El universo elegante (65 page)

En 1976, Hawking declaró que incluso esta forma más suave de determinismo queda contradicha por la presencia de los agujeros negros. Una vez más, los cálculos en los que se apoya esta declaración son extraordinariamente complicados, pero la idea esencial está muy clara. Cuando cualquier cosa cae en un agujero negro, su función de onda también queda absorbida por éste. Pero esto significa que en la búsqueda para desarrollar funciones de onda de todos los instantes futuros, esa inteligencia «suficientemente potente» se verá irremediablemente defraudada. Para predecir totalmente el futuro necesitamos conocer en su totalidad todas las funciones de onda que existen actualmente. Pero, si algunas han desaparecido en el abismo de los agujeros negros, la información que contenían se ha perdido.

A primera vista, esta complicación que plantean los agujeros negros puede no parecer un motivo de preocupación. Puesto que todo lo que se va más allá del horizonte de sucesos de un agujero negro queda aislado del resto del universo, ¿no podemos limitamos a ignorar completamente algo que ha tenido la mala suerte de caer dentro del agujero? Además, desde un punto de vista filosófico, ¿no podemos decirnos a nosotros mismos que el universo realmente no ha perdido la información transportada por la materia que ha caído en el agujero negro? ¿No será sencillamente que la información está ligada a una región del espacio que los seres racionales preferimos evitar a toda costa? Antes de que Hawking descubriera que los agujeros negros no son del todo negros, la respuesta a estas preguntas era sí. Pero, una vez que Hawking comunicó al mundo que los agujeros negros emiten radiaciones, la historia cambió. Una radiación transporta energía y, por lo tanto, cuando un agujero negro emite una radiación, su masa se reduce lentamente —se evapora lentamente—. Cuando sucede esto, la distancia desde el centro del agujero hasta el horizonte de sucesos se reduce lentamente y, a medida que este velo de misterio retrocede, en el escenario cósmico vuelven a aparecer regiones del espacio que habían estado hasta entonces aisladas. Ahora es cuando nuestras meditaciones filosóficas deben afrontar las consecuencias: cuando el agujero negro se evapora, ¿vuelve a emerger la información —los datos que imaginábamos que existían en el interior del agujero negro— contenida en los objetos que éste había tragado? Ésta es la información que se necesita para que el determinismo cuántico se cumpla, por lo que esta pregunta va al fondo de la cuestión relativa a si los agujeros negros impregnan la evolución del universo con un elemento de azar aún más profundo.

En las fechas en que se está escribiendo esto, todavía no hay consenso entre los físicos sobre la respuesta a esta pregunta. Durante muchos años, Hawking había afirmado rotundamente que la información no vuelve a emerger, que los agujeros negros destruyen la información «introduciendo un nuevo nivel de incertidumbre en la física, añadido a la incertidumbre habitual asociada a la teoría cuántica».
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De hecho, Hawking, junto con Kip Thorne del Instituto de Tecnología de California, tenía una apuesta con John Preskill, también del Instituto de Tecnología de California, relativa a lo que le sucede a la información que captura un agujero negro: Hawking y Thorne apostaban a que la información se perdía para siempre, mientras que Preskill había adoptado la postura contraria y apostaba a que la información volvía a emerger cuando el agujero negro emitía radiación y se reducía. ¿Qué apostaban? Información: «El perdedor recompensará al ganador con una enciclopedia que éste mismo podrá elegir».

La apuesta sigue sin resolverse, pero Hawking ha reconocido recientemente que los conocimientos adquiridos en los últimos tiempos en relación con los agujeros negros a partir de la teoría de cuerdas, como ya hemos comentado anteriormente, demuestran que podría haber un modo de que la información volviera a emerger.
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La nueva idea es que para el tipo de agujeros negros estudiados por Strominger y Vafa, y por muchos otros físicos desde su publicación inicial, la información se puede almacenar y recuperar a partir de las branas constituyentes. Strominger dijo recientemente que esta idea «ha llevado a algunos especialistas en teoría de cuerdas a querer anunciar la victoria: anunciar que la información se recupera a medida que el agujero negro se evapora. En mi opinión esta conclusión es prematura; todavía hay mucho trabajo por hacer para ver si esto es cierto».
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Vafa está de acuerdo con esto y dice que él «es agnóstico por lo que se refiere a esta cuestión; podría resultar cierta cualquiera de las posibilidades».
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La respuesta a esta pregunta es un objetivo central de la investigación actual. Como Hawking ha escrito:

