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Desde el Balseiro, un adiós al físico Stephen Hawking

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En el mundo, la noticia impactó con fuerza: el físico teórico quizás más famoso del siglo XXI falleció luego de contradecir por más de medio siglo los pronósticos de una breve vida. En la ciencia, los aportes de Stephen Hawking son reconocidos por la comunidad física mundial. En la cultura popular, se ganó un lugar en los corazones de la gente como un ícono de la cosmología en los medios, la TV y el cine. Docentes del Instituto Balseiro le rinden homenaje con sus palabras en esta nota. Se incluye una columna de opinión de Juan Martín Maldacena.

Fecha de publicación: 14/03/2018

Con sólo 21 años, fue diagnosticado de una enfermedad que afecta las neuronas motoras y que lo dejaría en silla de ruedas. A pesar del pronóstico de que viviría sólo un par de años, Stephen Hawking continuó por más de medio siglo con sus estudios en el campo de la física, y logró destacarse a nivel mundial como referente del estudio de los agujeros negros y del Big Bang, mezclando la teoría de la relatividad general con la teoría de la mecánica cuántica. Ahora bien, ¿por qué genera en la gente tanta admiración?

Los Simpsons, The Big Bang Theory y Star Trek en la televisión, y la Teoría del Todo en el cine son sólo algunos ejemplos de su impacto en la cultura popular. Autor de varios libros de divulgación, como “Breve historia del tiempo”, hoy es visto como un heredero de grandes físicos como Kepler, Copérnico, Galileo, y Einstein. Entre sus logros, ocupó el sillón de Isaac Newton en la Universidad de Cambridge y se dio gustos como recorrer el mundo y hasta sentir la microgravedad. En esa ciudad murió hoy, a los 76 años.

“Hawking hizo contribuciones importantísimas en temas relacionados con la interacción gravitatoria. En la década del 60, demostró teoremas muy generales relacionados con la existencia de singularidades en la Teoría de la Relatividad General de Einstein”, cuenta Diego Mazzitelli, uno de los profesores del Instituto Balseiro consultados para esta nota y que participó en una conferencia dictada por Hawking en el Centro Internacional de Física Teórica.

“En particular, demostró que concentraciones muy grandes de materia/energía, algo que llamamos ‘colapso gravitacional’, dan lugar a la formación de agujeros negros. También probó que los modelos cosmológicos, extrapolados hacia atrás en el tiempo, dan lugar, bajo condiciones muy generales un ‘Big bang’ o una singularidad inicial”, agrega Mazzitelli, que es investigador del CONICET en el grupo de Física de Partículas y Campos del Centro Atómico Bariloche.

Considerando efectos de mecánica cuántica en presencia de agujeros negros, Hawking demostró años después que los agujeros negros no son negros, sino que emiten radiación. Ese fenómeno hoy se conoce como radiación de Hawking. “Si bien esta radiación es muy chica como para ser observada en agujeros negros astrofísicos, tiene una gran relevancia en estudios teóricos que apuntan a compatibilizar la interacción gravitatoria con la mecánica cuántica”, dijo Mazzitelli, que investiga en Teoría cuántica de campos y gravitación.

“Sin duda fue uno de los científicos más reconocidos popularmente. Y es llamativo como pudo mantener esa condición a pesar de la terrible enfermedad que padeció”, agregó el físico. Y recordó que a lo largo de su carrera hizo algunas afirmaciones polémicas, como predecir el fin de la física teórica basándose en la supergravedad, e incluso realizó apuestas fallidas, incluyendo que no iba a descubrirse la partícula de Higgs, o que no se encontraría evidencia para la existencia de agujeros negros.

Silvia Mollerach trabaja en el campo de los rayos cósmicos de altísimas energías y es docente en el Balseiro. Comparte con Hawking haber tenido al mismo director de doctorado. Ella se doctoró en 1990 en la Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati, en Trieste, Italia, bajo la dirección del físico británico Dennis Sciama, profesor de Oxford y anteriormente de Cambridge, donde dirigió a Hawking.

