Stephen Hawking: visiones del universo

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¡A pensar el cosmos!

“Hasta ahora, la mayoría de los científicos han estado tan ocupados con el desarrollo de nuevas teorías que describen lo que es el universo que no se han planteado la cuestión de por qué. Por el contrario, las personas cuya ocupación es preguntar por qué –los filósofos- no han sido capaces de mantenerse al tanto del avance de las teorías científicas” (TT 138).

Una de las reflexiones finales de Hawking en La teoría del todo, es la importancia de volver accesible la cosmología y sus fundamentos científicos a un público mayor. La enorme especialización de las ciencias desde el siglo XIX ha sido tan grande, que no solo se ha alejado enormemente del sentido común de las personas, sino que se ha vuelto incluso hermética para otras disciplinas del conocimiento humano.

Es así, comenta Hawking, que incluso para quienes por largo tiempo preguntaron por el cosmos –los filósofos- el tema ha quedado cerrado.  Un Περὶ οὐρανοῦ (Sobre el cielo) de Aristóteles parece anacrónico. O la famosa confesión kantiana “el cielo estrellado sobre mí y la ley moral en mí” parecen más anécdotas que motores del pensamiento filosófico actual.

“(…) Los filósofos redujeron tanto el alcance de sus investigaciones que Wittgenstein, el más famoso filósofo de este siglo, dijo: ‘La única tarea que queda para la filosofía es el análisis del lenguaje’. ¡Qué retroceso desde la gran tradición de la filosofía de Aristóteles a Kant’!” (TT 138).

Este reproche lo lleva incluso a afirmar que “la filosofía ha muerto”, pero esto no porque no pueda ocuparse del cosmos, sino porque que “no se ha mantenido al corriente de los desarrollos modernos de la ciencia” (GD 7).  Tal como el mismo Hawking señala, hay preguntas que siguen quedando pendientes y que la ciencia no puede contestarlas por sí misma. “¿Por qué el ente y no más bien la nada?”, preguntaba ya Leibniz en el siglo XVII; Hawking, de modo similar, lo pone en estos términos:

“La aproximación usual en la ciencia, consistente en construir un modelo matemático, no puede responder a la pregunta de por qué debería haber un universo para que el modelo lo describa. ¿Por qué el universo va a tomarse la molestia de existir?” (TT 138).

Hawking dedicó buena parte de su vida a difundir las difíciles teorías que buscan explicar el cosmos. Su esperanza era que, tal como ocurrió con la teoría de la relatividad (Eddington respondía en los 20’ que solo él y Einstein la comprendían), se vaya volviendo cada vez más accesible para todos, al menos en sus ideas principales.

Un primer paso es acercar al público general a las principales visiones del universo que se han dado a lo largo de la historia occidental.  Esto lo realiza Hawking en casi todas sus obras de difusión, pues, como se verá, los cambios han sido tan notables e importantes que resulta muy difícil creer que no importe a todo ser humano. En efecto, la concepción que llegamos a tener del universo en el cual existimos repercute inevitablemente en la concepción que tenemos de nuestro propio lugar en el cosmos.

1 – Raíces de la astronomía: Aristóteles y Ptolomeo

“Aunque incluso en épocas tan tardías como la de Cristóbal Colón era frecuente encontrar gente que creía que la Tierra era plana (también hoy encontraríamos algunas personas que lo siguen pensando), podemos situar las raíces de la astronomía moderna en los antiguos griegos” (BHT, 12).

Aristóteles

Para Aristóteles la Tierra es redonda y no un disco plano. Si bien ya Pitágoras lo había señalado antes, el autor de De Caelo (340 a.c.) reúne varias evidencias para probarlo. Hawking recuerda 3:

1) En un eclipse lunar, no se observa una elipse (círculo alargado), sino una sombra circular de la Tierra. Solo si el sol estuviera justamente debajo del centro de un eventual disco, coincidiría con la sombra circular, pero en todos los demás casos debería ser una elipse.

2) La estrella polar se ve más abajo en la medida que se observa más hacia el sur. Si la Tierra fuera plana, se mantendría a la misma altura.

