Años 80. Stephen Hawking y la teoría del Big Bang

Los avances tecnológicos y científicos permiten comenzar a dar respuesta a preguntas esenciales del hombre. Con la combinación de los principales logros de la física del siglo XX, Stephen Hawking reelabora la teoría del Big Bang, la gran explosión que dio origen al universo.

 

Stephen Hawking y la teoría del Big Bang

La tesis que vincula el nacimiento del Universo a su fin debe mucho a la combinación de los dos grandes logros de la física del siglo XX: la relatividad general y la mecánica cuántica.

La contribución que a esta tesis hicieron investigadores como Jayant Narlikar en la India y Jim Hartle en California - USA, así como varios especialistas soviéticos, fue sumamente importante. Pero es sobre todo el nombre de Stephen Hawking, de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido, el que aparece más estrechamente asociado a este descubrimiento.

Mientras lucha contra su esclerosis lateral amiotrófica, una enfermedad incurable del sistema nervioso, Hawking ha hecho importantísmos aportes a la ciencia en lo que respecta a las preguntas esenciales que el ser humano se ha preguntado a lo largo de la historia de la humanidad.

 

Durante veinte años, sus trabajos se concentraron en el estudio de la singularidad -es decir de un punto de partida de materia de densidad infinita y volumen cero, tal como debe existir, según la teoría general de la relatividad, en el corazón de los agujeros negros o como debió existir en el origen del Universo.

En efecto, se puede describir el Universo con las mismas ecuaciones que un agujero negro. 

Un agujero negro es una región del espacio en la cual la materia está concentrada y ejerce una fuerza de atracción gravitatoria tan intensa que la luz misma no puede alejarse de su superficie. Los objetos exteriores pueden ser arrastrados por el agujero negro pero nada de lo que existe en él puede ser directamente percibido del exterior.

Un agujero negro puede formarse cuando una estrella un poco más masiva que nuestro Sol, al llegar al fin de su vida, se contrae sobre sí misma.

Las ecuaciones de la relatividad general demuestran que una estrella que se "colapsa" en el interior de un agujero negro debe efectivamente contraerse hasta el estado final de una singularidad. Es aquí donde las ideas de Hawking provocan gran revuelo; Hawking demuestra que las ecuaciones en virtud de las cuales el colapso de una estrella da nacimiento a una singularidad obligan igualmente a concebir el nacimiento del Universo a partir de una singularidad.

Sabemos que el Universo está en expansión porque las galaxias lejanas, tales como las observamos, se alejan de nosotros a velocidades proporcionales a su distancia. Ello no significa que nuestra propia galaxia, la "Vía Láctea", esté en el centro del Universo, pues este fenómeno de recesión debe poder percibirse de la misma manera a partir de cualquier punto del universo en expansión. Este descubrimiento de los años veinte, es uno de los fundamentos de la Teoría del Big Bang, según el cual el universo ha existido infinitamente caliente, dilatándose desde hace unos 15 mil millones de años.

Remontándose en el tiempo e invirtiendo el sentido de las ecuaciones, todas las estrellas y todas las galaxias deben haberse encontrado aglutinadas en una masa muy caliente, es decir, en una singularidad original.

1957: El inicio de la era espacial: la carrera espacial - Descubrimientos - La propulsión de cohetes

El sueño de la humanidad de viajar al espacio comienza a transformarse en realidad. A partir de 1957, con el lanzamiento del Sputnik, una nueva era comienza: la era espacial.

La Carrera Espacial

El estudio acerca del origen del Universo, así como su evolución, su estructura a gran escala y su futuro, ha sido una de las interrogantes que más ha concitado el interés del hombre a lo largo de su historia.

La humanidad ha soñado con viajes espaciales miles de años antes de que éstos empezaran a llevarse a cabo. Pruebas de ello las encontramos en los textos babilónicos, alrededor del año 4000 a.C.

Dédalo e Ícaro, antiguos mitos griegos, también representan el deseo universal de volar. 

Ya en el siglo II d.C. el escritor griego Luciano escribió sobre un imaginario viaje a la Luna. 

A principios del siglo XVII, el astrónomo alemán Johannes Kepler escribió una sátira científica de un viaje a la Luna.

El filósofo y escritor francés Voltaire cuenta en su obra Micromegas (1752) los viajes de unos habitantes de Sirio y de Saturno. Y en 1865, el escritor francés Julio Verne describe un viaje espacial en su famosa novela De la Tierra a la Luna.

El sueño del vuelo espacial continuó en el siglo XX, especialmente en los escritos del inglés H. G. Wells, que en 1898 publicó "La guerra de los mundos" y en 1901 "Los primeros hombres en la Luna". En los últimos tiempos la ciencia ficción ha desarrollado nuevas fantasías en torno a los vuelos espaciales.

Primeras teorías

Durante siglos, cuando los viajes espaciales eran tan solo una fantasía, los científicos dedicados a la astronomía, química, matemática, meteorología y física desarrollaron un concepto del Sistema Solar, del universo estelar, de la atmósfera terrestre y del posible entorno espacial.