“Hawking hizo aportes fundamentales en la comprensión de efectos cuánticos en agujeros negros y en cosmología. En este último campo estuvo entre los primeros que estudió cómo fluctuaciones cuánticas en el universo primordial podían dar lugar a las inhomogeneidades iniciales en la densidad de energía en el universo, que luego originaron por acreción gravitatoria las galaxias y otras estructuras observadas”, reflexiona Mollerach, que trabaja en el mismo grupo que Mazzitelli en el CAB.

“Esa idea, de poder explicar las estructuras más grandes del universo a partir de fluctuaciones cuánticas, me resultó muy interesante e inspiró en mi juventud mi trabajo de doctorado en esos temas”, cuenta la investigadora del CONICET ante la consulta de si Hawking había influido de alguna manera en su carrera. Y agrega: “Sin duda inspiró a mucha gente a conocer más sobre el universo”.

Jorge Pullin es egresado del Instituto Balseiro y trabaja en relatividad general clásica y mecánica cuántica. Ocupa la cátedra Horace Hearne de física teórica de la Universidad del Estado de Louisiana, en los Estados Unidos. Además es el fundador de la revista Physical Review X, y estuvo en un par de ocasiones en reuniones donde estaba Hawking. En un reciente trabajo junto con el físico uruguayo Rodolfo Gambini, buscaron entender lo que Hawking mostró en 1975: que los agujeros negros se evaporan.

“Aun hoy no se entiende en detalle como ocurre el proceso y el mismo presenta aspectos muy paradójicos. En mi opinión, es el problema central de la física teórica fundamental porque pone a prueba la relatividad general, la mecánica cuántica y la termodinámica en sus regímenes más extremos”, escribe vía correo electrónico para esta nota.

El científico participó con su esposa, la física cordobesa Gabriela González, en la cena de honor de los 75 años de Hawking, que tuvo lugar en el Corpus Christi College de la Universidad de Cambridge en 2017. Ante la consulta de qué opinión tiene sobre Hawking como ícono de la cultura popular e inspiración para conocer más sobre el universo, Pullin comenta: “Claramente ha inspirado a muchísima gente, como lo testimonia su aparición en series populares como Los Simpsons o The Big Bang Theory”.

Para Diego Harari, profesor del Instituto Balseiro y también investigador del CONICET en el mismo grupo de física teórica que Mazzitelli y Mollerach, Hawking “fue una mente brillante y revolucionaria”. Harari cita hechos: “En 1974 combinó el principio de incerteza con la relatividad general de Einstein para concluir que los agujeros negros emiten por efectos cuánticos”.

Esa predicción tuvo y sigue teniendo un enorme impacto en muchos desarrollos teóricos, pese a que aún no se ha logrado verificar experimentalmente. “Esa verificación es difícil de hacer, ya que un agujero negro de masa como la del Sol emite a una temperatura de una millonésima de grado por sobre el cero absoluto, y su temperatura es aún menor si es más pesado”, agrega el físico.

“Además, esa predicción dio un gran impulsó a la investigación de efectos cuánticos en espacio-tiempo curvos, tema en la cual trabajé en mi etapa de estudios de doctorado en la UBA entre 1979 y 1983, y también lo hicieron amigos y colegas como Carmen Núñez, Juan Pablo Paz, Diego Mazzitelli y varios otros, dirigidos por el Dr. Mario Castagnino”, menciona Harari ante la pregunta de si Hawking influyó en su carrera.

“Recuerdo también las enseñanzas del Dr. Victor Hamity, que viajaba todas las semanas a Buenos Aires desde Córdoba para darnos un curso basado en el libro escrito en 1974 por Hawking y George Ellis sobre la estructura del espacio-tiempo. Procesar ese libro fue todo un desafío”, destaca el profesor, que investiga en la actualidad en el campo de los rayos cósmicos de la mayor energía en el Observatorio Pierre Auger y que también está interesado en el proyecto QUBIC, que busca revelar la presencia de ondas gravitacionales primordiales.

