I.IV Breve
Historia de la Historia
Breve historia del tiempo o Historia del
tiempo o también Historia del tiempo: Del Big Bang a los
agujeros negros (en
inglés: A Brief History of Time: From the Big Bang to Black Holes) es un
libro de divulgación científica escrito por el físico británico Stephen Hawking y publicado por primera
vez en 1988.
Explica varios temas de cosmología, entre otros el Big Bang, los agujeros negros, los conos de luz y la teoría de supercuerdas al lector no especializado en
el tema. Su principal objetivo es dar una visión general del tema pero, inusual
para un libro de divulgación, también intenta explicar algo de matemáticas complejas.
El autor advierte que, ante
cualquier ecuación en el libro el lector podría
verse en problemas, por lo que incluye sólo una sencilla: E=mc².
En septiembre de 2005 salió
a la venta Brevísima historia del tiempo, en colaboración con Leonard Mlodinow, una versión condensada del original. Fue actualizado
para tratar nuevos temas surgidos por nuevas investigaciones científicas en el
campo.
Existe un documental basado en el
libro, con el mismo título, dirigido por Errol Morris, con música
de Philip Glass y estrenado en 1991.
La naturaleza
del tiempo
¿Cuál
es la naturaleza del tiempo? ¿Hubo un principio o habrá un final en el tiempo?
¿Es infinito el universo o tiene límites? A partir de estas preguntas, Stephen
Hawking revisa las grandes teorías cosmológicas, desde Aristóteles hasta nuestros
días, así como muchos enigmas, paradojas y contradicciones que se plantean como
retos para la ciencia actual.
Hawking
considera que los avances recientes de la física, gracias a las
fantásticas nuevas tecnologías, sugieren respuestas a algunas de estas
preguntas que desde hace tiempo nos preocupan.
Best seller
El
libro se convirtió rápidamente en un superventas. En mayo de 1995
entró en la lista del The Sunday
Times entre los más vendidos durante 237 semanas, y batió el récord
de 184 semanas. Esta hazaña está registrada en el Libro
Guinness de los Récords de 1998.
También está registrado el hecho de que la edición en rústica se publicó el 6
de abril de 1995 y alcanzó en tan sólo tres días el primer lugar de entre los
más vendidos. Para abril de 1993 se habían publicado 40 ediciones de pasta dura
de La breve historia del tiempo en
los Estados Unidos y 39 en el Reino Unido. Se habían vendido 9 millones de
copias hasta el 2002.
Un
conocido científico (algunos dicen que Bertrand Russell) dio una vez una
conferencia sobre astronomía. El describió como la Tierra orbita alrededor del
Sol y como el Sol, a su vez, orbita alrededor del centro de una vasta colección
de estrellas llamada nuestra galaxia. Al final de la conferencia, una pequeña
anciana sentada en el fondo de la sala se paró y dijo: "Lo que usted ha
dicho es una mierda. El mundo es en realidad un plato plano sobre el lomo de
una tortuga gigante." El científico sonrió despectivamente y replicó:
"¿y sobre qué está la tortuga?" "Usted es muy inteligente,
jovencito, muy inteligente," dijo la pequeña anciana "¡pero hay
infinitas tortugas!"
Mucha
gente podría encontrar bastante ridícula la imagen de nuestro universo como una
torre de infinitas tortugas, pero ¿por qué pensamos que lo sabemos mejor? ¿Qué
sabemos acerca del universo y cómo lo sabemos? ¿De dónde vino el universo y
hacia dónde va? ¿Tuvo el universo un comienzo, y si es así, que sucedió antes de eso? ¿Cuál es la
naturaleza del tiempo? ¿Tendrá un final? ¿Podemos ir atrás en el tiempo?
Recientes descubrimientos en física hacen posible, en parte por fantásticas
nuevas tecnologías, sugerir respuestas a algunas de estas antiguas preguntas.
Algún día estas respuestas nos parecerán tan obvias como la Tierra orbitando al
Sol o tal vez tan ridículas como una torre de tortugas- sólo el tiempo (lo que quiera
que sea) lo dirá.
En
el año 340 AC el filósofo griego Aristóteles, en su libro Sobre los Cielos, fue capaz de
proponer dos buenos argumentos para creer que la Tierra era una esfera redonda
en lugar de un plato plano. Primero, él se dio cuenta de que los eclipses de
Luna eran causados por la Tierra que se ponía entre el Sol y la Luna. La sombra
de la Tierra sobre la Luna era siempre redonda, lo cual podía suceder sólo si
la Tierra era esférica. Si la Tierra hubiera sido un disco plano, la sombra hubiera
sido elongada y elíptica a menos que el Sol siempre estuviera sobre el eje del
disco cuando ocurrían los eclipses.
