Resumen: La historia del tiempo

He hecho un resumen del libro "La historia del tiempo de Stephen Hawking.

1. RESUMEN: LA HISTORIA DEL TIEMPO

CAPÍTULO 1: Nuestra imagen del universo
¿Qué es el universo? ¿Cuál es su origen? ¿Y el tiempo? ¿Tendrá un inicio, y si es así,
qué pasaba antes de él? Estas y muchas más son preguntas que la humanidad se ha
planteado pero que nunca ha conseguido responder.
Ya desde los inicios de nuestra especie hemos creado varios modelos o teorías de
nuestra visión del universo. Aristóteles, Ptolomeo, Copérnico, Galileo, Kepler, Newton
y otros han creado varios modelos que, a pesar de sus diferencias, comparten el
hecho de que no consiguen explicar todos lo que ocurre. Con el paso del tiempo la
tecnología mejora y muchos modelos se quedan anticuados debido a que los nuevos
pueden explicar hechos que anteriores no. No obstante, en muchas ocasiones esos
modelos o teorías nuevas suelen cojear en aspectos que las antiguas sí habían
respondido. Por ello, en el siglo XX se ha intentado unificar la teoría de la relatividad
general y la mecánica cuántica en una sola teoría unificadora: la teoría cuántica de la
gravedad, que aunque aún no dispongamos de ella, ya se han logrado avances en
saber qué propiedades debe tener para que pueda resolver esos misterios mediante el
método científico.
CAPÍTULO 2: Espacio y tiempo
No ha cambiado únicamente nuestra visión del universo sino también la del espacio y
del tiempo. Gracias a las leyes de Newton, se pudo comprobar la inexistencia de un
reposo estándar absoluto, ya que cada cuerpo se ve afectado por la fuerza gravitatoria
de otros. Pero, ¿si no existe un espacio absoluto, existirá un tiempo absoluto
independiente del espacio?
Albert Einstein demostró con su teoría de la relatividad que la velocidad de la luz es la
mayor de todo el universo y siempre es la misma, mediante su famosa ecuación
E=mc
2
. Por lo que se acabó el tiempo absoluto, el único dato invariable es la velocidad
de la luz, el espacio y el tiempo dependen del observador. Debido a estos hechos,
actualmente se usa el tiempo para determinar las distancias (segundo-luz) en vez del
espacio ya que es más exacto. Además se demostró que el espacio-tiempo (con
cuatro coordenadas) es curvado y al viajar la luz, esta crea olas o conos más grandes
con el paso del tiempo. Esto significa que podemos conocer los sucesos cuando
estamos en su cono de luz, es decir, si el Sol se apagase, no observaríamos su efecto
de inmediato sino cuando su cono de luz nos alcanzase. Por ello, podemos afirmar
que vemos el universo tal y como fue en el pasado.
Sin embargo, aunque el espacio-tiempo y el universo sean curvos, la luz y los astros
se desplazan en líneas rectas llamadas geodésicas y estas se pueden ver desviadas
por los campos gravitatorios.
Por lo tanto, no existe ni espacio ni tiempo absoluto, ambos alteran, son alterados y se
conciben como uno solo, afirmando así la existencia de un universo dinámico en
expansión, con un inicio y posiblemente un final. Einstein denominó a esto la teoría de
la relatividad general.