“Creo que la enorme fortaleza de Hawking desafiando su enfermedad, y la imagen de su mente sobreponiéndose a la debilidad de su cuerpo sin duda atrapó la imaginación popular y potenció el interés por sus ideas y su visión del Universo. Hawking jugó un papel importantísimo en la difusión de la ciencia”, opinó Harari.

Ante la consulta de si conoció a Hawking, cuenta que participó como oyente en una conferencia pública que el físico británico brindó a fines de los 80 el Laboratorio Fermilab, en las afueras de Chicago. “Esa misma noche hubo una reunión social, que Hawking disfrutó mucho bailando en su silla de ruedas motorizada y controlada con un dedo, como pude apreciar por ser patadura y no participar del baile”, agregó con humor el profesor.

Otro profesor del Balseiro, que trabaja en el tema de los agujeros negros y la información cuántica, es Horacio Casini. Si bien no pudo responder las preguntas para esta nota, en un breve encuentro Casini comentó lo siguiente: “Algo que admiro de Hawking es que detrás de su fama, hay aportes científicos muy importantes”.

Lo curioso es que, de todas maneras, muchos no conocen con exactitud cuáles fueron sus aportes en el campo de la física teórica. Sin embargo, quedó en los corazones de la gente y sus ideas permanecen más allá de la ciencia. “Un ejemplo a seguir... Demostró que no existe impedimento físico alguno cuando sobra voluntad para superarse y alcanzar los objetivos”, comentó una mujer (con el sobrenombre de “Su la portera”) en el muro de Facebook del Instituto Balseiro.

Sofía Lescano, estudiante universitaria de 21 años, también comentó en la página de Facebook del Balseiro desde San Miguel de Tucumán: “Stephen me ha dejado sin duda alguna, inspiración y deseos por seguir buscando la verdad (…) Si hoy aspiro a la investigación científica, fue gracias a él y a muchos otros que permiten que desde muy temprana edad, podamos abrir nuestras mentes sin conformarnos con poco”.


Columna especial: Recuerdos personales sobre S. Hawking

Por Juan Martín Maldacena

Cuando comencé a estudiar agujeros negros, como estudiante de física, conocí el nombre de S. Hawking y su descubrimiento teórico de que los agujeros negros emiten la radiación de Hawking. Leí sus trabajos sobre este tema. Hawking también propuso que este efecto llevaría a la pérdida de la información. Las leyes de la mecánica cuántica no son compatibles con la perdida de información.

Esto motivó a muchos investigadores a tratar de entender cómo compatibilizar la mecánica cuántica con los agujeros negros. Yo soy uno de ellos y he estado trabajando sobre este tema durante gran parte de mi carrera como físico teórico.

A S. Hawking lo conocí personalmente en 1996 cuando fui a Caltech a dar una presentación sobre agujeros negros según la teoría de cuerdas. S. Hawking solía pasar parte del invierno visitando Caltech, y allí estaba cuando fui a dar esa charla. Se interesó y me hizo varias preguntas. Fuimos a cenar con él y un grupo de investigadores.

Un par de años después, nos visitó por un mes en la Universidad de Harvard, cuando yo estaba allí como profesor. En esa ocasión hablamos bastante y escribimos un artículo (junto con A. Strominger) sobre la relación entre el entrelazamiento cuántico y la geometría del espacio tiempo: https://arxiv.org/abs/hep-th/0002145

Cuando yo lo conocí, solo podía hablar con un sintetizador de voz y era bastante lento para comunicarse. Hawking tenía que pensar bastante antes de hablar, así que sus frases eran densas, con bastante contenido.

Hawking tenía una fuerza de voluntad increíble para lograr sobreponerse a su enfermedad. Todo lo ordinario le llevaba mucho tiempo: comunicarse, comer, etc. A pesar de eso logró hacer contribuciones muy importantes a la física. Se convirtió en una celebridad y participó activamente de lo que ellos significa: viajar, dar conferencias, escribir artículos, etc. Tenía un buen sentido del humor y le gustaba participar en todo lo que fuera posible, quería llevar una vida lo más normal posible a pesar de su discapacidad.

