Stephen Hawking y el diálogo perpétuo entre la teoría y la observación

Por Enrique Pérez Montero (IAA-CSIC)
20 Marzo, 2018

El pasado 14 de marzo de 2018 recibimos la triste noticia del fallecimiento del profesor Stephen Hawking a la edad de 76 años. Cualquiera entre sus facetas personales hubiera bastado para que su trayectoria vital e investigadora hubiera sido de resaltar, pero sin duda fue la combinación de su brillantez como astrofísico teórico, su capacidad para comunicar con rigor y sencillez conceptos de difícil comprensión en sus numerosos libros de divulgación y conferencias, y su condición de discapacitado a causa de una enfermedad degenerativa que le impedía cualquier tipo de movimiento desde hace más de 50 años, lo que hacían de él una figura muy notable y singular.

 

Stephen y Jane el día de su bodaDe manera personal yo me siento muy concernido por estas tres grandes características que se reunían en una sola persona y durante muchos años me han resultado de gran ayuda como referente y modelo a emular. Poder disponer de personas que ayudan a establecer lo que se puede y no se puede hacer a pesar de las apariencias o de las convenciones sociales, e incluso de las limitaciones funcionales, es  de gran importancia para fijar las convicciones y, en mi caso, la figura de Stephen Hawking ha sido claramente inspiradora. Su ejemplo es muy evidente en la manera en que fue capaz de llevar adelante su trayectoria personal y profesional hasta los más altos logros a pesar de su condicionamiento físico y de las dificultades para interaccionar de manera plena con su entorno. Su empeño por usar las nuevas tecnologías y los adelantos para reducir al máximo este condicionamiento no es sino una muestra de su carácter determinado y su pasión por su trabajo. Todo ello va acompañado de su propia conciencia como ser humano, lo que llevaba a teñir de humanidad todo lo que hacía. Es muy ilustrativa la anécdota que relata el astrofísico y premio Nobel por su participación en el descubrimiento de las ondas gravitatorias, Kip Thorne, que cuenta que se apostó una suscripción a la revista erótica Penthouse con Hawking a que la fuente de radio Cygnus X-1 era un agujero negro. Hawking perdió la apuesta pues las evidencias observacionales hacen de esta estrella binaria un candidato realmente sólido a albergar un agujero negro, aunque nunca pagó su apuesta porque las autoridades universitarias no se lo permitieron.

 

Hawking es otro referente personal por su habilidad para divulgar los conceptos más complicados. En mi etapa de estudiante la física cuántica y la relatividad general fueron sin duda dos de los campos más temidos y con los que he tenido que invertir más tiempo para lograr una mínima comprensión. Ambos campos son contrarios a la intuición con que todos los seres humanos pensamos que funciona la naturaleza que nos rodea, y él con sus libros ha sido capaz de abrir la puerta a esa comprensión. Todo divulgador debería aspirar a hacer sencillo y comprensible los más difíciles conceptos científicos tal como él lo lograba y seguirá logrando con el legado que nos ha dejado en forma de textos que clarifican la convivencia de las leyes que rigen el macrocosmos, como es la relatividad de Albert Einstein, y el mundo de lo muy pequeño, como es la mecánica cuántica, en los cotos de las singularidades en los agujeros negros y en las primeras etapas de la expansión del Universo.

 

No obstante en este artículo me gustaría destacar la figura de Stepehen Hawking como físico teórico pues ilustra muy bien esa dicotomía que a veces existe entre el mundo real, aquél que queremos estudiar y comprender, y nuestras propias teorías acerca de cómo funciona. Uno de los aspectos en que incido más en mis conferencias cuando explico que soy astrónomo y que soy ciego, es en la gran variedad de actividades en que un científico puede hacer aportaciones al margen de la simple contemplación del cielo a través del sentido de la vista.

 

El mundo teórico basado en el desarrollo matemático de teorías ya establecidas es uno de esos ejemplos y es donde el profesor Hawking era un auténtico maestro.