3) Por último, si se observa un barco aproximarse desde el horizonte del mar, éste aparece emergiendo poco a poco (por la curvatura de la Tierra). En ningún caso se aprecia un objeto pequeño y completo aumentando su proporción en la medida que se aproxima (el caso si fuera plana):

“¿Cómo, si no, cuando se acerca un barco lo primero que se ve son las velas sobre el horizonte y solo más tarde se ve el casco?” (TT 16).

Por otra parte, para Aristóteles la Tierra está ubicada en el centro del universo y en total reposo. Los astros girarían alrededor de ésta en órbitas circulares perfectas. El movimiento circular, de hecho, era considerado por él como el más completo y primordial.

Ahora bien, los astros del firmamento no tendrían la misma naturaleza que nuestro planeta. Mientras que en la Tierra (hasta el límite descrito por la órbita lunar) habrían cuatro elementos de movimiento ascendente (aire y fuego) y descendente (agua y tierra), los cuerpos celestes estarían compuestos de un quinto elemento incorruptible (el éter). El éter en movimiento describiría círculos perfectos:

“podemos creer que aparte de los cuerpos que hay aquí en torno a nosotros, existe algo distinto y separado, que posee una naturaleza tanto más digna, cuanto más alejado esté de las cosas de aquí” (De Caelo en FN 74).

Por otro lado, Aristóteles y los griegos observaron la diferencia visible entre estrellas y planetas. Mientras las primeras se movían siempre conjunta y ordenadamente de este a oeste, los segundos parecían “vagar”. Estos “vagabundos” o “errantes” (en griego πλανήτης o “planetas”), se movían de manera más compleja (a veces, aparentemente retrocediendo) y de manera independiente de las estrellas. Estos eran los cinco planetas errantes que hoy también podemos observar a simple vista en medio del cielo estrellado (de Mercurio a Saturno).

En cuanto al tiempo y la dimensión espacial, Aristóteles consideraba el universo infinito (ha existido y existirá siempre) y finito (no hay nada más allá de las estrellas).

El universo era infinito (eterno), puesto que no le era concebible que el cambio o movimiento se generara solo, sino siempre por algo previo que lo había puesto en movimiento; de igual modo, tampoco era posible esperar que lo que ya está en movimiento no fuera a seguir repercutiendo en otras cosas hacia el futuro. Por esto para Aristóteles no hay inicio ni fin:

“Así como, si el movimiento ha sido generado ocurre que ha habido un cambio anterior al primero, del mismo modo, habrá uno posterior al último. Pues no se deja a la vez de ser movido y móvil, ni de ser motriz y estar moviendo.  (…) es obvio que el movimiento es eterno, y que no ha existido a veces y a veces no” (De Caelo en FN 71).

Por otro lado, argumenta que el universo debe ser de dimensión finita. Para Aristóteles el cambio solo es posible por el efecto de movimientos contrarios (ascendentes y descendentes, como los cuatro elementos de la Tierra). Pero, si el cielo que rodea la Tierra está compuesto de un quinto elemento de movimiento circular y que, por consiguiente, no puede tener movimiento contrario, entonces no podrá ser objeto de cambio o cualquier tipo de modificación (nada se destruiría ni restaría, nada se generaría ni añadiría):

“Igualmente justificado es suponer que es ingénito e indestructible, incapaz de crecer e inalterable; ya que todo lo generado nace de un contrario y un sustrato, y se destruye sólo si hay un sustrato y por obra de un contrario y al convertirse en su contrario (…) pero los contrarios tienen movimientos de traslación contrarios [y] no existe un movimiento contrario a la traslación circular” (De Caelo en FN 75).

Ptolomeo

Posteriormente, en Alejandría del siglo II d.c., Ptolomeo desarrollaría su propio modelo en su obra Almagesto, añadiendo un aspecto matemático importante. Éste conseguiría, en palabras de Hawking,  un “modelo cosmológico completo” a partir de las bases dejadas por Aristóteles:

Sistema de Ptolomeo

“La Tierra permanecía en el centro, rodeada por ocho esferas que llevaban a la Luna, el Sol, las estrellas y los cinco planetas entonces conocidos: Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno” (TT 16).