2. CAPÍTULO 3: El universo en expansión
Al observar el cielo siempre nos hemos preguntado a qué distancia estarían todas
esas estrellas que brillan. Pues bien, el científico estadounidense Edwin Hubble,
mediante el estudio de microondas y el efecto Doppler, averiguó que el universo está
actualmente en expansión y que cuanto más lejos estén los astros a más velocidad se
moverán. La velocidad de movimiento es mayor que la gravedad por lo que los astros
no se verán atraídos por esta fuerza.
El matemático ruso Friedmann supuso en 1922 que el universo era igual en todas las
direcciones, hecho que confirmaron Penzias y Wilson en 1965 al descubrir que la
radiación registrada por las microondas era igual en todas las direcciones. Esto hizo
pensar si ocurría lo mismo en otras galaxias. Así, Friedmann creó tres tipos de
modelos que obedecen estas condiciones. El primero, si el universo estaba en
expansión y tuvo un inicio, en algún momento se contraerá y se producirá el big
crunch. El segundo, el universo tenía un inicio y de ahí se expande infinitamente cada
vez más rápido. Y el tercero, el universo tuvo un inicio y se va expandiendo lo justo
para que no se vea contraído por la fuerza gravitatoria. Son tipos distintos pero todos
tienen en común un inicio, el big bang. Esto puede llevar a la conclusión que el big
bang fue producido por intervención divina, en su contra apareció la teoría del estado
estacionario para excluirlo, pero los experimentos de Penzias y Wilson la negaron.
El científico Roger Penrose demostró que según la teoría de la relatividad general, si la
fuerza gravitatoria de una estrella es tan elevada haría que colapsase, creándose así
una singularidad. A esto, Stephen Hawking añadió que si invirtiésemos el tiempo, todo
provendría de una singularidad, por lo que podemos afirmar que nuestro universo
dinámico tiene su origen en el big bang. Es cierto que la teoría de la relatividad general
no puede explicar las singularidades pero eso no la hace errónea sino incompleta. Por
ello se intentará unificar con la mecánica cuántica para poder explicar así estos
procesos.
CAPÍTULO 4: El principio de incertidumbre:
El científico francés marqués de Laplace argumentó a principios del siglo XIX que el
universo era determinista porque si mediante un conjunto de leyes se puede calcular
cómo es el universo en el presente, se podrá predecir cómo será en un futuro. Añadió
que estas leyes también rigen el comportamiento humano.
En el 1900, un científico alemán llamado Max Planck, explicó la emisión de radiación
de los cuerpos calientes mediante los “cuantos”, aunque no se supo muy bien la
relación de esto con el determinismo hasta que Werner Heisenberg formuló el principio
de incertidumbre el cual afirmaba que no era posible decir con exactitud la posición y
velocidad de una partícula. Finalmente en 1920 Heisenberg junto a otros científicos
formularon la teoría de la mecánica cuántica, en la que las partículas no tienen
posiciones ni velocidades sino un estado cuántico, existiendo incluso una dualidad
entre ondas y partículas. Einstein nunca quiso aceptar que el universo estuviese
regido por el azar, pero no podemos negar que en ella se basa la ciencia y la
tecnología actual, excepto las ciencias físicas.

3. Gracias a la dualidad onda-partícula, se pudo conocer el denominado fenómeno de
interferencia que, junto al modelo atómico de Bohr, se averiguó un modelo más exacto
del átomo y de los movimientos de los electrones. Desgraciadamente, la teoría de la
relatividad general y la mecánica cuántica no se complementan del todo y será difícil
unificar todas esas características, pero al menos ya tenemos un punto de partida por
el que comenzar.
CAPÍTULO 5: Las partículas elementales y las fuerzas de la naturaleza
Siempre hemos querido saber de qué está compuesta la materia y sobre todo las
partículas indivisibles. Primero, Aristóteles con los cuatro elementos básicos. Después
el átomo con sus distintos modelos. Luego, los electrones, protones y neutrones y
cuando creíamos que habíamos encontrado las partículas elementales, aparecen los
quarks. Entonces, ¿habrá partículas más pequeñas que los quarks?
Es posible pero gracias a la mecánica cuántica, estamos cerca de averiguar aquello
que forma toda la materia. Gracias al principio de exclusión de Pauli sabemos que las
partículas no pueden estar en la misma posición y que si el universo no tuviese en
cuenta ese principio, no se podrían haber formado los átomos.
Las partículas tienen una propiedad llamada espín, que nos muestra cómo es la
partícula desde una determinada dirección. Paul Dirac en 1928 pudo explicar por qué
el electrón tenía espín ½ y las antipartículas. Cada partícula material emite una
partícula portadora de fuerza, las cuales no obedecen el principio de exclusión y no
pueden ser descubiertas, y que se agrupan en cuatro categorías según la intensidad
de su fuerza: gravitatorias, electromagnéticas, nucleares débiles y nucleares fuertes.
Al conseguir unificar las fuerzas electromagnéticas y las nucleares débiles, se intentó
unificar a su vez estas con la interacción nuclear fuerte en las teorías de gran
unificación (TGU), que aunque no sean del todo ciertas, nos hacemos la idea de la
teoría completa y unificada. También se intentó comprobar el decaimiento del protón o
el neutrón pero es muy difícil de observar, aunque puede ser que nuestra existencia
sea consecuencia del proceso inverso, creando una situación en la que sólo hubiese
quarks y antiquarks. Pero, ¿por qué no existe el mismo número de quarks que de
antiquarks? Si existiese el mismo número, todo se hubiese aniquilado. Además, las
leyes de la física debían poseer tres simetrías independientes CPT. Pero los científicos
Cronin y Fitch descubrieron en 1964 que en el universo primitivo no existe la simetría
T.
No obstante, las TGU no incluyen a la fuerza de la gravedad, y a tamaños grandes,
esta domina sobre las otras y determina la evolución del universo.

