Me enteré de la noticia el pasado miércoles 14 de marzo. El gran Stephen Hawking acababa de morir. Efectivamente, el mundo entero recibía aquel día las malas nuevas de la partida de uno de sus astrofísicos teóricos más brillantes, el más popular internacionalmente a partir de su ampliamente leída Breve Historia del Tiempo. Hawking, sin lugar a dudas, representa la imagen icónica moderna del genio de la física en la segunda mitad del siglo XX y principios del XXI. Antes que él, era el mismo Einstein quien portaba ese emblema.

Aunque de acuerdo a ciertos criterios el trabajo y contribuciones de Hawking en cosmología y agujeros negros podrían haberlo hecho acreedor al Premio Nobel de Física, sus predicciones teóricas (como la radiación Hawking) no han podido aun ser confirmadas observacional o experimentalmente, requisito fundamental de la Academia Sueca de Ciencias para otorgar tan prestigiado honor. Fue por esto que Hawking nunca lo recibió. Como referencia Kip Thorne, amigo y colega de Hawking, experto también en relatividad y gravitación, fue galardonado con el Nobel en 2017 precisamente por haber formado parte del equipo de científicos que detectó por primera vez una onda gravitacional, predicción teórica de Einstein (ver artículo “Ondas gravitacionales…”).

Afectado por la llamada enfermedad de Lou Gehrig —esclerosis lateral amiotrófica (ELA)— desde sus años como estudiante en Oxford, la cual paralizó gradualmente su cuerpo, Hawking pasó la mayor parte de su vida y prácticamente toda su carrera como científico confinado a una silla de ruedas. Pero mientras su cuerpo perdía movilidad, su cerebro se vigorizaba con nuevas y desafiantes ideas, las que vinieron a fructificar y tener eco a partir de los años 60, una época de renovado entusiasmo e interés científico en conceptos tan audaces como las singularidades y los agujeros negros, cuyo estudio implicaba llevar las herramientas de la relatividad de Einstein y la física cuántica —la nueva física del siglo XX— a nuevos límites. En este marco, Hawking realiza su tesis doctoral motivado por las ideas del cosmólogo Dennis Sciama (quien a su vez fue estudiante del gran Paul Dirac, uno de los fundadores de la mecánica cuántica) abordando el problema del origen del universo como una singularidad.

En física una singularidad es entendida como la situación en la que los parámetros físicos como la temperatura o densidad de un sistema crecen sin límite (se vuelven infinitos) cuando, por ejemplo, se concentra una gran cantidad de materia en un espacio minúsculo. Esto es fácil de comprender a través del concepto de densidad, definido como la cantidad de materia contenida en un volumen dado (masa/volumen). Ejemplo: Si se tienen inicialmente 10 gramos de masa contenidos en un volumen de 1 centímetro cúbico, la densidad es de 10/1= 10 gramos por centímetro cúbico. Si ahora reducimos el volumen a 0.1 centímetros cúbicos manteniendo la misma masa, entonces la densidad será 10/0.1= 100 gramos por centímetro cúbico. El objeto resultante es 10 veces más denso que el original. Si continuamos este ejercicio de reducción del espacio disponible para contener nuestra masa de 10 g, obtendremos densidades de 1000, 10,000, 100,000 gramos por centímetro cúbico si el volumen considerado es de 0.01, 0.001 o 0.0001 centímetros cúbicos, respectivamente. Llegaremos a alcanzar incluso densidades extremas, como las de las enanas blancas y estrellas de neutrones (millones y billones de gramos por centímetro cúbico), pero podremos ir más allá confirmando siempre la regla de que la densidad aumenta si el volumen disminuye.