Pero, a diferencia del filósofo griego, esos planetas no solo serían llevados por aquellas ocho esferas, sino que además se moverían alrededor de éstas en “epiciclos”. Estos epiciclos permitirían explicar mejor las trayectorias observadas y, lo más importante para Hawking, realizar predicciones “bastante precisas” de sus posiciones en el tiempo.

A lo largo del medioevo el modelo de Ptolomeo será adoptado por la Iglesia cristiana sin mayores problemas. Para Hawking, este modelo pondría un límite útil para la separación entre la especulación filosófica y la religiosa: “dejaba mucho margen fuera de las esfera de las estrellas fijas para el cielo y el infierno” (TT 17).

Si bien existieron otros modelos importantes (Aristarco de Samos en el siglo III a.c. postuló incluso un heliocentrismo), el paradigma de Aristóteles y Ptolomeo predominó por largo tiempo hasta los inicios de la modernidad.

2- El giro copernicano y el surgimiento de la astronomía moderna

“Su idea era que el Sol estaba en reposo en el centro y que la Tierra y los planetas se movían en órbitas circulares alrededor del Sol” (TT 17).

Copérnico

Solo a comienzos del siglo XVI comienza una revolución del paradigma que tanto tiempo predominó. Primero en sus Commentariolus (1507) y, posteriormente, al final de su vida, en De revolutionibus orbium coelestium (1543), Nicolás Copérnico pone al Sol como el centro del universo y a la Tierra en rotación y movimiento en torno a aquél como un planeta “vagabundo” o “errante” más.

Sistema de Copérnico

“En este orden, la revolución anual ocupa la cuarta posición, en dicha revolución dijimos que está contenida la Tierra junto con la órbita de la Luna como epiciclo. (…) Y en medio de todo permanece el Sol. Pues, ¿quién en este bellísimo templo pondría esta lámpara en otro lugar mejor, desde el que pudiera iluminar todo?” (Copérnico SR 34).

La rotación de la Tierra explicaría el aparente movimiento de los astros en torno a nuestro planeta. Y una distancia considerablemente mayor de las estrellas, explicarían por qué éstas se ven siempre en los mismos lugares, a pesar del movimiento de la Tierra alrededor del Sol.

Pero, como señala Hawking, hubo que esperar casi un siglo para que las ideas de Copérnico recibieran apoyo público: Galileo Galilei en Italia y Johannes Kepler en Alemania fueron quienes “asestaron un golpe mortal al modelo de Ptolomeo” (BHT 15).

Galileo

Galileo, uno de los primeros en construir y utilizar el telescopio,  logra constatar en Júpiter una clara evidencia de que no todo en el cosmos gira en torno a la Tierra:

“Cuando miró al planeta Júpiter, Galileo descubrió que estaba acompañado por varios satélites pequeños, o lunas, que orbitaban a su alrededor. Esto implicaba que no todas las cosas tenían que orbitar directamente en torno a la Tierra como habían pensado Aristóteles y Ptolomeo” (TT 17).

Adicionalmente, Galileo pone fin a la separación entre la física de la Tierra (cambio y alteración) y la del cielo (incorruptible, inalterable), tal como había sido concebida previamente. Nuevamente, gracias al telescopio, consigue observar que los astros no eran perfectos e inmutables, sino sujetos a irregularidades y cambios. Mientras la luna se mostraba montañosa, el sol sufría manchas variables. En relación al último señala:

Galileo Galilei

“(…) pero he aquí finalmente descubierto que en aquella parte del cielo que merecidamente debe estimarse la más pura y auténtica, en la cara misma del Sol, se produce continuamente y en breve tiempo se disuelve una multitud innumerable de materias densas y caliginosas; he aquí una vicisitud de producciones y destrucciones (…)” (Galileo en FN 91).

