y no virtuales. La partícula fuera del horizonte de eventos sería observada en el infinito como radiación térmica, la famosa radiación Hawking. La del interior causaría al agujero negro una pérdida de energía, haciéndolo encogerse. “Al final de este proceso, todo ocurre como si el agujero se hubiera evaporado por la emisión de radiación”, explica Matsas.
Desde entonces, el concepto de la radiación Hawking, aunque ésta nunca se ha confirmado en forma experimental, se afianzó como una de las ideas más importantes sobre el funcionamiento de los agujeros negros. Se la considera la mayor contribución científica del físico británico. “Para cualquier agujero negro que surgiera en procesos astrofísicos normales, la radiación Hawking sería, empero, sumamente pequeña y seguramente no observable de forma directa mediante cualquier técnica hoy en día conocida”, comentó Roger Penrose, actualmente profesor emérito de la Universidad de Oxford, en un artículo publicado en el diario londinense The Guardian luego de la muerte del colega. Matsas acota que, en otras áreas de la física, se han encontrado efectos análogos a la radiación Hawking, tales como ondas sonoras que se escapan de agujeros negros acústicos, nubes de átomos de las cuales el sonido no debería salir.
Temas como el origen del Universo, del tiempo y del espacio, y la naturaleza de los agujeros negros siguieron presentes tanto en la obra científica como en los trabajos de divulgación, destinados a un público más amplio, a lo largo de la vida de Hawking. No obstante, nuevas cuestiones, algunas de carácter más especulativo, como las dimensiones extras previstas en la teoría de supercuerdas o la existencia de otros universos (además del nuestro), también pasaron a ocupar la mente del físico celebridad.
Después del alemán Albert Einstein (1879-1955), el científico más conocido del siglo XX, pocos físicos se hicieron tan populares entre el público lego como Hawking. Autor de libros de divulgación de la física, como el best-seller internacional Breve historia del tiempo (editorial Crítica, 1991), que vendió 10 millones de copias y se tradujo en 40 idiomas, el británico nunca se intimidó a la hora de aparecer en público. Participó en series de la televisión estadounidense, como Star Trek: The next generation y The Big Bang theory. Lo retrataron en el dibujo animado Los Simpsons. Puso su voz sintetizada en dos canciones del grupo de rock británico Pink Floyd. Su vida, además, fue tema de documentales y hasta de una película para el cine, La teoría de todo, de 2014, que le rindió un Oscar al actor británico que lo interpretó, Eddie Redmayne.
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