Algunas anécdotas interesantes sobre Hawking

1) Durante una conferencia, Hawking estaba en la audiencia.
De repente dijo “NO”', con su sintetizador de voz. El presentador se sorprendió y se preguntó qué era lo que estaba objetando.
Pero resulto que Hawking simplemente se había quedado dormido y había apretado sin querer la palabra “no” en su computadora.

2) Stephen nos comentó una vez que estaba orgulloso de que su libro “Una breve historia del tiempo” había vendido más ejemplares que el libro “Sexo” de Madona.

3) La siguiente anécdota me la conto Sidney Coleman, un profesor de física de Harvard.
Hawking visitó Harvard en una ocasión. Sidney lo invitó a cenar a su departamento.
Ese departamento quedaba en el tercer piso y tenía escaleras estrechas y oscuras para subir. Su silla de ruedas no pasaba.
Entonces Sidney alzó a Hawking en sus brazos y lo subió por la escalera. Cuando estaba por entrar a su departamento, se encuentra con su vecino en la penumbra de la escalera.
El vecino le dice:
-¿Estas sacando la basura ?.
Sidney le responde:
- No, esto no es basura, ¡es Stephen Hawking!.

Más detalles sobre sus contribuciones científicas

Su contribución principal fue el descubrimiento teórico de que los agujeros negros emiten la “radiación de Hawking”.

Los agujeros negros son una geometría del espacio tiempo. Según la teoría de la relatividad general de Einstein, se pueden producir por una gran concentración de materia. Son una geometría donde el flujo del tiempo está muy distorsionado.

Tanto es así, que existe una región, que a veces se llama “el interior”, de donde no se puede escapar. La superficie imaginaria que separa el exterior del interior se llama “horizonte”. La llamo “imaginaria” porque no hay nada especial en esa superficie, alguien que la cruza no se da cuenta de que la está cruzando.

Según la teoría clásica de Einstein, el área del horizonte de un agujero negro siempre crece (éste es un teorema que también probó S. Hawking). Pero la mecánica cuántica implica que el agujero negro pierde energía y que el área del horizonte puede disminuir. De hecho, el agujero negro podría desaparecer totalmente.

O sea que los agujeros negros se forman, pero también se pueden “evaporar” a través de este proceso.

¿Se verificó experimentalmente? Sí y no.

No para los agujeros negros. Los agujeros negros que se producen en forma natural en el universo son muy masivos. Para ellos este efecto es muy pequeño y no se puede medir.
Sin embargo, hay un efecto muy similar que se produce en un universo en expansión. La radiación de Hawking nos dice que cuando hay un horizonte hay también una temperatura.
En un universo en expansión constante, también hay un “horizonte” que nos separa de lo que esta tan lejos que una señal no nos puede llegar nunca. Esto es relevante para el principio del universo.

El horizonte da lugar a una temperatura y esto hace que el universo tenga pequeñas fluctuaciones en su geometría. Clásicamente esta expansión produciría un universo perfectamente uniforme. Pero la temperatura o los efectos cuánticos implican que el universo no será exactamente uniforme. Esto es importante para nuestro universo.

A gran escala nuestro universo es aproximadamente uniforme, pero a escalas más chicas no lo es. Por ejemplo, la densidad de materia en la tierra es distinta que en aire y distinta que en el espacio interestelar. La idea es que el universo era muy uniforme, con pequeñas inhomogeneidades que se fueron amplificando debido a la fuerza de la gravedad, así se fue concentrando la materia en estrellas, planetas, etc.

En resumen, podemos decir que un fenómeno muy similar a la radiación de Hawking opera al principio del universo y da origen a la formación de las galaxias, estrellas y planetas.

Crédito foto: Jim Campbell/Aero-News Network / Wikipedia

 

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San Carlos de Bariloche, 14/03/2018

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