¿Demasiado famoso para el Nobel? Cuales fueron los aportes científicos de Hawking

Confinado en una silla de ruedas mientras su mente vagaba por el universo, Stephen Hawking hizo varios aportes que cimentaron su relevancia en la escena científica.

La teoría de la relatividad general, de Einstein, había llevado a concluir que existían regiones del universo, los agujeros negros, donde la gravedad se hace tan intensa que ni siquiera la luz puede escapar de su atracción. El propio Einstein dudó de su existencia, pero como indicarían numerosas evidencias más tarde, estaba equivocado.

"Hawking trabajó sobre todo en dos áreas: agujeros negros y cosmología –cuenta Gonzalo Torroba, investigador del Conicet en el Instituto Balseiro y ganador del Premio Bunge y Born a Jóvenes Científicos 2017–. Básicamente sus aportes fueron en problemas donde la gravedad y los efectos cuánticos (los que rigen el zoológico subatómico) pasan a ser muy importantes."

Las ecuaciones de la relatividad general, la teoría planteada por Einstein en 1915, implican que el universo se expande. Y dado que Einstein desarrolla el concepto de espaciotiempo como una unidad, eso quiere decir que si uno va para atrás en el tiempo, el universo se contrae y su densidad aumenta y eventualmente se vuelve infinita. Es lo que se conoce como el "Big Bang", o la gran explosión inicial. "Pero existían dudas de si ese comportamiento era debido a las simplificaciones hechas en el estudio de este fenómeno –explica Jorge Pullin, investigador argentino que trabaja en la Universidad Estatal de Luisiana (marido de Gabriela González, la física, también argentina, que anunció la primera detección de ondas gravitacionales)–. En la década del 60, Hawking y Roger Penrose probaron poderosos teoremas matemáticos que mostraban que dicho comportamiento pasa en general y es inevitable dentro de la teoría de la relatividad general".

Colapso gravitacional

Diego Mazzitelli, investigador del Conicet y del Instituto Balseiro, coincide: "Hawking pudo demostrar que, bajo condiciones muy generales, cuando se produce un colapso gravitacional, una concentración muy grande de materia y energía, se va a formar una singularidad". Y agrega Torroba: "De alguna manera probó matemáticamente la teoría del Big Bang comparándolo con los agujeros negros, como un punto donde todo el universo colapsa. Se había observado que el universo se iba expandiendo, pero no se había probado que la singularidad (una región del espaciotiempo donde la curvatura, y la densidad de masa o energía se vuelven infinitas) fuera inevitable. Eso le dio mucho respaldo a la idea del Big Bang".

Después, en los años setenta, Hawking avanzó en el intento de vincular la relatividad general con la mecánica cuántica estudiando qué ocurría con las partículas subatómicas en la proximidad de un agujero negro.

"Uno sabe que para la física clásica, un agujero negro es algo que no deja escapar nada –prosigue Mazzitelli–. Cuando se atraviesa el 'horizonte de sucesos' [el borde], ya no puede volver hacia atrás. Lo que descubrió Hawking y por lo que se hizo más famoso fue que cerca del horizonte de un agujero negro puede haber creación de pares de partículas y antipartículas, y puede pasar que una caiga y otra no".

"Cuando uno incorpora estos efectos cuánticos, se da cuenta de que no ocurre como planteó Einstein, que pensaba que nada puede salir de un agujero negro; en realidad no son completamente negros, sino que emiten radiación. Es la llamada 'radiación de Hawking' –dice Torroba–. Y eso permitió preguntarse qué pasa con la información y los agujeros negros, ¿se pierde o se recupera? La física clásica dice que todo se pierde, mientras que la mecánica cuántica dice que la información se conserva. Si uno quiere reconciliar ambas teorías es necesario considerar estos fenómenos".

Radiación y energía

La radiación de Hawking no pudo detectarse porque es un efecto pequeñísimo para un agujero negro. "Las evidencias astrofísicas que avalan la existencia de agujeros negros son apabullantes para objetos que tienen varias masas solares, pero la radiación es absolutamente despreciable –detalla Mazzitelli–. Tiene más bien una importancia conceptual, porque da lugar a paradojas relacionadas con el desarrollo de una teoría cuántica de la gravitación. Comprenderla más profundamente puede ayudar a entender mejor cómo compatibilizar la cuántica con la gravedad".

Pero ese descubrimiento ya planteó preguntas fascinantes. "La radiación se lleva energía –ilustra Pullin–, lo que implicaría que el agujero negro pierde masa, lo que a su vez implica que su temperatura aumenta. El proceso pareceria sugerir que el agujero negro se puede evaporar completamente. Eso genera la pregunta de adónde fue a parar todo lo que cayó dentro del agujero negro en su formación. Lamentablemente el cálculo de Hawking no permite estudiar completamente el proceso, solo sus instantes iniciales. Aun hoy dia no tenemos un entendimiento detallado del mismo. En mi opinión este es el problema más importante de la fisica teórica fundamental porque pone a prueba la teoria cuántica, la teoría de la relatividad general y la termodinámica en sus regímenes más extremos".

Paradójicamente, mientras la figura del científico era aclamada por multitudes y se convertía en un ícono de la cultura pop, en ocasiones se minimizaban sus aportes entre los físicos. No es el caso de Torroba: "Mostró que el Big Bang y los agujeros negros son problemas importantes y que podemos empezar a combinar la mecánica cuántica y la relatividad general –afirma–. Muchas de las preguntas que estamos haciendo hoy día son motivadas por problemas que él resolvió. No desarrolló una teoría nueva, pero abrió caminos y planteó paradojas y soluciones que todavía estamos discutiendo. Mi opinión personal fue que debería haber recibido un Nobel".

Para Pullin, Hawking de algún modo sucumbió a su propia popularidad. "Fue sin duda una figura verdaderamente importante –explica–.Alguna gente quizá apunta a que el nivel de celebridad que tuvo lo puso ante los ojos del público como alguien totalmente por encima de los demás cuando otros físicos de similar nivel son menos conocidos. Pero eso sucede, en mayor o menor medida, con otros científicos cuando adquieren una presencia pública. Alguna gente reacciona negativamente ante estas cosas. Por ejemplo, se comenta que Carl Sagan no fue electo a la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos pese a que la mayoría consideraba que tenia méritos para ello, por la celebridad que había adquirido por su trabajo de divulgación en televisión. En el caso de Hawking, aun después de 40 años no hemos podido clarificar algunos de los interrogantes que su trabajo abrió".