Segundo,
los griegos sabían por sus viajes que la Estrella del Norte aparecía más baja
en el cielo vista desde el sur que si la miraban en regiones del norte (dado
que la Estrella del Norte está sobre el Polo Norte aparece sobre la cabeza de
alguien en el Polo Norte y se ve en el horizonte desde el ecuador) De la
diferencia entre la posición aparente de la Estrella del Norte en Egipto y Grecia.
Aristóteles inclusive calculó estimativamente que la distancia alrededor de la
Tierra era de 400.000 estadios.
No
se sabe exactamente cuánto medía un estadio, pero debe haber tenido alrededor
de 200 yardas lo cual hace que Aristóteles estimara el doble de la figura
corrientemente aceptada. Los griegos también tenían un tercer argumento de que
la Tierra debía ser redonda. ¿Por qué sino, cuando aparece un barco desde
detrás del horizonte, vemos primero las velas y sólo más tarde el casco?
Aristóteles
pensaba que la Tierra estaba quieta y que el Sol, la Luna, los planetas y las
estrellas se movían en órbitas circulares alrededor de la Tierra. El creía esto
porque él sentía, por razones místicas, que la Tierra era el centro del
universo, y que el movimiento circular era el más perfecto. Esta idea fue
elaborada por Tolomeo en el segundo siglo AC en un completo modelo cosmológico.
La tierra permanecía en el centro, rodeada por ocho esferas de cristal sobre
las que giraban la Luna, el Sol, las estrellas y los cinco planetas que se
conocían, Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno.
Los
planetas mismos se movían en pequeños círculos dentro de sus respectivas
esferas para justificar el complicado camino que describían en el cielo. La
esfera más lejana portaba las estrellas fijas que se mantenían a la misma
distancia entre sí pero giraban juntas alrededor de la Tierra. Nunca quedó muy
claro lo que había después de la última esfera, pero ciertamente no era parte
del universo observable por la humanidad.
El
modelo de Tolomeo era un sistema razonablemente preciso para predecir la
posición de los cuerpos celestes en el cielo. Pero, para calcular estas
posiciones con precisión, Tolomeo tuvo que asumir que la Luna se movía en un
camino que algunas veces la llevaba dos veces más cerca de la Tierra que en
otras veces. ¡Esto significaba que la Luna debía aparecer dos veces más grande
algunas veces que otras! Tolomeo reconoció este desperfecto, pero nunca su
modelo fue generalmente, ya que no universalmente, aceptado. Este fue aceptado
por la iglesia Cristiana como la imagen del universo que estaba en concordancia
con las escrituras y que tenía la ventaja de dejar un gran espacio después de
la esfera de las estrellas fijas para el cielo y el infierno.
Un
modelo más simple, sin embargo, fue propuesto en 1514 por un cura polaco,
Nicolás Copérnico, (Al principio, tal vez por miedo de ser marcado como hereje
por su iglesia, Copérnico difundió su modelo anónimamente.) Su idea fue que el
Sol estaba fijo en el centro y que la Tierra y los planetas se movían en
órbitas circulares alrededor del Sol.
Pasó
cerca de un siglo antes de que esta idea fuera tomada en serio. Entonces dos
astrónomos -el alemán Johannes Kepler y el italiano Galileo Galilei- comenzaron
a apoyar públicamente la teoría copernicana, a despecho de que las órbitas que
predecía no coincidían con las que se observaban. La muerte final de la teoría
de Aristóteles y Tolomeo llegó en 1609. En ese año, Galileo comenzó a observar
el cielo nocturno con un telescopio, que recién se había inventado. Cuando miró
al planeta Júpiter, Galileo observó que estaba acompañado por varios pequeños
satélites o lunas que orbitaban alrededor de él.
Esto
implicaba que no todo tenía que orbitar directamente alrededor de la Tierra,
como Aristóteles y Tolomeo pensaban. (Por supuesto, todavía era posible creer
que la Tierra estaba estacionaria en el centro del universo y que las lunas de
Júpiter se movían en extremadamente complicadas trayectorias alrededor de la
Tierra, dando la impresión de que orbitaba Júpiter. Sin embargo, la teoría de
Copérnico era mucho más simple) Al mismo tiempo, Johannes Kepler había
modificado la teoría de Copérnico, sugiriendo que los planetas no se movían en
círculos sino en elipses (una elipse es un círculo alargado). Las predicciones
ahora finalmente coincidían con las observaciones.