Kepler

Poco antes, en Alemania, Johannes Kepler daba su apoyo a las ideas de Copérnico, a la vez que perfeccionaba su modelo. En Mysterium Cosmographicum (1596) escribe una serie de “razones por las que las hipótesis de Copérnico resultan apropiadas” (SU 75) y reconoce la virtuosa capacidad predictiva del modelo copernicano:

“(…) la primera confianza me la dio aquella maravillosa coincidencia de todas las cosas que aparecen en el cielo con las opiniones de Copérnico. De tal modo que no sólo deducía los movimientos pasados que han sido registrados desde la remota Antigüedad, sino que además predecía los movimientos futuros, y aunque no con exactitud absoluta, sin embargo con mucha mayor exactitud que Ptolomeo, Alfonso y los demás” (Kepler SU 75).

Para Kepler, sin embargo, las órbitas no eran círculos perfectos -como sostuvo Copérnico- sino que tenían forma de elipses (primera Ley de Kepler). Hawking señala que con esta propuesta se da un gran avance pues, aunque rompía la expectativa de un movimiento considerado más perfecto (circular), conseguía que las predicciones encajaran notablemente con lo observado.

Ahora bien, Kepler reconocía que las órbitas elípticas no coincidían bien con las fuerzas magnéticas que él mismo proponía para explicar el movimiento de los planetas en torno al Sol. Para Hawking, sin embargo, tiene el mérito de haber reconocido esta inconsistencia y predecir que debía haber otra fuerza que fuera capaz de explicarlo.

Newton

Isaac Newton

En 1687 se publica Philosophiae naturalis principia mathematica de Isaac Newton. Aquí, al fin, se postula la fuerza que faltaba a Kepler, la fuerza de gravedad. Para Hawking se trata de “probablemente la obra más importante jamás publicada en ciencias físicas” (BHT 16):

“En ella Newton no solo proponía una teoría de cómo se mueven los cuerpos en el espacio y el tiempo, sino también desarrollaba las matemáticas necesarias para analizar dichos movimientos. Además, Newton postulaba una ley de gravitación universal. Esta decía que cada cuerpo en el universo era atraído hacia cualquier otro cuerpo por una fuerza que era más intensa cuanto más masivos eran los cuerpos y más próximos estaban” (TT18).

Precisión matemática y una ley que, además, no solo explicaba el movimiento de los astros, sino que también permitía comprender los movimientos propios del mundo cotidiano en la Tierra. Si bien su teoría de la gravedad será revisada por Einstein (1915), representa para Hawking el definitivo inicio de la física y astronomía moderna.

Pero eso no es todo. A estas alturas ya no solo se acaba con la perspectiva geocéntrica del cosmos, sino también se lo comprende en dimensiones mucho mayores e incluso infinitas. Para Newton, de hecho, se trataría de este último caso, un universo infinito con estrellas similares al sol puestas a grandes distancias (para no colapsar entre ellas por la gravedad).

“Y si las estrellas fijas son los centros de sistemas similares, estarán sujetas al dominio de Uno solo [Dios] : especialmente por cuanto la luz de las fijas es de la misma naturaleza que la luz del sol y todos los sistemas envían su luz a todos los otros. Y para que los sistemas de las fijas no caigan por su gravedad los unos sobre los otros, Él los puso a una inmensa distancia mutua” (Newton en FN 148).

Así, entonces, como señala Hawking “abandonamos no sólo la idea de que la Tierra es el centro del universo, sino incluso la idea de que el Sol, y quizás el Sistema Solar, fuera algo más que una característica ordinaria del universo” (BHT 17).

3-  Hubble: el universo en expansión

“La historia de la astronomía es la historia de horizontes en retroceso” (Edwin Hubble).

Hubble

Con Edwin Hubble se produce otro momento revolucionario en la ciencia astronómica y en la concepción del cosmos. No solo constata un Universo de inmensa proporción, sino uno que ha estado en constante expansión. Como señala Hawking, hasta ese momento las tesis habían estado siempre basadas en un universo “estático” (ya fuera finito o eterno) y hasta el mismo Einstein defendió en un comienzo esta postura (que luego reconocería como su mayor error).