En los siglos VII y VI a.C. los filósofos griegos Tales de Mileto y Pitágoras se dieron cuenta de que la Tierra era una esfera.

En el siglo III a.C. el astrónomo Aristarco de Samos afirmó que la Tierra giraba alrededor del Sol. Hiparco de Nicea, también griego, recogió datos sobre las estrellas y los movimientos de la Luna en el siglo II a.C. Ptolomeo de Alejandría, en el siglo II, situó la Tierra en el centro del Sistema Solar, en su concepción cósmica, llamada sistema de Ptolomeo.

Descubrimientos científicos

Tuvieron que pasar 1.400 años hasta que el astrónomo polaco Nicolás Copérnico descubrió que los planetas, incluida la Tierra, giraban alrededor del Sol.

Más tarde, en el siglo XVI, el astrónomo danés Tycho Brahe desarrolló las leyes de la rotación de los planetas de Kepler.

Galileo, Edmund Halley, William Herschel y James Jeans fueron otros astrónomos que hicieron importantes contribuciones a la astronomía.

Físicos y matemáticos también ayudaron al desarrollo de la astronomía. En 1654, el físico alemán Otto von Guericke demostró que el vacío podía mantenerse, refutando la antigua teoría de que la naturaleza "aborrecía" el vacío.

Más tarde, en el siglo XVII, Newton formuló las leyes de la gravitación universal y del movimiento. Las leyes de Newton sobre el movimiento establecieron los principios básicos que regulan la propulsión y el movimiento orbital de las modernas naves espaciales.

En el siglo XX, el gran cambio se produce con la exposición de Albert Einstein de su Teoría de la Relatividad. Puesto que el tiempo va más lento a una velocidad cercana a la de la luz, la relatividad especial nos proporciona un medio para alcanzar las estrellas.

Sin embargo, los viajes espaciales sólo fueron posibles cuando se desarrollaron los actuales medios de propulsión de naves espaciales con cohetes dirigidos.

Propulsión por cohetes

Las técnicas de propulsión por cohetes se desarrollaron hace mucho tiempo. 

Antiguamente se usaba pólvora como combustible, de un modo muy parecido a los fuegos artificiales. Se tienen noticias de que en 1232, en China, la ciudad de Kaifeng se defendió de los ataques de los mongoles con la ayuda de cohetes.

Desde el renacimiento hay numerosas referencias al uso de cohetes, unas veces real y otras sólo en proyectos, en las batallas que se libraron en Europa.

Ya en el año 1804 el ejército británico creó un cuerpo equipado con cohetes que podían alcanzar una distancia de unos 1.830 metros.

En Estados Unidos, un profesor de física de la Universidad de Clark, Robert Goddard, fue el pionero en la propulsión por cohetes. Comenzó experimentando con combustibles líquidos para cohetes en la década de 1920, y realizó su primer lanzamiento con éxito el 16 de marzo de 1926.

Durante esa época ya se investigaba en varias partes del mundo sobre cohetes y naves espaciales. Alrededor del año 1890, Herman Ganswindt, un estudiante de derecho de nacionalidad alemana, concibió una nave espacial propulsada con combustible sólido, que demostraba sus avanzados conocimientos sobre el problema de la estabilidad. Konstantin Eduardovich Tsiolkovski, un maestro de escuela ruso, publicó en 1903 "Un Cohete al espacio cósmico", en donde proponía el uso de combustibles líquidos para las naves espaciales.

En 1923, un matemático y físico alemán llamado Herman Oberth, publicó "Los cohetes en el espacio interplanetario". Este libro tuvo su continuación "La posibilidad de llegar a los cuerpos celestes", publicado en 1925 por el arquitecto alemán Walter Hohmann, que contenía los primeros cálculos detallados de las órbitas interplanetarias.

La Segunda Guerra Mundial influyó en el desarrollo de cohetes suborbitales de largo alcance. Estados Unidos, la URSS, Gran Bretaña y Alemania desarrollaron simultáneamente cohetes para usos militares. Los alemanes fueron los que tuvieron más éxito y desarrollaron el V-2 (un cohete de combustible líquido con el que bombardearon Londres) en Peenemünde, un pueblo cerca de la costa báltica.

Al acabar la guerra, Estados Unidos conservó algunos V-2 que emplearon para la investigación de los vuelos verticales. Algunos ingenieros alemanes se trasladaron a la URSS al terminar la guerra, pero los expertos en cohetes acabaron en Estados Unidos, estando entre ellos Walter Dornberger y Wernher von Braun.

1922. EINSTEIN Premio Nobel de Física

1922. Albert Einstein es reconocido internacionalmente con el Premio Nobel de Física. La teoría de la relatividad comienza a ser aceptada.

En la primavera de 1905, luego de estudiar por diez años la naturaleza de la materia y la radiación, y cómo interactuaban en algún tipo de modelo unificado del mundo, Einstein comprendió que la raíz del problema yacía no en una teoría de la materia, sino en una teoría de la medición. Fue capaz de proponer una descripción correcta y consistente de los eventos físicos sin recurrir a presunciones especiales sobre la naturaleza de la materia o la radiación, pero nadie comprendió el argumento de Einstein.

