El Universo de Steven Hawking

El Universo de Steven Hawking

La hipótesis de los no límites

Stephen Hawkings, uno de los líderes entre los cosmólogos de nuestros tiempos, ha desarrollado una hipótesis divergente sobre el origen del universo, al modelo estándar del Big-bang. Nadie sabe si realmente existen singularidades intrínsecas, como se deduce de la teoría de la relatividad. Para los físicos estos son una abominación, ya que en ellos la densidad y la gravitación adquieren valores infinitos. Infinidad es para la naturaleza un extranjerismo. En la llamada hipótesis del universo sin límites, para Stephen Hawking, igual como en la teoría del Big-bang, existe un comienzo no definido, pero no un final del universo. Según esto el universo no se formó desde una explosión original a partir de una singularidad, si no, se ha formado desde una esto quántico difuso. Para la expansión del universo no existen límites. Según el actual estado de conocimientos vivimos en un universo abierto, cuya velocidad de expansión está acelerandose. Esto apoya la hipótesis de Hawkins.

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Si uno se acerca al tamaño de una singularidad, por ejemplo aquella de un hoyo negro entonces, las afirmaciones de la teoría de la relatividad de Einstein pierde toda su significancia. Ya que ésta describe la dinámica del gran espacio del cosmos. Más bien, el campo del largo de Planck, sólo se puede describir mediante la mecánica quántica, aquí valen las leyes como aquellos de la indeterminación, postuladas por Werner Heisenberg, según lo cual, ya no se puede determinar la ubicación y el tiempo de una partícula subatómica, como es la tarea de la física determinarlo en forma exacta.

El estado del microcosmos es difuso, en el campo por debajo del largo de Planck de 10^-35 [m], esto significa que se trata de un constante arriba y abajo. De este modo, incluso en el vacío absoluto, se forman constantemente pares de partículas virtuales, las cuales, para su formación piden prestada energía del vacío, para devolverla mediante la posterior mutua aniquilación. La singularidad de un hoyo negro, hay que incluir absolutamente a este microcosmo, independientemente de la cantidad de masa que pueden tener, y de este modo también la singularidad del Big-bang. En estas consideraciones, también hay que incluir el dualismo onda-partícula, según lo cual una partícula subatómica puede ser definida tanto como onda o como corpúsculo. La singularidad del Big-bang, es una de estas partículas, de estas consideraciones Steven Hawking llegó a su conclusión, que el Big-bang no fue un suceso exacto, si no, que debido a la indeterminación del microcosmos, también pudo haber sido difuso.

Hawking (como también muchos otros científicos) tratan ahora, de meter “bajo un mismo sombrero” la teoría de Einstein y la mecánica quántica, de la cual debería salir una gravitación quántica, para con esto acercarse a la concepción física de una singularidad. Pues en este ámbito, nuestra capacidad de comprensión fracasa totalmente, una descripción de este estado extremo, por el momento no es posible. La teoría general de la relatividad es una teoría de la gravitación, válida a escalas de grandes espacios. La física quántica describe el micromundo, pero deja de lado la gravitación. Sin embargo, en el universo no existe otro estado que está tan dominado por la gravitación como un hoyo negro. Por esto la búsqueda de una nueva teoría que une en si los dos mundos. Quizás algún día, la teoría de las cuerdas nos podrá, como enlace, darnos una explicación, ella podría ser la tan buscada “teoría para todo”.

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¿Pero por qué, según Hawking, no tendría límites? Nuestro universo tendrá sólo una extensión limitada (después de unos 14 mil millones de años aún no puede ser infinitamente viejo, y por esto tampoco infinitamente expandido). Para aclarar esta afirmación, nos imaginaremos al universo del tamaño de la Tierra. Las cuatro dimensiones del espacio-tiempo, lo imaginamos reducido en dos dimensiones, la superficie de la Tierra. Ahora podemos viajar infinitamente por la Tierra, nunca encontraremos una meta, nunca nos toparemos con un límite. Algo parecido sucede con el universo, tiene al igual que una esfera una extensión finita, pero no límites.

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Tiempo imaginario

Ya que hasta ahora no existe ninguna solución, para la descripción de las singularidades, Hawking evita esto mediante una estratagema genial:

Él crea el concepto de tiempo imaginario. ¿Qué se puede imaginar uno con esto? ¡No trate de hacerlo! El tiempo imaginario es como calcular con números negativos. En el mundo real, menos tres manzanas en un canasto no nos dice nada, ya que en esto no hay nada que sea “comprensible”. Pero en la matemática esto si tiene sentido. Si a las menos tres manzanas le sumamos más seis manzanas, por lo menos tenemos aún tres manzanas en el canasto. Esto es entendible, pero cuando tratamos con números imaginarios: Si sacamos la raíz cuadrada de una cifra, entonces el resultado, multiplicado por si mismo, dará nuevamente el número original:

Aquí como resultado siempre vemos a un número positivo ¿Pero que sucede si sacamos la raíz cuadrada a un número negativo?