Así, en primer lugar, hasta Hubble el pensamiento predominante era que el universo equivalía a nuestra propia galaxia, la Vía Láctea. Sin embargo, tras nuevas observaciones con el telescopio Hooker (el más grande hasta ese entonces), y calculando la distancia de estrellas “cefeidas” (usando su luminosidad conocida y su brillo aparente) descubrió que algunas nebulosas espirales estaban a enormes distancias y que, en realidad, eran otras galaxias como la nuestra. Si bien esto había sido ya especulado en 1755 por Immanuel Kant (los “universos-islas”), fue Hubble quien sentenció el debate con las pruebas que logró reunir.

“La imagen moderna del universo data tan sólo de 1924, cuando el astrónomo estadounidense Edwin Hubble demostró que la Vía Láctea no era la única galaxia. De hecho, descubrió muchas otras, separadas por vastos espacios vacíos” (BHT 59).

Campo Ultraprofundo, Telescopio Hubble 2012 (cred. NASA)

Hawking  repara sobre el gran salto desde el universo que describía Aristóteles, de modesta proporción, hasta el inmenso cosmos que descubría Hubble:

“Hoy sabemos que nuestra galaxia es solo una entre los aproximadamente 100.000 millones de ellas que pueden verse utilizando telescopios modernos, y cada galaxia contiene unos 100.000 millones de estrellas” (TT 28).

Pero, como se señaló, esto no fue todo. Observando esas mismas galaxias distantes, y acudiendo a la observación de los espectros de su luz, observó un regular desplazamiento al rojo de estos. Esto, como indica Hawking , implicaba que se alejaban a gran velocidad (por Efecto Doppler) y, además, lo hacían proporcionalmente más rápido si se hallaban más lejos (Ley de Hubble-Lemaitre). Esto permitía concluir, en otras palabras, que el universo no era estático y que se estaba expandiendo.

Con la idea de la expansión comenzó a gestarse otra idea fundamental de la cosmología actual. En efecto, se puede pensar –invirtiendo la historia de la expansión- un momento en el pasado en el cual todo se encuentra reunido en un mismo lugar. Es lo que Georges Lemaitre llamó en 1931 el “átomo primitivo” o “huevo cósmico” (posteriormente llamado “Big Bang” por Fred Hoyle), el cual se habría desintegrado en una gran explosión  dando origen al espacio-tiempo y a la expansión del universo.

“Esto significa que en tiempos anteriores los objetos habrían estado más próximos. De hecho, parecía que hubo un momento hace entre 10.000 y 20.000 millones de años en que todos estaban exactamente en el mismo lugar” (TT 23).

Desde los años 30, en que dicha teoría salió a la luz, no ha cesado su desarrollo. En 1980, Alan Guth añadió un periodo de “inflación cósmica”, una etapa temprana del universo donde se habría experimentado una expansión inicial extraordinaria.

También se han ido añadiendo cada vez más pruebas. La más importante es la “radiación de fondo” descubierta en 1964. Ésta logro confirmar lo que algunos de los primeros partidarios del Big Bang (Gamow y otros) habían predicho que tenía que ocurrir tras la gran explosión, a saber, un libre flujo de fotones en todo el universo.

Actualmente se sigue experimentando y buscando más pruebas para mejorar la comprensión de la naturaleza del Big Bang. Es el caso, por ejemplo, del Gran Colisionador de Hadrones, en donde se intentan recrear algunas de las condiciones que se habrían formado poco después del Big Bang.

Un universo finito pero sin fronteras

Pero, ¿qué había más allá del Big Bang?, ¿qué había “antes” de éste? Para Hawking la pregunta por el antes no tiene sentido cuando el tiempo mismo es lo que se origina en esa gran explosión. Sería como preguntar qué hay más al sur del polo sur.

“Se puede decir que el tiempo tuvo un comienzo en el big bang, simplemente en el sentido de que no pueden definirse tiempos anteriores” (TT 23).