Teoría M o de las cuerdasLa relatividad general de Albert Einstein es uno de los cotos de la ciencia en que el desarrollo de sus fórmulas para predecir la existencia de objetos exóticos y eventos astronómicos ha ido siempre muy por delante de las observaciones. La predicción de la existencia de agujeros negros y ondas gravitatorias se realizó mucho antes de que se tuviera ninguna evidencia observacional de su existencia. Otro ejemplo es el de la propia expansión del Universo que se postuló de manera independiente por George Lemaître desarrollando las ecuaciones de manera previa a la confirmación observacional por parte de Edwin Hubble de que las galaxias más lejanas se alejan también más rápido. Cuando se comenzaron a combinar los postulados de la relatividad general con los de la mecánica cuántica para hacerlos compatibles en entornos muy curvados por la presencia de grandes cantidades de masa y energía en un reducido tamaño, como es el caso de los agujeros negros o de la gran singularidad inicial que dio lugar a la Gran Explosión, la teoría excedió ya de manera desbordante cualquier capacidad actual y futura de las instalaciones experimentales y observacionales para confirmar sus predicciones. El caso más espectacular es el de la teoría M o de cuerdas que postula que todo lo que conocemos son producto de vibraciones de cuerdas muy pequeñas que están empaquetadas en ciertas dimensiones del espacio-tiempo, de las cuales sólo se manifiestan a escala macroscópica en tres dimensiones espaciales y otra temporal. El poder predictivo de la física de partículas es asombroso y la construcción de grandes aceleradores nos está llevando a descubrir muchas partículas subatómicas predichas por la teoría, pero aún a escalas mucho mayores de las necesarias para confirmar la teoría M, de la cual Hawking fue un grandísimo divulgador. Entre los otros muchos ejemplos en que la teoría basada en la relatividad general aún está por delante de las observaciones está la posible confirmación de la presencia real de cuerdas cósmicas o de agujeros de gusano, aunténticas entelequias cuya realidad tampoco puede ser completamente descartada.

 

Vera RubinPor otro lado el descubrimiento por parte de los astrónomos observacionales de características del Universo que no habían ni siquiera sido sospechadas por los teóricos muestra la otra cara de la moneda. Estos hechos observacionales suponen un desafío mayúsculo para los teóricos que han de profundizar en las teorías ya establecidas o desarrollar otras nuevas para dar cabida a estos hechos inesperados. Son ya famosas y reconocibles la existencia de la materia oscura o de la energía oscura, para las cuales aún la teoría no tiene una respuesta convincente. El enunciamiento de la existencia de la materia oscura es fruto de la comprobación observacional de que la velocidad de las galaxias en los cúmulos, como comprobó Fritz Zwicky en los años 30, es demasiado elevada para la cantidad de materia visible que se puede observar en ellos. Posteriormente en los años 50 la astrónoma Vera Rubin constató que este mismo efecto se producía en la velocidad de las estrellas rotando en los discos de las galaxias espirales. En el caso de la energía oscura lo que no cuadra con la teoría es el hecho de que el Universo acelera su expansión a pesar de la atracción gravitatoria entre unas galaxias y otras. Ambos conceptos aún no tienen contrapartida teórica con ninguna de las teorías existentes, pues a su realidad constatable hay que sumar el hecho que tanto la materia oscura como la energía oscura no interaccionan con el resto de la materia conocida de una manera esperable.

 

Un ejemplo que a mí me gusta especialmente citar porque está relacionado con mi campo de trabajo fue el descubrimiento en los años 20 de las líneas de emisión visibles que se producen en las nubes de gas ionizado y calentado por estrellas u otros procesos no térmicos. El astrónomo americano Ira Bowen llegó a la conclusión de que estas líneas eran producidas por elementos químicos extraterrestres y desconocidos porque se medían en longitudes de onda diferentes de aquéllas en que emitían los elementos que conocemos. A alguno de ellos lo bautizó incluso como nebulio. Poco más tarde los teóricos dieron con la respuesta a este enigma observacional, pues lo que se veía eran las líneas correspondientes a transiciones electrónicas de iones y no de átomos desconocidos. Los iones son átomos que han perdido algunos de sus electrones por ionización y eso afecta la estructura energética de sus níveles y la longitud de onda de sus líneas de emisión. Hoy en día esas líneas es lo que utilizamos para medir las abundancias químicas de estos elementos en galaxias con formación estelar que se encuentran a miles de millones de años-luz de nosotros.

 

Por tanto no se puede afirmar quién está por delante en esta carrera por conocer el Universo. Más bien es imprescindible que los teóricos tengan una formación sólida en física experimental y observacional para proponer y evaluar qué parte de la teoría puede ser comprobada. De la misma manera los físicos experimentales y los astrofísicos observacionales deben tener unos conocimientos mínimos de la teoría para interpretar sus resultados y transmitir a los teóricos lo que e es y no es posible. Yo mismo he ido sufriendo una transformación personal en mi carrera acerca de qué ámbito debe predominar. Cuando acabé mis estudios de licenciatura de física teórica, deslumbrado por el poder predictivo de la electrodinámica cuántica o la física nuclear le daba poca importancia al ámbito experimental. Más tarde durante mis estudios de doctorado en astrofísica me di cuenta de que la ciencia sólo tiene sentido en la base de la observación y la recopilación de datos. Hoy en día soy más consciente  de que todos debemos participar en este proceso de adquisición de conocimiento y el diálogo entre ambos debe ser constante, tal y como el profesor Hawking no se cansaba de repetir animando a unos y otros a compartir y discutir resultados, como él mismo hacía.

 

A pesar de su pérdida su ejemplo siempre seguirá vivo mostrándonos que el único límite para no llegar hasta donde podemos llegar siempre lo pondremos nosotros mismos.