CAPÍTULO 6: Los agujeros negros
El término proviene del norteamericano Wheeler que se fijó en una idea del 1783 de
que una estrella pudiese atraer su propia luz. Si una estrella es lo suficientemente
grande con un gran campo gravitatorio, ¿colapsaría? El indio Chandrasekhar demostró
que ni el principio de exclusión detendría el colapso de la estrella hasta obtener una
densidad infinita. Pero lo que sucedía después era un misterio hasta que Oppenheimer
en los años sesenta lo descubrió: El campo gravitatorio de una estrella cambia la
dirección en el cono de los rayos de luz.

4. Si la estrella superase el radio crítico esta se contraería aumentando el campo
gravitatorio y la luz se inclinaría hacia dentro dificultando su salida. El campo consigue
tener una fuerza tan alta que la luz no puede escapar. Esto es lo que se denomina
agujero negro y, de acuerdo con la teoría de la relatividad general, si la luz no puede
escapar, nada lo conseguirá. El agujero negro también atraería la radiación creando
así un horizonte de sucesos por donde pasaría la luz pero ya no saldría.
Gracias a varias investigaciones, se ha llegado a la conclusión de que si cualquier
cuerpo en rotación colapsase, formaría un agujero negro con estado estacionario sin
aumentos ni disminuciones de su tamaño.
Pero, ¿cómo detectamos un agujero negro si este no emite luz?
Los astrónomos han observado sistemas en los que dos estrellas giran en órbita
atraídas por la gravedad, si sólo hay una estrella visible, ¿qué es el compañero
invisible? Podría ser una enana blanca, una estrella de neutrones o un agujero negro.
Gracias a las investigaciones de Chandrasekhar, podemos averiguar la masa de una
sabiendo la masa de la otra estrella. En este caso, la estrella visible es mucho más
pesada que el Sol, por lo que el compañero no puede ser una enana blanca ni una
estrella de protones, por lo podemos asegurar que es un agujero negro.
CAPÍTULO 7: Los agujeros negros no son tan negros
El horizonte de sucesos de un agujero negro está formado por los rayos de luz que no
consiguen escapar de él y se mueven por su frontera. Esto debe ser siempre así
porque si en algún momento chocasen, serían absorbidos por el agujero y el horizonte
de sucesos desaparecería. Como los rayos nunca pueden chocar, el área del
horizonte de sucesos no sólo no puede disminuir sino que debido a la materia que cae
en el agujero continuamente, el horizonte aumenta de tamaño.
Si tenemos en cuenta el segundo principio de la termodinámica, el horizonte de
sucesos debería estar relacionado con la entropía de la materia que cae en el agujero
y por lo tanto, al tener entropía debería crear y emitir partículas y radiación a un ritmo
concreto. Mediante unos cálculos matemáticos Stephen Hawking comprobó que esto
era cierto. Entonces, ¿cómo un agujero negro emite partículas si nada puede escapar
de él? Pues bien, según la mecánica cuántica las partículas provienen del “vacío”
fuera del horizonte de sucesos. Los pares de partículas-antipartículas virtuales, los
cuales una debe ser positiva y la otra negativa, se ven atraídos por el agujero negro. Si
la negativa cae en el agujero negro, se convertirá en una partícula o antipartícula real,
por lo que no es necesario que se junte con su pareja. Y en cuanto a la positiva,
también puede escaparse del agujero como una partícula o antipartícula real. Así para
un observador en la lejanía, parecerá que son emitidas por el agujero negro.
Por ese motivo, existes diferentes agujeros con masas y temperaturas distintas que
emiten más o menos ondas y radiación en forma de rayos X y gamma. Debido a esto,
existen algunos agujeros negros “blancos” incandescentes por la energía que emiten.
Sin embargo, aún no se ha podido observar las emisiones de rayos gamma de los
agujeros negros primitivos, los cuales ayudarían a saber qué pudo haber antes del big
bang.

