Teoría de Stephen Hawking sobre los orígenes del tiempo y la vida

Teoría de Stephen Hawking sobre los orígenes del tiempo y la vida

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Por Thomas Hertog, profesor de física, KU Leuven

El difunto físico Stephen Hawking me pidió por primera vez que trabajara con él para desarrollar “una nueva teoría cuántica del Big Bang” en 1998. Lo que comenzó como un proyecto de doctorado evolucionó durante unos 20 años hasta convertirse en una intensa colaboración que terminó solo con su fallecimiento. 14 de marzo de 2018.

El enigma en el centro de nuestra investigación a lo largo de este período fue cómo el Big Bang pudo haber creado condiciones tan perfectamente hospitalarias para la vida. Nuestra respuesta se publica en un nuevo libro, Sobre el origen del tiempo: la teoría final de Stephen Hawking.

Las preguntas sobre el origen último del cosmos, o universo, sacan a la física de su zona de confort. Sin embargo, aquí era exactamente donde a Hawking le gustaba aventurarse. La perspectiva, o la esperanza, de descifrar el enigma del diseño cósmico impulsó gran parte de la investigación de Hawking en cosmología. “Ir audazmente a donde Star Trek teme pisar” era su lema, y ​​también su protector de pantalla.

Nuestra búsqueda científica compartida significaba que inevitablemente nos acercábamos. Estando cerca de él, uno no podía dejar de ser influenciado por su determinación y optimismo de que podíamos abordar preguntas desconcertantes. Me hizo sentir como si estuviéramos escribiendo nuestra propia historia de creación, lo cual, en cierto sentido, hicimos.

En los viejos tiempos, se pensaba que el diseño aparente del cosmos significaba que tenía que haber un diseñador: un Dios. Hoy, los científicos, en cambio, apuntan a las leyes de la física.

Estas leyes tienen una serie de sorprendentes propiedades generadoras de vida. Tome la cantidad de materia y energía en el universo, las delicadas proporciones de las fuerzas o el número de dimensiones espaciales.

Los físicos han descubierto que si modificas estas propiedades muy levemente, el universo queda sin vida. Casi se siente como si el universo fuera una solución, incluso una grande.

Pero, ¿de dónde vienen las leyes de la física? Desde Albert Einstein hasta Hawking en su trabajo anterior, la mayoría de los físicos del siglo XX consideraron las relaciones matemáticas que subyacen a las leyes físicas como verdades eternas.

Desde este punto de vista, el diseño aparente del cosmos es una cuestión de necesidad matemática. El universo es como es porque la naturaleza no tuvo elección.

A principios del siglo XXI, surgió una explicación diferente. Tal vez vivamos en un multiverso, un espacio enorme que genera un mosaico de universos, cada uno con su propio tipo de Big Bang y física. Tendría sentido, estadísticamente, que algunos de estos universos fueran aptos para la vida.

Sin embargo, pronto tales reflexiones sobre el multiverso quedaron atrapadas en una espiral de paradojas y predicciones no verificables.

Dando la vuelta a la cosmología

¿Podemos hacerlo mejor? Sí, Hawking y yo lo descubrimos, pero solo renunciando a la idea, inherente a la cosmología de multiversos, de que nuestras teorías físicas pueden tener la perspectiva de Dios, como si estuvieran fuera del cosmos entero.

Es un punto obvio y aparentemente tautológico: la teoría cosmológica debe explicar el hecho de que existimos dentro del universo. “No somos ángeles que ven el universo desde afuera”, me dijo Hawking. “Nuestras teorías nunca están desvinculadas de nosotros”.

Nos propusimos repensar la cosmología desde la perspectiva de un observador. Esto requería adoptar las extrañas reglas de la mecánica cuántica, que gobierna el micromundo de las partículas y los átomos.

De acuerdo con la mecánica cuántica, las partículas pueden estar en varias ubicaciones posibles al mismo tiempo, una propiedad llamada superposición. Solo cuando se observa una partícula, toma (aleatoriamente) una posición definida. La mecánica cuántica también involucra saltos y fluctuaciones aleatorias, como partículas que surgen del espacio vacío y desaparecen nuevamente.