Si bien para Hawking el espacio-tiempo del universo es finito, no implica un tipo de límite o borde tras el cual se pudiera encontrar otra cosa. Se trataría de una finitud con ausencia de frontera (en esto sigue a Alexander Friedmann) y tendría la ventaja de no tener que acudir a otros principios (divinos u otras leyes físicas) para explicar el origen del Universo:

Ilustración Christine Daniloff / MIT, ESA / Hubble / NASA

“No habría singularidades en las que las leyes de la ciencia dejaran de ser válidas ni bordes del espacio-tiempo en el que hubiera que apelar a Dios o alguna nueva ley para establecer las condiciones de frontera para el espacio-tiempo. Se podría decir: <<La condición de frontera del universo es que no tiene frontera>>. El universo sería completamente autocontenido y no estaría afectado por nada fuera del mismo. No sería ni creado ni destruido. Simplemente sería” (TT 104).

Hawking cree que se puede elaborar esta tesis si se consigue comprender mejor qué ocurre en el mismísimo Big Bang. Pero para que esto sea posible, es necesario superar el límite teórico que pone la singularidad de la teoría de la relatividad (pues en ésta todas las leyes de la física dejan de ser válidas).

¿Cómo se puede resolver esto? Para Hawking es necesario acudir a la mecánica cuántica, pero superando las contradicciones que tiene con la teoría de la relatividad general. Es decir, se debe conseguir unirla con la teoría de la gravedad (“teoría cuántica de la gravedad”). Ésta es, de hecho, una de las tareas más importantes que tiene hoy la física, crear una Teoría Unificada.

El porvenir de la comprensión del Universo

La Teoría Unificada podría llegar a ser, en palabras de Hawking, la “teoría definitiva del universo” (TT 136). Y aunque no podría predecir todos los acontecimientos generales (en vistas del principio de incertidumbre de la mecánica cuántica) otorgaría una comprensión coherente y completa del universo desde su origen.

Hawking tiene justamente el mérito de haber logrado un paso en esta dirección. En su teoría de los agujeros negros, que resultaron no ser tan negros, consigue de manera exitosa unificar ambas teorías (Radiación de Hawking). Y es que cree que, justamente así, avanzando paso a paso con teorías parciales, se puede alcanzar en algún momento dicha teoría final:

“Sería muy difícil construir de golpe una completa teoría unificada del todo, así que, en su lugar, tenemos que avanzar encontrando teorías parciales” (TT 125).

A pesar de su optimismo, es consciente que tampoco se puede caer en un exceso de confianza en la comprensión final del universo (“¡ya hemos vivido falsas auroras antes!”), sin embargo, si se llegara a semejante teoría se “pondría fin a un largo y glorioso capítulo en la historia de nuestra lucha por entenderlo” (TT 136).

Para Hawking, sin embargo, y como se señaló al comienzo, sería de suma importancia que esta teoría no quedara enclaustrada en unas pocas mentes especializadas. Resultaría fundamental –y cree que es posible- comenzar a resumir, simplificar y enseñar las líneas más generales de una teoría completa del universo. Solo así, a su juicio, se podría abrir el debate sobre éste y las preguntas filosóficas que le conciernen para continuar ahondando en quiénes somos y qué lugar ocupamos en este vasto cosmos: 

“Si descubriéramos una teoría completa, llegaría a ser comprensible a grandes líneas para todos, y no sólo para unos cuantos científicos. Entonces todos, filósofos, científicos y público en general, seríamos capaces de participar en la discusión de la pregunta de por qué existimos nosotros y el universo” (BHT 147).

Firmamento (desde Estación Espacial Internacional)

Referencias

– [TT] La teoría del todo – el origen y el destino del universo, Stephen W. Hawking, Ed. Debate

– [BHT] Brevísima historia del tiempo, Stephen W. Hawking, Ed. Crítica (versión digital)

– [GD] El gran diseño, Stephen W. Hawking, Ed. Crítica (versión digital)

– [FN] Filosofía de la naturaleza, Roberto Torretti, Ed. Universitaria

– [SR] Sobre las revoluciones, Nicolás Copérnico, Ed. Altaya

– [SU] El secreto del Universo, Johannes Kepler, Ed. Altaya 

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–  Brevísima historia del Tiempo, Cap 1.

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L.M.R.

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