La mayoría de los físicos desea creer que la información no se pierde, ya que esto haría que el mundo fuese seguro y predecible. Pero creo que si nos tomamos en serio la relatividad general de Einstein, debemos considerar la posibilidad de que el espacio-tiempo forme por sí mismo nudos y la información se pierda en los pliegues de estos nudos. Determinar si la información realmente se pierde o no, es actualmente una de las cuestiones más importantes de la física teórica.
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El segundo misterio de los agujeros negros que continúa sin resolverse se refiere a la naturaleza del espacio-tiempo en el punto central del agujero.
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Una aplicación clara de la relatividad general, retrocediendo hasta Schwarzschild en 1916, muestra que las enormes cantidades de masa y energía que están aplastadas en el centro del agujero negro son la causa de que la estructura del espacio-tiempo sufra una escisión devastadora, quedando completamente enrollada en un estado de curvatura infinita, es decir, queda perforada por una peculiaridad del espacio-tiempo. Una conclusión que los físicos extraen de esto es que, dado que toda la materia que ha atravesado el horizonte de sucesos es conducida inexorablemente al centro del agujero negro, y dado que una vez allí la materia no tiene futuro, el propio tiempo llega a su fin en el centro de un agujero negro. Otros físicos, que a lo largo de los años han explorado las propiedades del núcleo de un agujero negro utilizando las ecuaciones de Einstein, plantearon la increíble posibilidad de que podría existir una puerta de entrada a otro universo que se comunica con nosotros de una manera tenue sólo a través del centro de un agujero negro. Dicho en pocas palabras, precisamente donde el tiempo termina en nuestro universo, empieza el tiempo en el universo anexo.

En el próximo capítulo abordaremos algunas de las implicaciones de esta posibilidad tan asombrosa, pero, por ahora, lo que queremos es subrayar una cuestión importante. Debemos recordar la regla principal: los casos extremos de enorme masa y pequeño tamaño, que por consiguiente tienen una densidad increíblemente grande, invalidan la mera aplicación de la teoría clásica de Einstein y exigen que también se aplique la mecánica cuántica. Esto nos lleva a plantearnos la siguiente pregunta: ¿qué tiene que decir la teoría de cuerdas sobre la peculiaridad del espacio-tiempo en el centro de un agujero negro? Actualmente esta cuestión está siendo objeto de intensas investigaciones, pero, igual que en el caso de la pérdida de información, aún no se ha hallado la respuesta. La teoría de cuerdas trata otras peculiaridades varias con destreza —las escisiones y los rasgados del espacio, como se vio en el capítulo 11 y en la primera parte de este capítulo—.
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Pero, si se ha visto una singularidad,
no
se han visto todas. La estructura del universo se puede escindir, perforar y rasgar de muchas maneras diferentes. La teoría de cuerdas nos ha aportado explicaciones a fondo relativas a algunas de estas singularidades, pero otras, entre ellas la singularidad del agujero negro, han quedado hasta ahora fuera del alcance de los especialistas en teoría de cuerdas. La razón esencial de esto es, una vez más, la dependencia de herramientas perturbativas en la teoría de cuerdas cuyas aproximaciones, en este caso, obstaculizan nuestra capacidad de analizar confiable y plenamente lo que sucede en el profundo punto interior de un agujero negro.

Sin embargo, dado el enorme progreso que ha tenido lugar recientemente en los métodos no perturbativos y su aplicación con éxito a otros aspectos de los agujeros negros, los especialistas en teoría de cuerdas tienen grandes esperanzas de que no pasará mucho tiempo antes de que empiecen a revelarse los misterios que residen en el centro de los agujeros negros.

L
os seres humanos a lo largo de la historia han manifestado un impulso apasionado por conocer el origen del universo. Quizá no exista una sola cuestión que trascienda de tal manera las divisiones culturales y temporales, ya que ha inspirado tanto la imaginación de nuestros más remotos antepasados, como la investigación de los cosmólogos modernos. A un nivel profundo, existe un ansia colectiva por lograr una explicación de por qué hay un universo, cómo ha llegado a adoptar la forma en que lo conocemos y cuál es el principio racional que impulsa su evolución. Lo asombroso es que la humanidad ha llegado actualmente a un punto en que surge un marco especial para responder a algunas de estas cuestiones científicamente.

La teoría científica de la creación que se acepta hoy en día afirma que el universo experimentó las condiciones más extremas —energía, temperatura y densidad enormes— durante sus primeros momentos. Estas condiciones, por lo que se sabe actualmente, requieren que se tengan en cuenta tanto la mecánica cuántica como la gravedad, y por consiguiente el nacimiento del universo proporciona un amplio escenario para aplicar las ideas de la teoría de las supercuerdas. Discutiremos luego estas ideas incipientes, pero primero haremos un breve relato de la historia cosmológica anterior a la teoría de cuerdas, una historia que a menudo se menciona denominándola
modelo estándar de la cosmología
.