Una singularidad surgirá en el momento justo cuando el volumen considerado sea exactamente igual a cero, el más pequeño físicamente posible; es decir, cuando tratemos de concentrar esos 10 gramos a un punto, pues un punto no tiene volumen. Aunque dividir por cero es una violación matemática (decimoprimer mandamiento: “Nunca dividirás por cero”), es claro que aunque cualquier calculadora nos arroje un error “E” al intentarlo, conceptualmente el resultado de 10/0 es una densidad que crece sin límite, una densidad infinita. Un agujero negro es un ejemplo típico de una singularidad, la que surge en el momento de la muerte de una estrella masiva que colapsa sobre sí misma. El violento proceso lleva precisamente a la concentración de una gran cantidad de masa en un volumen infinitesimal.

Stephen Hawking fue un físico que estudió agujeros negros y singularidades toda su vida, pero ¿ qué tipo de herramientas usaba concretamente en su trabajo diario ? Bueno, las matemáticas y conceptos físicos propios de la relatividad general y la mecánica cuántica que aplicó conjuntamente para entender tales objetos. Hawking usaba tensores —los entes matemáticos naturales en relatividad general— y cálculo tensorial, así como ecuaciones diferenciales, además del formalismo del análisis funcional y los campos vectoriales de la mecánica cuántica, matemáticas avanzadas que sin embargo tienen sus bases conceptuales en las mismas matemáticas universitarias que, por ejemplo, nuestros estudiantes de ingeniería y física en UTEP o la UACJ aprenden en sus cursos de cálculo y álgebra lineal de licenciatura.

Finalicemos haciendo un resumen de las contribuciones más importantes de Stephen Hawking, aquellas por las que fue y será reconocido como el gran físico y teórico de nuestra generación:

1. En su tesis doctoral de 1966 demuestra que el universo tuvo un origen (en el Big Bang) inevitablemente a partir de una singularidad.
2. Demuestra con Roger Penrose en 1970 que las leyes de la relatividad general de Einstein se rompen en la presencia de una singularidad, como es el caso del interior de un agujero negro o en el momento del origen del universo.
3. Propone en 1974 la radiación Hawking, su aportación científica más famosa. La física cuántica predice la creación espontánea en el universo de pares de partículas virtuales (como un electrón y un positrón) que rápidamente se aniquilan mutuamente dando origen a luz de alta energía. Hawking sugirió el hecho de que si este par de partículas surgieran en la vecindad de un hoyo negro, cabría la posibilidad de que una de ellas escapara el enorme jalón gravitacional del mismo, mientras que la otra fuera devorada irremediablemente por él. Para un observador externo, esto daría la impresión de que el hoyo negro “emitió” o “radió” la partícula que escapó y que por lo tanto no es un sumidero absoluto de materia y energía. En otras palabras, un hoyo negro podría también radiar. La radiación Hawking es un fenómeno muy sutil no detectado aun que sugiere que los hoyos negros pueden morir al “evaporarse” radiando energía.
4. Propone con James Hurtle en 1986 la condición “sin fronteras”, un modelo cuántico del universo (denominado un estado Hawking-Hurtle) que básicamente establece que el universo es finito pero no tiene fronteras, así como la Tierra tiene una superficie finita pero no una orilla desde la cual, por ejemplo, podamos “caernos”.
5. Publica en 1988 Una Breve Historia del Tiempo, un best seller de divulgación científica dirigido al público en general donde da las respuestas de la física moderna de una manera relativamente sencilla a preguntas fundamentales sobre el universo.

La comunidad científica internacional lamenta la muerte de tan insigne físico e investigador.

Descanse en paz Dr. Stephen Hawking.

Héctor Noriega Mendoza

Ponente. Investigador.

Maestría en Astronomía (UNAM | NMSU) y Doctor en Astronomía por la Universidad Complutense de Madrid (UCM)

Fundador de la Sociedad Astronómica Juarense, Cofundador del Proyecto Abel, Miembro de la Sociedad Mexicana para la Divulgación de la Ciencia y la Técnica, Miembro de la American Astronomical Society y Profesor de tiempo completo de Astronomía en UTEP.