En los fundamentos de la teoría general de la relatividad, Einstein dio razones sobre las previamente inexplicables variaciones en el movimiento orbital de los planetas, y predijo la curvatura de la luz estelar en las cercanías de un cuerpo masivo, tal como el sol. La confirmación de este fenómeno durante un eclipse solar en 1919 se transformó en un evento muy publicitado, y la fama de Einstein recorrió el mundo.

A partir de 1919, Einstein tuvo renombre internacional. Recogió honores y premios incluyendo el Nobel de Física en 1922, de parte de varias sociedades científicas del mundo.

Pero fue por el efecto fotoeléctrico (efectos de la luz sobre campos eléctricos) y no -al menos nominalmente- por ser el creador de la teoría de la relatividad por lo que se le concedió el Premio Nobel en 1922.

El testamento del sueco Alfred Nobel estipulaba que los premios debían ser concedidos a aquellos descubrimientos que reportasen algún beneficio a la Humanidad. Surgieron dudas acerca de si una teoría pura cumplía este requisito, y en la citación para el premio se acordó escribir : "En reconocimiento a sus contribuciones a la física matemática y en especial a su descubrimiento de la ley del efecto fotoeléctrico".

Sin embargo, la teoría de la Relatividad, tomando las teorías especial y general conjuntamente, continua siendo considerada como el pilar fundamental de la contribución de Einstein a la Física.

Albert Einstein

A partir de la simple observación y constatación de hechos cotidianos como el movimiento de los cuerpos y la velocidad, Albert Einstein planteó su Teoría de la Relatividad, elaborando una revolución en la física, y una revisión fundamental de nuestro concepto del mundo.

Albert Einstein nació en Ulm el 14 de marzo de 1879 y pasó su juventud en Munich, donde su familia poseía un pequeño taller de máquinas eléctricas. Ya desde muy joven mostraba una curiosidad excepcional por la naturaleza y una capacidad notable para entender los conceptos matemáticos más complejos. A los doce años ya conocía la geometría de Euclides.
A la edad de 15 años, cuando su familia se trasladó a Milán, Italia, a causa de sucesivos fracasos en los negocios, Einstein abandonó la escuela. Pasó un año con sus padres en Milán y viajó a Suiza, donde terminó los estudios secundarios, e ingresó en el Instituto Politécnico Nacional de Zurich.
Einstein se había sentido fascinado por la obra de Bernstein "El libro Popular de Ciencia natural" que describía en su primera página la increíble velocidad de la electricidad a través de los hilos y de la luz a través del espacio. Él se preguntó que aspecto tendría el mundo si uno pudiese desplazarse sobre una onda de luz. Si uno se desplazaba sobre una onda de luz, era imposible saber que estaba sobre ella: si uno partía sobre la cresta de una onda, permanecería sobre la cresta y perdería toda noción de que aquello era una onda. Cuanto más pensaba Einstein sobre estos temas más inquietantes se hacían.

Durante dos años Einstein trabajó dando clases particulares y de profesor suplente. En 1902 consiguió un trabajo estable como examinador en la Oficina Suiza de Patentes en Berna.
En 1905 se doctoró por la Universidad de Zurich, con una tesis sobre las dimensiones de las moléculas; también publicó tres artículos teóricos de gran valor para el desarrollo de la física del siglo XX. En el primero de ellos, sobre el movimiento browniano, formuló predicciones importantes sobre el movimiento aleatorio de las partículas dentro de un fluido, predicciones que fueron comprobadas en experimentos posteriores. El segundo artículo, sobre el efecto fotoeléctrico, anticipaba una teoría revolucionaria sobre la naturaleza de la luz. Según Einstein, bajo ciertas circunstancias la luz se comportaba como una partícula. También afirmó que la energía que llevaba toda partícula de luz, denominada fotón, era proporcional a la frecuencia de la radiación. Lo representaba con la fórmula E = h, donde E es la energía de la radiación, h una constante universal llamada constante de Planck y es la frecuencia de la radiación. Esta teoría, que planteaba que la energía de los rayos luminosos se transfería en unidades individuales llamadas cuantos, contradecía las teorías anteriores que consideraban que la luz era la manifestación de un proceso continuo. Las tesis de Einstein apenas fueron aceptadas.

Einstein, interesado por comprender la naturaleza de la radiación electromagnética, propugnó el desarrollo de una teoría que fusionara las ondas y partículas de la luz. De nuevo fueron muy pocos los científicos que comprendieron y aceptaron estas ideas.

Teoría especial de la relatividad de Einstein
La tercera publicación de Einstein en 1905, "Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento", formulaba lo que después llegó a conocerse como la teoría especial de la relatividad (o teoría restringida de la relatividad).
Desde los tiempos del matemático y físico inglés Isaac Newton, físicos y químicos habían intentado comprender la naturaleza de la materia y la radiación, y su interacción en algunos modelos unificados del mundo. Existían esencialmente dos hipótesis al respecto:
1)    La hipótesis que sostenía que las leyes mecánicas eran las fundamentales (visión mecánica del mundo)
2)     La hipótesis que afirmaba que eran las leyes eléctricas las fundamentales (visión electromagnética del mundo)