En un universo cuántico, por lo tanto, un pasado y un futuro tangibles emergen de una bruma de posibilidades por medio de un proceso continuo de observación. Tales observaciones cuánticas no necesitan ser realizadas por humanos. El entorno o incluso una sola partícula puede “observar”.

Innumerables actos cuánticos de observación transforman constantemente lo que podría ser en lo que sucede, lo que hace que el universo cobre existencia más firmemente. Y una vez que se ha observado algo, todas las demás posibilidades se vuelven irrelevantes.

Descubrimos que cuando miramos hacia atrás a las primeras etapas del universo a través de una lente cuántica, hay un nivel más profundo de evolución en el que incluso las leyes de la física cambian y evolucionan, en sincronía con el universo que está tomando forma. Además, esta metaevolución tiene un sabor darwiniano.

La variación entra porque los saltos cuánticos aleatorios provocan frecuentes desviaciones de lo que es más probable. La selección entra porque algunas de estas excursiones pueden ser amplificadas y congeladas, gracias a la observación cuántica.

La interacción entre estas dos fuerzas en competencia, la variación y la selección, en el universo primigenio produjo un árbol ramificado de leyes físicas.

El resultado es una profunda revisión de los fundamentos de la cosmología. Los cosmólogos suelen comenzar asumiendo leyes y condiciones iniciales que existían en el momento del Big Bang, y luego consideran cómo evolucionó el universo actual a partir de ellas. Pero sugerimos que estas leyes son en sí mismas el resultado de la evolución.

Las dimensiones, las fuerzas y las especies de partículas se transmutan y diversifican en el horno del Big Bang caliente, algo análogo a cómo emergen las especies biológicas miles de millones de años después, y adquieren su forma efectiva con el tiempo.

Además, la aleatoriedad involucrada significa que el resultado de esta evolución, el conjunto específico de leyes físicas que hacen que nuestro universo sea lo que es, solo puede entenderse en retrospectiva.

En cierto sentido, el universo primitivo fue una superposición de una enorme cantidad de mundos posibles. Pero estamos viendo el universo de hoy en un momento en que existen humanos, galaxias y planetas. Eso significa que vemos la historia que condujo a nuestra evolución.

Observamos parámetros con “valores de la suerte”. Pero nos equivocamos al suponer que fueron diseñados de alguna manera o siempre así.

El problema con el tiempo

El quid de nuestra hipótesis es que, razonando hacia atrás en el tiempo, la evolución hacia más simplicidad y menos estructura continúa hasta el final. En última instancia, incluso el tiempo y, con él, las leyes físicas se desvanecen.

Esta opinión se sustenta especialmente en la forma holográfica de nuestra teoría. El “principio holográfico” en física predice que así como un holograma parece tener tres dimensiones cuando en realidad está codificado en solo dos dimensiones, la evolución de todo el universo está codificada de manera similar en una superficie abstracta y atemporal.

Hawking y yo vemos el tiempo y la causalidad como “cualidades emergentes”, que no tienen existencia previa pero que surgen de las interacciones entre innumerables partículas cuánticas. Es un poco como la temperatura surge de muchos átomos que se mueven colectivamente, aunque ningún átomo individual tiene temperatura.

Uno se aventura en el tiempo al alejarse y echar un vistazo más borroso al holograma. Eventualmente, sin embargo, uno pierde toda la información codificada en el holograma. Este sería el origen del tiempo: el Big Bang.

Durante casi un siglo, hemos estudiado el origen del universo en el contexto estable de las leyes inmutables de la naturaleza. Pero nuestra teoría lee la historia del universo desde adentro y como una que incluye, en sus primeras etapas, la genealogía de las leyes físicas. No son las leyes como tales sino su capacidad de transmutar las que tienen la última palabra.

Futuras observaciones cosmológicas pueden encontrar evidencia de esto. Por ejemplo, las observaciones de precisión de ondas gravitacionales (ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo) pueden revelar firmas de algunas de las primeras ramas del universo. Si se detecta, el final cosmológico de Hawking bien podría convertirse en su mayor legado científico.

Thomas Hertog, profesor de física, KU Leuven

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