La breve historia de Hawking (II). El prejuicio convertido en ley

Fuente: Un cura físico (AB)

Continuación del artículo La Breve Historia de Hawking (I). El muñeco de trapo

En una entrada anterior, señalamos que las ecuaciones de Einstein predicen para los primeros instantes del Universo una situación similar a la del vértice de un cono. Según va transcurriendo el tiempo, el tamaño del Universo crece de la misma forma que el radio del cono aumenta conforme nos alejamos de su vértice. Ya hemos señalado que a varios astrofísicos –Hawking entre ellos– no acaban de convencerles este escenario. ¿Por qué? Vamos a intentar explicarlo.

De nuestra contemplación del Universo hay dos cosas que llaman la atención. Bueno, en realidad hay muchísimas cosas asombrosas en el Cosmos, pero ahora nos centraremos en dos de ellas: su homogeneidad térmica y el hecho de que es casi plano.

La homogeneidad térmica del Universo

¿Qué es eso de la homogeneidad térmica? Al explorar el Cosmos se comprueba que miremos a donde miremos, el espacio vacío del Universo –es decir, ahí donde no hay estrellas ni nada– tiene más o menos la misma temperatura: 2,7 grados Kelvin (unos 270 grados bajo cero). No hay zonas más calientes ni zonas más frías. Por supuesto, existen variaciones, pero son muy pequeñas, menores de una milésima de grado: la temperatura del Espacio es prácticamente la misma en todas partes. Esto lo comprobaron Penzias y Wilson en 1965 al detectar la radiación de microondas del universo, una radiación de  fondo que llega a la Tierra desde todas los puntos del firmamento. Este descubrimiento –que fue bastante fortuito, todo hay que decirlo–, les valió el premio Nobel de Física en 1978, y fue una gran confirmación de la teoría del Big Bang; es precisamente esa la temperatura que se calcula que debería tener el Universo si efectivamente se inició con una gran explosión. 

Un reciente mapa de la temperatura de nuestro amado Universo
By ESA/NASA/JPL-Caltech CC BY-SA 4.0

Que la temperatura sea prácticamente la misma en todas partes es una cosa bastante alucinante, sobre todo si tenemos en cuenta el inmenso tamaño del Universo. Me explico: piensa en una barra de metal en la que el extremo de la derecha está algo más caliente que el resto. Conforme pasa el tiempo, la temperatura se irá distribuyendo de derecha a izquierda hasta que, pasado un buen rato, toda la barra tenga la misma temperatura. Cuanto más larga sea la barra, más tiempo se necesitará para que el calor se iguale.

Bueno, pues el problema es que el modelo del Big Bang clásico predice que la expansión del Universo fue tan rápida que no hubo tiempo suficiente para que la temperatura se igualase en todas sus partes. Esto nos deja dos alternativas. La primera es suponer que, al menos durante los primeros instantes de su existencia, el Universo se expandió de una forma distinta a como predicen las ecuaciones de Einstein. La segunda posibilidad para explicar la temperatura uniforme del Cosmos es mucho más sencilla y tal vez ya se te haya ocurrido a ti cuando leías esto: simplemente, que el Universo empezara a existir con la misma temperatura en todas partes...

Un universo que es casi plano

Pasemos ahora a la segunda peculiaridad del Universo: el hecho de que sea casi plano. Sabemos que las galaxias se separan unas de otras debido a la expansión del espacio-tiempo (como vimos aquí). Pero, a la vez que esto pasa, también se produce la atracción gravitatoria entre las galaxias. Podemos, por tanto, decir que en nuestro mundo tiene lugar una especie de batalla sin cuartel entre la expansión del universo, que separa las galaxias, y la fuerza de la gravedad, que hace que se junten. Una forma de verlo es pensar en una persona que camina por una cinta de correr: si camina lo suficientemente rápido, avanza y si no, retrocede. ¿Quién ganará? Pues, como te darás cuenta, depende de la forma en que se expande el Universo: si es suficientemente rápida, ganará la expansión y el Cosmos irá creciendo constantemente por los siglos; en caso contrario, la gravedad vencerá y las galaxias acabarán acercándose unas a otras hasta chocar entre ellas. 

Pero existe una tercera posibilidad: que ambas fuerzas se equilibren y el universo llegue al reposo. Sería lo equivalente a que la persona sobre la cinta de correr vaya exactamente a la misma velocidad que la cinta: el Universo se seguirá expandiendo, pero las galaxias, atrayéndose unas a otras, se quedarían quietas. Como ya te darás cuenta, para que esto ocurra tiene que darse una igualdad bastante precisa entre la fuerza gravitacional –y, por tanto, la cantidad de masa del Universo– y la velocidad de expansión. Es algo improbable, pero posible, al fin y al cabo...