Por
lo que a Kepler le concernía, las órbitas elípticas eran meramente una
hipótesis ad hoc, y una que era bastante repugnante, porque las elipses eran
claramente menos perfectas que los círculos. Habiendo descubierto casi por
accidente que las órbitas elípticas coincidían con las observaciones, él no
podía reconciliarlas con su idea de que fuerzas magnéticas hacían orbitar los
planetas alrededor del Sol.
Una
explicación fue dada mucho más tarde, en 1687, cuando Sir Isaac Newton publicó
suPhilosophiae Naturalis Principia
Mathematica probablemente la obra más importante que se haya
publicado en las ciencias físicas. En ella Newton no sólo promovió una teoría
de como se mueven los cuerpos en el espacio y el tiempo, sino que también
desarrolló las complicadas matemáticas necesarias para analizar dichos
movimientos.
Además
Newton postuló una ley de la gravitación universal de acuerdo a la cual cada
cuerpo del universo era atraído hacia los demás cuerpos por una fuerza que era
más fuerte cuanto más masa tuvieran los cuerpos y cuanto más cerca estuvieran
uno del otro. Era esta misma fuerza la que provocaba que los objetos cayeran al
suelo. (El cuento de que Newton se inspiró en una manzana que cayó sobre su
cabeza es casi con certeza apócrifo.
Todo
lo que Newton mismo dijo fue que la idea de la gravedad le vino cuando él
estaba sentado en "estado de contemplación" y "fue ocasionada
por la caída de una manzana.") Newton vino a demostrar que, de acuerdo a
su ley, la gravedad causa que la Luna se mueva en una órbita elíptica en torno
a la Tierra y causa que la Tierra y los demás planetas se muevan en órbitas
elípticas alrededor del Sol.
El
modelo Copernicano fue despojado de las esferas celestiales de Tolomeo, y con
ello de la idea de que el universo tiene un límite natural. Dado que las
"estrellas fijas" no aparentan cambiar sus posiciones fuera de una
rotación a través del cielo causado por el giro de la Tierra sobre su eje, se
volvió natural suponer que las estrellas fijas eran objetos como nuestro Sol
pero mucho más lejanos.
Newton
comprendió que, de acuerdo a su teoría de la gravedad, las estrellas deberían
atraerse una hacia otra, por lo tanto parecía que no podían permanecer
esencialmente sin movimiento. ¿No podrían caer todas juntas hacia algún punto?
En una carta de 1691 a Richard Bentley, otro pensador líder de esa época,
Newton arguyó que esto podría en verdad ocurrir si hubiera un número finito de
estrellas distribuidas en una región finita del espacio. Pero él razonaba que
si, por otra parte, hubiera un número infinito de estrellas distribuidas más o
menos uniformemente sobre un universo infinito, esto podría no ocurrir, porque
no habría un punto central hacia el cual caer.
Este
argumento es un ejemplo de las trampas en que se puede caer cuando se habla del
infinito. En un universo infinito, cada punto puede ser visto como el centro,
porque cada punto tiene un número infinito de estrellas de cada lado. El
planteo correcto, que fue realizado mucho más tarde, es considerar la situación
finita en la cual todas las estrellas caen una sobre otra, y entonces preguntar
cómo cambiarían las cosas si se agregan más estrellas distribuidas de forma
casi uniforme fuera de esta región.
De
acuerdo a las leyes de Newton las estrellas extra no harían ninguna diferencia,
así que las estrellas caerían del mismo modo. Podemos agregar tantas estrellas
como queramos, pero siempre caerá una sobre otra. Ahora sabemos que es
imposible tener un modelo estático infinito del universo en el cual la gravedad
sea siempre atractiva.
Una
interesante reflexión sobre el clima general de pensamiento antes del siglo XX
es que nadie había sugerido que el universo se estuviera expandiendo o
contrayendo. Era generalmente aceptado que o bien el universo había existido
siempre en un estado inmutable, o bien que había sido creado hace un tiempo
finito en el pasado más o menos como lo observamos hoy en día. En parte esto
debe haberse debido a la tendencia de la gente a creer en verdades eternas, así
como al confort que encontraban al pensar que aunque ellos tuvieran que
envejecer y morir, el universo es eterno e inmutable.