5. CAPÍTULO 8: El origen y el destino del universo
Actualmente, entendemos el origen del universo a través de la “teoría del big bang
caliente”, siguiendo el modelo de Friedmann de que la historia del universo comenzó
con el big bang. Antes, el universo estaba comprimido con una densidad y temperatura
infinita hasta que en el momento de la explosión, el universo comenzó a expandirse
disminuyendo así su temperatura. Esto provocaría que las partículas elementales se
fueran combinando y formando así neutrones y protones, estos a su vez átomos y con
el paso de millones de años, las recombinaciones entre estos últimos producirían
reacciones nucleares y radiación.
Estas reacciones aumentarían la temperatura de un lugar en las que se sucederían
cada vez más reacciones que desprendiesen energía hasta formar estrellas y
diferentes astros. Como ya hemos hablado, estas estrellas consumirían pasado el
tiempo todo su combustible y colapsarían formando estrellas de neutrones y agujeros
negros. Así se formaría el universo que conocemos ahora pero aún se dejarían
abiertas cuestiones acerca de la uniformidad del universo, su expansión e
irregularidades: ¿Ha intervenido alguna figura divina en la creación del universo? ¿Y el
azar?
Existe un principio llamado antrópico que dice que el universo es así ya que si fuese
de otro modo no estaríamos aquí. Por otro lado, para resolver estas cuestiones se
pensó en una expansión del universo “inflacionaria” en que una constante cosmológica
efectiva regulase la radiación para que sea la misma en todas direcciones, que la
expansión del universo estuviese en el límite de la velocidad crítica y explicase las
propiedades de distintas regiones del universo, por qué hay tanta materia o el posible
caos en un universo primitivo. En un momento esa constante se eliminaría para que la
velocidad de expansión se ajustase a la actual y así mediante este modelo, poder
explicar las dudas que generaba el big bang caliente. El modelo no convencía del todo
debido a esa eliminación en un momento dado de la constante, pero un joven ruso
llamado Linde explicó esa constante como un campo de espín 0. Esto sumado al
principio antrópico daría una respuesta a esa “casualidad” del big bang en un universo
primitivo caótico. Sin embargo, ¿tenemos que explicar nuestro universo por un
principio que dejase de lado el orden y las leyes?
Como he dicho, aún no poseemos una teoría unificadora que resuelva todas estas
cuestiones pero sí sabemos que en ella debe estar presente un espacio-tiempo curvo
euclídeo, la suma de Feyman, y posiblemente un tiempo imaginario para el universo
primitivo caótico.
Hawking propuso la idea de un espacio-tiempo finito sin fronteras en el que las leyes
de la ciencia serían válidas junto con un tiempo imaginario en el cual el universo
comenzase con un big bang y acabase con un big crunch. Dios podría haber sido el
que produjese el big bang, pero en un universo sin fronteras, ni principio ni final. ¿Qué
papel jugaría Dios?