El Universo cerrado, plano o abierto

Bueno, pues esas tres posibilidades nos dan tres tipos de universo: si el universo se expande por siempre, se dice que el Universo es abierto. Si se frena y vuelve comprimirse, universo cerrado. Si, por fin, el universo se detendrá, hablamos de universo plano.

Y, entonces, ¿cómo es nuestro Universo? Pues resulta que cuando Hawking escribió su libro no estaba del todo resuelto el asunto. Pero la observación de las galaxias lejana deja claro una cosa: que si el Universo no es plano, poco le falta. Es decir: la masa total de las galaxias es justo la precisa –poco más o menos– para que el Universo sea plano o casi.

Claro, esto puede parecerte muy interesante, pero dirás que ni te va ni te viene cómo sea el Universo. Pues no. Resulta que el hecho de que el Universo sea casi plano es una cosa estupenda. Fíjate; si el Universo fuera, por así decirlo, muy cerrado, hace tiempo que hubiera colapsado y no habría dado tiempo a que se formaran las estrellas, ni los planetas... ni nosotros mismos. Por el contrario, si fuera muy abierto, la expansión del universo habría sido tan grande que no se habrían podido formar las estrellas... ni los planetas ni nosotros mismos. Vamos, que el hecho de que el Universo sea casi plano (ni muy abierto ni muy cerrado) es una cosa bastante afortunada para nosotros.

Hawking y su rechazo al Big Bang

Como hemos señalado, el modelo de Einstein explica por qué el Universo se expande, pero no por qué tiene temperatura homogénea y geometría casi plana. Estrictamente hablando esto no es que sea un problema. Sin más, podemos considerar esos hechos como algo de facto: entre todas las posibles condiciones del Universo en su inicio son esas las que se dan, digamos, porque sí.

Sin embargo, es lógico que los investigadores intenten ver si es posible profundizar más en nuestro conocimiento de la naturaleza para dar razón de esas dos características del Universo. Este afán de conocer es algo inherente al ser humano, al fin y al cabo. No obstante, pienso que es bueno leer lo que escribe Hawking en su libro, pues nos da una interesante explicación de por qué no le gusta el modelo clásico del Big Bang.

Citando a nuestro autor, según el modelo clásico, en los primeros instantes del Universo «tendría que haber habido exactamente la misma temperatura en todas partes para explicar el hecho de que la radiación de fondo de microondas tenga la misma temperatura en todas las direcciones en que observemos. La velocidad de expansión inicial también tendría que haber sido elegida con mucha precisión, para que la velocidad de expansión del universo fuese todavía tan próxima a la velocidad crítica necesaria para evitar colapsar de nuevo». En resumidas cuentas, dice, para que el Cosmos llegara a ser como ahora lo vemos, el «estado inicial del universo tendría que haber sido elegido con mucho cuidado». Este participio, “elegido”, nos pone ya en la línea de a dónde quiere llegar: a que, en definitiva, es «muy difícil explicar por qué el universo debería haber comenzado justamente de esa manera, excepto si lo consideramos como el acto de un Dios que pretendiese crear seres como nosotros».

Y así, sin trampa ni cartón, Hawking nos dice claramente qué es lo que se propone con su modelo de universo. Él es agnóstico y quiere seguir siéndolo –cosa que me parece absolutamente respetable, quede claro–, por lo que sugiere rechazar la formulación clásica del Big Bang y buscar otra forma de explicar el origen del Universo para que no tengamos que aceptar la existencia de unas condiciones iniciales concretas, que podrían hacer pensar en un plan divino. 

Así lo dice él mismo: «... pasé el verano siguiente en la universidad de California, en Santa Bárbara. Allí, junto con mi amigo y colega Jim Hartle, calculamos qué condiciones tendría que cumplir el universo si el espacio tiempo no tuviese ninguna frontera». Y, un poco más adelante, aclara: «Me gustaría subrayar que esta idea de que tiempo y espacio deben ser finitos y sin frontera es solo una propuesta: no puede ser deducida de ningún otro principio».