La teoría moderna de los orígenes cósmicos data de una década y media después de que Einstein concluyera su teoría de la relatividad general. Aunque Einstein se negó a creer a pies juntillas su propia teoría y a aceptar que implica que el universo no es ni eterno, ni estático, Alexander Friedmann sí la creyó. Como ya explicamos en el capítulo 3, Friedmann descubrió lo que ahora se conoce como la solución
big bang
de las ecuaciones de Einstein, una solución que pone de manifiesto que el universo surgió de manera violenta de un estado de compresión infinita y se encuentra actualmente en una fase expansiva como consecuencia de aquella primitiva explosión. Einstein estaba tan seguro de que tales soluciones variables con el tiempo no eran un resultado de su teoría, que publicó un breve artículo en el que afirmaba haber hallado una falla fatal en el trabajo de Friedmann. Sin embargo, unos ocho meses más tarde, Friedmann logró convencer a Einstein de que no había, de hecho, ninguna falla; Einstein se retractó de su objeción pública pero lacónicamente. No obstante, está claro que Einstein no pensó que los hallazgos de Friedmann tuvieran relevancia alguna en relación con el universo. Sin embargo, unos cinco años más tarde, las minuciosas observaciones de Hubble, cuyo objeto fueron unas pocas docenas de galaxias y se realizaron con el telescopio de cien pulgadas situado en el observatorio del monte Wilson, confirmaron que, efectivamente, el universo se expande. El trabajo de Friedmann, remodelado de una manera más sistemática y eficiente por los físicos Howard Robertson y Arthur Walker, sigue constituyendo la base de la moderna cosmología.

Un poco más detalladamente, la teoría moderna de los orígenes cósmicos es más o menos así. Hace aproximadamente 15 mil millones de años, el universo surgió a partir de un suceso singular y enormemente energético, que lanzó todo el espacio y toda la materia. (No hay que ir muy lejos para situar el lugar donde ocurrió el
big bang
, ya que se produjo donde está usted ahora y en cualquier otro sitio; al principio, todos los lugares que vemos ahora separados eran el
mismo
lugar). La temperatura del universo unos 10
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segundos después de la explosión, el llamado
tiempo de Planck
, se calcula que fue de unos 10
³²
grados Kelvin, más o menos 10 billones de billones más caliente que el interior profundo del Sol. En el transcurso del tiempo, el universo fue expandiéndose y enfriándose, y así, el plasma inicialmente homogéneo, terriblemente caliente, que fue el estado primitivo del universo, empezó a formar remolinos y grumos. Una cienmilésima de segundo después de la explosión, esto se había enfriado lo suficiente (a unos 10 billones de grados Kelvin, alrededor de un millón de veces más caliente que el interior del Sol) para que los quarks se agruparan en grupos de tres, formando protones y neutrones. Aproximadamente una centésima de segundo más tarde, las condiciones eran las adecuadas para que los núcleos de algunos de los elementos más ligeros de la tabla periódica comenzaran a formarse saliendo fuera de aquel plasma de partículas que se enfriaba. Durante los tres minutos siguientes, cuando el hirviente universo se enfrió hasta una temperatura de unos mil millones de grados, los núcleos que emergían eran predominantemente los de hidrógeno y helio, junto con algunas cantidades muy pequeñas de deuterio (hidrógeno «pesado») y litio. Esto se conoce como el período de la
nucleosíntesis primordial
.

Durante los pocos cientos de miles de años siguientes, no sucedieron muchas cosas, salvo la expansión y el enfriamiento posteriores. Pero entonces, cuando la temperatura había descendido ya a unos pocos miles de grados, unas corrientes salvajes de electrones fueron frenando su velocidad hasta el punto en que los núcleos atómicos, en su mayoría de hidrógeno y helio, pudieron capturarlos, formando los primeros átomos eléctricamente neutrales. Éste fue un momento decisivo: a partir de ese instante el universo, en general, se volvió transparente. Con anterioridad a la era de la captura de electrones, el universo estaba lleno de un denso plasma de partículas con carga eléctrica, algunas con cargas positivas, como los núcleos, y otras con cargas negativas, como los electrones. Los fotones, que interaccionan sólo con objetos cargados eléctricamente, fueron golpeados y empujados sin cesar por el espeso baño de partículas con carga, recorriendo apenas una breve distancia antes de ser desviados o absorbidos. La barrera de partículas cargadas que obstaculizaba el libre movimiento de los fotones habría hecho que el universo tuviera un aspecto casi completamente opaco, algo parecido a lo que se puede sentir en una densa niebla matinal o en una tormenta de nieve ventosa y cegadora. Pero, cuando los electrones, con su carga negativa, se pusieron a orbitar alrededor de núcleos cargados positivamente, produciendo así átomos eléctricamente neutros, desaparecieron las obstrucciones que formaban las partículas cargadas y la densa niebla se disipó. A partir de aquel momento, los fotones procedentes del
big bang
han estado desplazándose sin obstáculos y se ha hecho visible gradualmente la plena expansión del universo.