Como resultado de este cálculo deberíamos obtener una cifra, que multiplicada por si misma vuelva a dar -9. Entre números naturales (reales) será difícil encontrar un número así -3^2 da 9. Aquí nos encontramos en el reino de lo imaginario, cifras complejas respectivamente. Un número así se compone de un componente real y otro imaginario designado como i. Luego:

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Algo parecido sucede con el tiempo imaginario. El tiempo real, es algo comprensible para nosotros, comienza con el Big-bang, tenemos un pasado, un presente y miramos hacia un futuro. Este desenvolvimiento del tiempo uno se lo puede imaginar como un chorro, pero el tiempo negativo se mueve en forma perpendicular a este chorro:

Imaginäre Zeit = Tiempo imaginario

Zeitbeginn = Comienzo del tiempo

Gegenwart = Presente

Zukunft = Futuro

Unbestimmter Quantenzustand = estado quántico indeterminado

El tiempo imaginario fluye en un plano incomprensible para nosotros (Ni siquiera estamos realmente capacitados, para comprender el tiempo “real” que fluye en forma monótona). En el concepto de Steven Hawking, el cosmos se expande en forma infinita, dentro de este tiempo imaginario. Al igual como se busca inútilmente un comienzo y un final en una esfera, Hawking evade en su hipótesis el muy incómodo estado de la singularidad y del Big-bang, al postular el comienzo del universo en una naturaleza quántica indeterminada.

En este difuso estado inicial, parecido a la fundamentada hipótesis inflacionaria de Andrej Linde y Hugh Everett y también la teoría de las cuerdas, se pudieron haber formado, infinitos cosmos (los tal llamados “Baby-universos”), estos podrían formar un multiverso, parecido al mundo quántico, en el cual constantemente se originan nuevos universos, que se desarrollan y se extinguen. Sólo en nuestro universo las condiciones, deberían haber sido tan favorables, como por ejemplo las leyes naturales, de manera que, nuestro universo se pudo desarrollar tal como es, con todas sus estrellas, galaxias y finalmente la vida. Otros cosmos, al contrario, podrían tener más dimensiones o podrían estar exentos de materia. En todo caso, desde el punto de vista actual no se puede excluir la existencia de innumerables otros universos.

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Radiación de Hawking

En 1974 Steven Hawking ha presentado otra teoría, que se refiere a la “duración de la vida” de un hoyo negro. Según esto la mecánica quántica y la indeterminación de Heisenberg los hoyos negros, en contra de todas las expectativas, pueden emitir una radiación débil.

Esta radiación de Hawking surge del hecho, que en todas partes del microcosmos pueden originarse en forma espontánea pares de partículas virtuales, compuestos por una partícula y una antipartícula. Normalmente ambas partículas se aniquilan de inmediato. Incluso un vacío es un mar hirviente de una constante formación y aniquilación de partículas, la energía la piden prestada del vacío y mediante la aniquilación la devuelven. Estos pares de partículas virtuales pueden ser separados, si por ejemplo se expone un electrón virtual y su correspondiente positrón se expone a un fuerte campo magnético. Con esto las partículas ganan tanta energía, que alcanzan su masa de reposo y por lo tanto, se convierten en partículas reales.

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También un hoyo negro es capaz de separar pares de partículas virtuales (fotones). En base de los enormes efectos de las mareas (diferencias extremas de la gravitación a distintas distancias) en la cercanía del horizonte de sucesos, una partícula del par puede precipitarse dentro del hoyo y la otra parte se escapa. Por la caída dentro del hoyo la partícula pierda tanta energía (ya que debe proporcionar energía contra la gravitación), que en última instancia se hace negativa. Esta energía negativa le sustrae masa del hoyo negro, justo tanto como le corresponde a su energía equivalente en masa. La otra partícula se escapa y gana energía con el aumento de la distancia, de modo que se puede transformar en una partícula real.

Según Hawking, se podría medir la corriente de fotones que se escapan, como Radiación de calor. Esta, sin embargo sería muy reducida, en un hoyo con algunas masas solares, estaría a unos diezmillonésimas [K] sobre el cero absoluto. La radiación depende directamente de la masa del hoyo negro, a ser, inversamente proporcional. De esto se concluye, que hoyos con una gran masa sólo irradian en forma débil, emitiendo sólo fotones. Hoyos muy pequeños pueden generar incluso electrones o positrones, serían muy calientes y debería emitir rayos X y gamma. Al final, si su masa es lo suficientemente reducida, desaparecen en una explosión gigantesca. Hasta ahora no se ha logrado comprobar la radiación de los hoyos negros. En base a la radiación de Hawking, con un cosmos en expansión eterna, este mismo se podría convertir en un hoyo negro.

Última revisión: 24 de Marzo de 2006

Traducido del alemán por aagb: Juniode 2009
Con la gentil autorización de Werner Kasper, Mittelweg 1, D- 35117 Münchhausen, Abenteuer