Inclusive
aquellos que advertían que la teoría de Newton de la gravedad mostraba que el
universo no podía ser estático no pensaron en sugerir que podría estarse
expandiendo. En su lugar, intentaron modificar la teoría haciendo que la fuerza
de gravedad fuera repulsiva a muy largas distancias.
Esto
no afectaba significativamente sus predicciones del movimiento de los planetas,
pero permitía que una distribución de estrellas infinita permaneciera en
equilibrio con las fuerzas atractivas
entre estrellas cercanas balanceada por las fuerzas repulsivas de las estrellas
más lejanas.
Sin
embargo, ahora creemos que tal equilibrio podría ser inestable: si las
estrellas en alguna región se acercaran sólo un poco una a la otra, las fuerzas
atractivas entre ellas podrían volverse más fuertes y dominar sobre las fuerzas
repulsivas de modo que las estrellas seguirían cayendo una sobre la otra. Por
otra parte, si las estrellas se alejaran un poco una de otra, las fuerzas
repulsivas podrían dominar y alejarlas cada vez más.
Otra
objeción a un universo infinito estático es normalmente atribuida al filósofo
alemán Heinrich Olbers, quien escribió sobre su teoría en 1823. En efecto,
varios contemporáneos de Newton habían visto el problema, y el artículo de
Olbers no fue el primero en contener argumentos plausibles contra él. Fue, sin
embargo, el primero en ser ampliamente notado. La dificultad es que en un
universo infinito estático casi cualquier línea de visión terminaría en la
superficie de una estrella. Luego uno podría esperar que todo el cielo pudiera
ser tan brillante como el Sol, inclusive de noche.
El contra argumento de Olbers era que la luz
de las estrellas lejanas estaría oscurecida por la absorción debida a la
materia intermedia. Sin embargo, si eso sucediera, la materia intermedia se
calentaría, con el tiempo, hasta que iluminara de forma tan brillante como las
estrellas. La única manera de evitar la conclusión de que todo el cielo
nocturno debería de ser tan brillante como la superficie del Sol sería suponer
que las estrellas no han estado iluminando desde siempre, sino que se
encendieron en un determinado instante pasado finito.
En
este caso, la materia absorbente podría no estar caliente todavía, o la luz de
las estrellas distantes podría no habernos alcanzado aún. Y esto nos conduciría
a la cuestión de qué podría haber causado el hecho de que las estrellas se
hubieran encendido por primera vez.
El
principio del universo había sido discutido, desde luego, mucho antes de esto.
De acuerdo con distintas cosmologías primitivas y con la tradición
judeo-cristianamusulmana, el universo comenzó en cierto tiempo pasado finito, y
no muy distante. Un argumento en favor de un origen tal fue la sensación de que
era necesario tener una «Causa Primera» para explicar la existencia del
universo. (Dentro del universo, uno siempre explica un acontecimiento como
causado por algún otro acontecimiento anterior, pero la existencia del universo
en sí, sólo podría ser explicada de esta manera si tuviera un origen.) Otro
argumento lo dio san Agustín en su libro La ciudad de Dios.
Señalaba
que la civilización está progresando y que podemos recordar quién realizó esta
hazaña o desarrolló aquella técnica. Así, el hombre, y por lo tanto quizás
también el universo, no podía haber existido desde mucho tiempo atrás. San
Agustín, de acuerdo con el libro del Génesis, aceptaba una fecha de unos 5.000
años antes de Cristo para la creación del universo. (Es interesante comprobar
que esta fecha no está muy lejos del final del último periodo glacial, sobre el
10.000 a.C., que es cuando los arqueólogos suponen que realmente empezó la
civilización.)
Aristóteles,
y la mayor parte del resto de los filósofos griegos, no era partidario, por el
contrario, de la idea de la creación, porque sonaba demasiado a intervención
divina. Ellos creían, por consiguiente, que la raza humana y el mundo que la
rodea habían existido, y existirían, por siempre. Los antiguos ya habían
considerado el argumento descrito arriba acerca del progreso, y lo habían
resuelto diciendo que había habido inundaciones periódicas u otros desastres
que repetidamente situaban a la raza humana en el principio de la civilización.