6. CAPÍTULO 9: La flecha del tiempo
Nuestra imagen del tiempo ha variado mucho este último siglo. Hemos llegado a la
conclusión de que en un universo sin fronteras hay un tiempo imaginario el cual
distingue pasado del futuro. Este tiempo está formado por tres flechas temporales:
termodinámica, psicológica y cosmológica. Según Hawking todas ellas deben apuntar
en la misma dirección para que se desarrollen seres inteligentes capaces de
preguntarse qué es el universo. Con el paso del tiempo aumenta la entropía, es decir,
el desorden. Entonces, si en el proceso de expansión aumenta el desorden,
¿disminuirá el desorden en el proceso de contracción y existirá un orden absoluto en
el big crunch? La respuesta que sugiere Hawking es no:
El desorden seguirá aumentando en la contracción y las flechas termodinámica y
psicológica del tiempo seguirán en la misma dirección. No puede ser al contrario
debido a que en nuestra vida, aunque sigue habiendo un aumento del desorden, en la
fase de contracción no se vería influenciada debido al desorden casi completo
existente. Entonces, las leyes no distinguen pasado del futuro, únicamente las flechas
del tiempo las cuales siguen una misma dirección.
CAPÍTULO 10: La unificación de la física
Como es muy difícil encontrar la gran teoría unificadora del universo, se ha optado por
la construcción de teorías parciales.
Es necesario para ello que se unifiquen primero la relatividad general con el principio
de incertidumbre, entonces se debe ajustar la intensidad de la gravedad y el valor de
la constante cosmológica. En principio se pensó en la llamada “supergravedad” pero
se abandonó y posteriormente se optó por la teoría de las cuerdas donde los objetos
básicos se sustituían por cuerdas que ocupan una “hoja del mundo”. Se desarrolló una
nueva versión capaz de explicar las partículas que observamos, se denominó cuerdas
“heteróticas” aunque estas son sólo consistentes en un espacio-tiempo de más de
diez dimensiones y esta teoría sigue planteando problemas en el espacio-tiempo por lo
que aunque está cerca de ser “la gran teoría” no lo ha conseguido.
En el siglo XX nos hemos dado cuenta de que cada vez estamos más cerca de
encontrar una teoría unificadora a pesar de encontrarnos cada vez con nuevas
incógnitas. Hawking piensa que posiblemente en el futuro ya sea inmediato o lejano
encontremos esa teoría, aunque eso no significaría poder predecir el futuro debido al
principio de incertidumbre. Eso sí, sería el primer paso para comprender nuestra
existencia.
CAPÍTULO 11: Conclusión
Como dije en el capítulo 1, nuestra visión del mundo y del universo ha ido cambiando
con el paso del tiempo. Cada vez hemos ido descubriendo nuevas teorías que
anticuaban a las anteriores y, a su vez, las nuevas planteaban nuevas incógnitas. La
búsqueda de la teoría unificadora del universo por parte de los científicos es una tarea
complicada, aunque según expertos cada vez están más cerca de alcanzarla:
Esta, como he dicho en los capítulos 8 y 10, debe tener en cuenta tanto la teoría de la
relatividad general como la mecánica cuántica y el principio de incertidumbre, el
espacio-tiempo finito sin fronteras y la teoría de las cuerdas. Además, no sólo no se
descarta la presencia de Dios sino que se piensa que posiblemente una figura divina
haya sido quien escogiese las leyes por las que se regiría el universo. Stephen
Hawking concluye el libro con la afirmación de que la finalidad de muchos

7. investigadores es averiguar el cómo existimos para responder por qué. Y que si se
lograse esto último, sería el triunfo de la raza humana.
No sé si es por el destino, la fortuna o la evolución que la raza humana es la única del
planeta capaz de reflexionar sobre su propia existencia pero, ¿esto hace que nuestra
misión como especie sea descubrir por qué? Seguramente la respuesta sea afirmativa
aunque no puedo dejar de pensar si encontrar esa respuesta es una pérdida de
tiempo. Esto no quiere decir que no se deba buscar sino que no sé si se puede
encontrar. Con nuevas teorías aparecen nuevas incógnitas y eso en mi parecer nos
lleva a un bucle sin fin. Es cierto que encontramos dificultades porque obtenemos cada
vez respuestas más exactas, pero estas solamente llevan al desorden e inexactitud. A
diferencia de Hawking opino que nunca encontraremos algo que nos explique ese
desorden.