La tesis doctoral de quizás el científico vivo más famoso del mundo, Profesor Stephen Hawking, se puso a disposición del público en línea recientemente. Ha demostrado ser tan popular que, según los informes, la demanda de leerlo colapsó su sitio web anfitrión cuando se cargó inicialmente.

Pero dada la complejidad del tema - "Propiedades de los universos en expansión" - y el hecho de que el libro de Hawking Una breve historia del tiempo también se conoce como el libro menos leído de todos los tiempos, podría beneficiarse de un resumen de su resultado principal.

La tesis cubre varios temas, incluida la radiación gravitacional recientemente descubierta, pero el capítulo final es la parte que muchos físicos consideran más significativa. Se trata del nacimiento del propio universo, y se titula simplemente "Singularidades".

Teorías de la creación

El mayor logro de la tesis de Hawking fue demostrar efectivamente que la teoría del Big Bang de cómo el universo comenzó desde un solo punto era físicamente posible. No fue solo una molestia matemática que surgió de las ecuaciones que los físicos habían desarrollado para describir la posible evolución del cosmos.

El concepto de que el universo comenzó hace un tiempo finito en un Big Bang es ahora un hecho científico aceptado, y, sin embargo, sigue siendo una idea asombrosa. Imagínese:toda la materia de su cuerpo fue comprimida una vez, de una forma u otra, en el mismo volumen diminuto que la galaxia más distante y todo lo que hay en el medio. Hace unos 14 mil millones de años, este punto se expandió rápidamente para crear espacio y tiempo. Continúa expandiéndose hoy.

En el momento del doctorado de Hawking en la década de 1960, los científicos todavía estaban discutiendo sobre la idea. Una alternativa popular al Big Bang fue el modelo Steady State. Los defensores del modelo de estado estable se sentían incómodos con un universo de edad finita que comenzaba de esta manera. De hecho, el apodo de "Big Bang" fue acuñado como un término burlón por el campeón de Steady State Fred Hoyle. Para entender cómo Hawking demostró que realmente era posible, necesitamos algo de física de fondo.

Espacio-tiempo y singularidades

A principios del siglo XX, Albert Einstein revolucionó nuestra comprensión de la gravedad a través de su teoría general de la relatividad. Einstein demostró que podemos pensar en la gravedad como la curvatura del espacio-tiempo, causado por la presencia de masa o energía.

El espacio-tiempo es una forma de pensar sobre el marco del universo que combina el espacio tridimensional y el tiempo unidimensional. Todos los objetos existen y todos los eventos ocurren en algún lugar del espacio-tiempo. Pero para la mayoría de la gente es difícil de imaginar porque, aunque podemos movernos libremente en el espacio tridimensional, no podemos viajar a donde queramos a través del tiempo. Es un poco como ser un insecto atrapado en la superficie de un estanque. Solo puede moverse en dos dimensiones, a pesar de que hay otra dimensión espacial para explorar.

La relatividad general expresa cómo se vinculan el espacio y el tiempo. En su teoría, Einstein describió elegantemente cómo la curvatura del espacio-tiempo está relacionada con la densidad de masa y energía en sus "ecuaciones de campo".

Después de que se publicaron estas ecuaciones, otros científicos los utilizaron para explorar qué sucede con el espacio-tiempo en diferentes situaciones físicas. En el caso de objetos donde toda la materia se concentra en un solo punto, las ecuaciones de campo predicen algo inusual:la curvatura del espacio-tiempo se vuelve tan extrema que ni siquiera la luz puede escapar. Hoy sabemos que estos objetos existen en realidad como agujeros negros, y desde entonces hemos encontrado evidencia de ellos en el espacio.

Estas situaciones en las que las soluciones de las ecuaciones se vuelven infinitas se denominan "singularidades". El capítulo final de tesis de Hawking exploró esta idea de singularidades, no para el espacio-tiempo alrededor de los agujeros negros, sino para todo el universo.

De los agujeros negros al Big Bang

En cosmología, un principio central es que el espacio debe, de media, ser homogéneo e isotrópico. En otras palabras, a gran escala, el contenido del universo debe estar distribuido de manera bastante uniforme y tener el mismo aspecto en todas las direcciones.

La solución más simple a las ecuaciones de campo de Einstein que satisface estas condiciones se llama la "métrica de Robertson-Walker", el nombre de los científicos involucrados en su desarrollo. La métrica es simplemente el término que usamos para describir el intervalo entre dos eventos en el espacio-tiempo.

En tono rimbombante, la solución de Robertson-Walker permite que la parte espacial de la métrica cambie con el tiempo. Eso significa que puede describir un universo en el que el espacio mismo se está expandiendo. Edwin Hubble encontró evidencia de que el universo realmente se está expandiendo en la década de 1920 al mostrar que otras galaxias se están alejando de nosotros.

Las ecuaciones de campo y métricas de Robertson-Walker nos permiten describir esta expansión en términos de lo que los cosmólogos llaman el "factor de escala", describir cuánto espacio se ha expandido o contraído entre un punto en particular en el tiempo y el día de hoy.

Si el universo se expande, debería haber sido más pequeño y más denso en el pasado. Haga retroceder el reloj lo suficiente y el factor de escala debería ir a cero. Toda la materia y la energía del universo debe haber estado contenida en un solo punto con densidad infinita:una singularidad cosmológica. Esta es la base del modelo Big Bang, un poco como un agujero negro al revés.

Eliminando el estado estacionario

El modelo de estado estable intentó eliminar la singularidad cosmológica, lo que muchos argumentaron no era plausible. Las singularidades se consideraban defectos de las predicciones de la relatividad general y no estaban en consonancia con las leyes físicas conocidas.

En el modelo de estado estable, el universo es eterno y no tiene comienzo en absoluto. Su aparente expansión se puede explicar agregando un "campo de creación" o campo C a las ecuaciones de Einstein que significaría que la materia se crea continuamente en el espacio entre las galaxias a medida que se separan.

Pero en el capítulo final de su tesis doctoral, Hawking argumentó que la idea de un campo C vino con su propio conjunto de problemas y que el modelo correcto involucraba la solución de Robertson-Walker que describe una singularidad inicial.

Lo que hizo a continuación fue lo que muchos consideran innovador. Sobre la base del trabajo de su colega físico británico Roger Penrose, Hawking demostró matemáticamente que las singularidades no eran un defecto de la teoría, sino características esperadas de la naturaleza. Demostró efectivamente que la relatividad general permitía un universo que comenzaba en una singularidad.

Medio siglo después, la evidencia observacional para el escenario de creación del Big Bang es abrumadora y el modelo de Estado Estacionario ha sido abandonado durante mucho tiempo. Hawking ha hecho más contribuciones monumentales a la cosmología y la física teórica. Leer la tesis de Hawking es una visión de una mente excepcionalmente creativa y los primeros pasos del descubrimiento en lo que ha sido un notable viaje científico.

Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.