Las
cuestiones de si el universo tiene un principio en el tiempo y de si está
limitado en el espacio fueron posteriormente examinadas de forma extensiva por
el filósofo Immanuel Kant en su monumental (y muy oscura) obra, Crítica de la
razón pura, publicada en 1781. Él llamó a estas cuestiones antinomias (es
decir, contradicciones) de la razón pura, porque le parecía que había
argumentos igualmente convincentes para creer tanto en la tesis, que el
universo tiene un principio, como en la antítesis, que el universo siempre
había existido. Su argumento en favor de la tesis era que si el universo no
hubiera tenido un principio, habría habido un período de tiempo infinito
anterior a cualquier acontecimiento, lo que él consideraba absurdo.
El
argumento en pro de la antítesis era que si el universo hubiera tenido un
principio, habría habido un período de tiempo infinito anterior a él, y de este
modo, ¿por qué habría de empezar el universo en un tiempo particular
cualquiera? De hecho, sus razonamientos en favor de la tesis y de la antítesis
son realmente el mismo argumento. Ambos están basados en la suposición
implícita de que el tiempo continúa hacia atrás indefinidamente, tanto si el
universo ha existido desde siempre como si no.
Como
veremos, el concepto de tiempo no tiene significado antes del comienzo del
universo. Esto ya había sido señalado en primer lugar por san Agustín. Cuando
se le preguntó: ¿Qué hacía Dios antes de que creara el universo?, Agustín no
respondió: estaba preparando el infierno para aquellos que preguntaran tales
cuestiones. En su lugar, dijo que el tiempo era una propiedad del universo que
Dios había creado, y que el tiempo no existía con anterioridad al principio del
universo.
Cuando
la mayor parte de la gente creía en un universo esencialmente estático e
inmóvil, la pregunta de si éste tenía, o no, un principio era realmente una
cuestión de carácter metafísico o teológico. Se podían explicar igualmente bien
todas las observaciones tanto con la teoría de que el universo siempre había
existido, como con la teoría de que había sido puesto en funcionamiento en un
determinado tiempo finito, de tal forma que pareciera como si hubiera existido
desde siempre.
Pero,
en 1929, Edwin Hubble hizo la observación crucial de que, donde quiera que uno
mire, las galaxias distantes se están alejando de nosotros. O en otras
palabras, el universo se está expandiendo. Esto significa que en épocas
anteriores los objetos deberían de haber estado más juntos entre sí. De hecho,
parece ser que hubo un tiempo, hace unos diez o veinte mil millones de años, en
que todos los objetos estaban en el mismo lugar exactamente, y en el que, por
lo tanto, la densidad del universo era infinita. Fue dicho descubrimiento el
que finalmente llevó la cuestión del principio del universo a los dominios de
la ciencia.
Las
observaciones de Hubble sugerían que hubo un tiempo, llamado el big bang [gran explosión o
explosión primordial], en que el universo era infinitesimalmente pequeño e
infinitamente denso. Bajo tales condiciones, todas las leyes de la ciencia, y,
por tanto, toda capacidad de predicción del futuro, se desmoronarían. Si
hubiera habido acontecimientos anteriores a este no podrían afectar de ninguna
manera a lo que ocurre en el presente. Su existencia podría ser ignorada, ya
que ello no extrañaría consecuencias observables. Uno podría decir que el
tiempo tiene su origen en el big
bang, en el sentido de que los tiempos anteriores simplemente no
estarían definidos.
Es
señalar que este principio del tiempo es radicalmente diferente de aquellos
previamente considerados. En un universo inmóvil, un principio del tiempo es
algo que ha de ser impuesto por un ser externo al universo; no existe la
necesidad de un principio. Uno puede imaginarse que Dios creó el universo en,
textualmente, cualquier instante de tiempo. Por el contrario, si el universo se
está expandiendo, pueden existir poderosas razones físicas para que tenga que
haber un principio.
Uno
aún se podría imaginar que Dios creó el universo en el instante del big bang, pero
no tendría sentido suponer que el universo hubiese sido creado antes del big
bang. ¡Universo en expansión no excluye la existencia de un creador, pero sí
establece límites sobre cuándo éste pudo haber llevado a cabo su misión!
Para
poder analizar la naturaleza del universo, y poder discutir cuestiones tales
como si ha habido un principio o si habrá un final, es necesario tener claro lo
que es una teoría científica. Consideremos aquí un punto de vista ingenuo, en
el que una teoría es simplemente un modelo del universo, o de una parte de él,
y un conjunto de reglas que relacionan las magnitudes del modelo con las
observaciones que realizamos. Esto sólo existe en nuestras mentes, y no tiene
ninguna otra realidad (cualquiera que sea lo que esto pueda significar).