Como vemos, Hawking no parece interesado en estudiar cómo es el Universo sino en cómo tendría que ser para que su inicio no fuera tan peculiar. Se puede decir que no busca una teoría para el Universo, sino que busca un universo para su teoría... Como veremos, Hawking fuerza las hipótesis de partida de su estudio para que le salga el resultado que quiere, un Universo sin condiciones iniciales peculiares. Y ¿como lo hace? Vamos a verlo enseguida, pero antes se hace necesaria una aclaración.

En la ciencia moderna nos encontramos con dos tipos de física. Por un lado está la física relativista, que hace referencia a cosas muy grandes o con mucha energía: las estrellas, las galaxias, objetos que se mueven a velocidad cercana a la de la luz... Por otro lado, está la física cuántica, que hace referencia a las cosas pequeñas: los átomos, las moléculas, etc. Bueno, pues cuando consideramos los primeros momentos del universo, nos encontramos con un sistema, el Universo primitivo, que es a la vez muy pequeño y enormemente energético. Esto nos dice que, para estudiar esos instantes, tenemos que tener en cuenta tanto la física relativista como la cuántica.

En realidad, nadie hasta la fecha ha sabido cómo combinar estas dos físicas; se han dado muchas aproximaciones, pero ninguna concluyente. Pero lo que si es más o menos claro es que en los primeros instantes del universo hay que tener en cuenta estos dos tipos de física. Las ideas de Hawking tienen en cuenta está duplicidad, como veremos.

Por otra parte, cuando queremos calcular el comportamiento de un sistema teniendo en cuenta la física cuántica, las cosas se complican bastante. Por ejemplo, para calcular el recorrido de un electrón a lo largo de un cable eléctrico, si queremos hacer las cosas bien, tenemos que considerar todos los caminos posibles que recorrerá ese electrón y sumarlos: es como si calculáramos todos las posibles trayectorias e hiciéramos la media... Así, por ejemplo, tenemos que tener en cuenta que el electrón puede ir por el centro del cable, o por el borde del cable... o por fuera del cable. Es más, existe la posibilidad de que el electrón salga del cable, dé una vuelta entorno a la torre Eifel y luego vuelva a entrar en el cable y siga su camino. Por supuesto, calcular absolutamente todas las trayectorias es imposible, y lo que se suele hacer es despreciar todas las rutas que, como la de la torre Eifel, sean muy improbables... Así, en el caso del electrón, tenemos en cuenta solamente los caminos que vayan por dentro del cable o cerca del mismo.

Cuando Hawking y Hartle se proponen estudiar el comportamiento del Cosmos en sus primeros instantes, se  encuentran con la necesidad de calcular todas las posibilidades de evolución del Universo. Ya te imaginarás que ese cálculo es absolutamente imposible y tienen que hacer alguna aproximación despreciando algunas de las muchas –casi infinitas– historias posibles del Universo. Bueno, pues ahora viene lo bueno: ¿qué aproximación hace Hawking? Pues una muy inteligente: para llevar a cabo el cálculo, propone, cito, realizar la suma sobre las historias para todos los espacio-tiempo euclídeos posibles que no tengan ninguna frontera. Vamos, que así, con dos fosas nasales, Hawking hace el cálculo despreciando, because yes, todas aquellas historias cuánticas en las que el Universo tiene las características que a él no le gustan.  

Por supuesto, todo el mundo está en su derecho a proponer una teoría física que intente explicar las condiciones iniciales del Universo. Sin embargo, pienso que la forma en que lo hace Hawking no es del todo correcta desde el punto de vista científico. Al despreciar a priori las historias en las que no hay condiciones iniciales especiales, está tergiversando de raíz todo su cálculo. O, por decirlo de forma más clara, está forzando la ciencia partiendo de un prejuicio. Y eso, lo siento, pero no es correcto.

Ojo, no estoy diciendo que no seguir el método científico sea erróneo o que de lugar a conclusiones falsas: es sabido que con razonamientos incorrectos también se puede llegar conclusiones verdaderas. Típico ejemplo: las niñas no tiene barba, las estrellas son niñas, luego las estrellas no tienen barba... En otra entrada hablaremos de los errores de la teoría de Hawking desde el punto de vista científico, pero ahora quería hacerte ver, simplemente, que Hawking hace trampas.

Despreciar a priori las historias del universo en las que se dan condiciones peculiares puede llevar a error. Imaginemos que, en el ejemplo del electrón que atraviesa un cable, despreciemos todas las historias en las que el electrón va por fuera del cable. Nos daría como resultado que no sería necesario poner aislantes a los cables. Y ya puedes imaginar los calambrazos que nos llevaríamos...