'La física misma desaparece': cómo el físico teórico Thomas Hertog ayudó a Stephen Hawking a producir su última y más radical teoría del todo

Thomas Hertog nos cuenta cómo colaboró con Stephen Hawking en su teorema final: una revolución darwiniana en la física que explica el origen del tiempo.

En 2002, Thomas Hertog, entonces estudiante de posgrado en física teórica, entró en la oficina de Stephen Hawking en la Universidad de Cambridge y vio los ojos de su supervisor llenos de emoción.

La noticia de Hawking también fue una confesión. El famoso físico le dijo a su alumno que su libro, "Una breve historia del tiempo", estaba equivocado porque predijo un universo estéril inadecuado para la vida, y quería que Hertog lo ayudara a encontrar una nueva teoría.

Entonces, en los últimos 16 años de la vida de Hawking, el dúo, junto con su colaborador James Hartle, desarrollaron una nueva explicación de cómo surgió nuestro universo.

Live Science se sentó con Hertog, ahora profesor en KU Leuven en Bélgica, para hablar sobre su nuevo libro "Sobre el origen del tiempo" (Penguin Random House, 2024), su colaboración de décadas con Hawking y la alucinante visión darwiniana de los orígenes del universo que finalmente produjo su trabajo.

Ben Turner: Cuando conociste a Stephen Hawking, estaba empezando a pensar que la imagen de los orígenes del universo que había presentado previamente en "Una breve historia del tiempo" era defectuosa y quería buscar una nueva teoría. Para los lectores que quizás no lo sepan, ¿cuál es la concepción estándar de cómo comenzó nuestro universo?

Thomas Hertog: Ciertamente, lo estándar es que ha habido una especie de Big Bang: un comienzo violento y extremadamente extraño. Lo que ha sido un desafío es describir qué sucedió exactamente en el Big Bang.

¿Cuál es la novedad de la contribución de Hawking en "Una breve historia del tiempo"? ¿Cuál fue la idea clave que invocó? Se le ocurrió un modelo matemático del comienzo real en su famosa "propuesta sin límites", en la que el Big Bang es un origen verdadero.

Lamentablemente, el modelo de Hawking no produjo un universo habitable. Era, en cambio, un universo vacío: sin estrellas, sin galaxias y sin vida. Entonces, como usted dice, a finales de los años 90, Hawking se dio cuenta de que había un problema con su modelo.

BT: Una respuesta popular sobre cómo pudo haberse formado nuestro universo habitable es que el Big Bang condujo a una inflación cósmica eterna con diferentes focos de espacio-tiempo en expansión (un multiverso) y que nuestro universo resulta ser uno de los focos. donde las leyes de la física se equilibraban de la manera correcta para producir vida. ¿Por qué esta idea no le convenía a Hawking?

TH: Estos modelos de multiverso no son falsificables, ni siquiera en principio. Eso no se debe a que no podamos mirar el universo primitivo y comprobarlo; es porque los modelos de multiverso no hacen predicciones inequívocas de lo que deberíamos ver en este universo.

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BT: Entonces, ¿cómo se conocieron usted y Hawking y comenzaron a colaborar? Lo conociste cuando eras estudiante de maestría. ¿Como fue eso? En ese momento ya era una leyenda.

TH: Sí, ya era bastante famoso. Lo conocí porque, bueno, crecí en Bélgica y no existía ninguna cosmología en Bélgica a finales de los años 90. Stephen y sus colegas, Martin Rees y esa gente, habían establecido una especie de meca de la cosmología en Cambridge. Entonces tuve un profesor que me dijo: "Mira, si te gusta la cosmología, ve a Cambridge".

En Cambridge, era muy sabido que quien obtuviera el primer puesto en la clase de maestría recibiría una invitación para ir a hablar con Stephen, y eso es lo que me pasó [a mí]. Entonces me aceptó como su estudiante de doctorado.

Pero, por supuesto, la verdadera colaboración comenzó más tarde, cuando nos encontramos en la misma onda científica e interesados en los problemas más profundos relacionados con el Big Bang. Simplemente sucedió: os encontráis en la misma longitud de onda, interesados en los mismos problemas, quizás compartiendo algún tipo de intuición. Como físicos teóricos, siempre están realizando experimentos mentales entre sí y, después de un tiempo, desarrollan un entendimiento común.

BT: Las teorías pasadas sobre el Big Bang han enmarcado el universo como si lo miraran desde una perspectiva "objetiva" y divina. La teoría en la que usted y Hawking comenzaron a trabajar cambió esa perspectiva a una más parecida a la nuestra: un observador en algún lugar del universo. Eso te hizo tomar la mecánica cuántica, así como la teoría de cuerdas, como punto de partida. ¿Qué te enseñó comenzar de esta manera?

TH: Cuando examinas el universo con el ojo de Dios, buscas una explicación previa de por qué todo el cosmos debería estar haciendo lo que está haciendo: alguna verdad matemática platónica que se cierne sobre el mundo. el universo entero.

Pero cuando tomas lo que llamas una perspectiva más humana, la perspectiva de un observador dentro del universo, es muy diferente. Adoptarás una perspectiva más histórica. No estás preguntando: "¿Por qué el universo debería ser así?" sino "¿Cómo surgió todo?"

Si se utiliza la mecánica cuántica para reconstruir esa historia desde el Big Bang, esa perspectiva histórica comienza a desarrollarse al nivel de las propias leyes de la física. Y eso es, por supuesto, una sorpresa. Pensábamos que las leyes de la física eran fijas e inmutables, pero si retrocedes en el tiempo, empiezan a simplificarse. En cierto sentido, comienzan a evaporarse, incluso la estructura.

Esa estructura, codificada en las leyes de la física, comienza a desaparecer hasta que finalmente (y este es el quid de nuestra hipótesis) incluso la distinción entre tiempo y espacio se desdibuja. Las leyes de la evolución de nuestro universo, las leyes estándar de la física, se cierran solas; dejan de serlo. La física misma desaparece.

Es un giro darwiniano. En biología, retrocedemos a lo largo del árbol de la vida hasta el origen de la vida, y las leyes de la biología también desaparecen. Esto se debe a que esas leyes son propiedades emergentes de la evolución biológica. Afirmamos que las leyes de la física son también propiedades emergentes de una evolución mucho anterior.

BT: Eso le parecerá muy extraño a la gente. En biología, la presión selectiva desempeña el papel de estimular la evolución de las leyes biológicas. ¿Qué está causando que las leyes físicas evolucionen?

TH: El acto de observación en la mecánica cuántica. Me preguntarás: "Pero espera un momento, ¿quién está observando?". Porque claramente, en el universo primitivo no había ningún observador humano. Pero todos sabemos que el acto de observación en la mecánica cuántica proviene del entorno mismo: son las interacciones entre las partículas y las fuerzas.

Incluso un solo fotón puede realizar un acto de observación en mecánica cuántica. Puede convertir una variedad de historias posibles en una realidad tangible y concreta.

BT: Según su teoría, cuando retrocedemos en el tiempo hasta el Big Bang, las leyes físicas se pliegan sobre sí mismas y el tiempo mismo pierde su identidad, lo que le da un punto de origen. A Einstein le disgustaba especialmente esta idea. ¿Por qué se opuso?

TH: Cuando Einstein y sus contemporáneos estaban ejecutando la evolución del universo hacia atrás en el tiempo, lo hacían utilizando la propia teoría de Einstein de una manera clásica y determinista. Se toparon con lo que llaman la singularidad [donde las ecuaciones que describen el universo colapsaron]. El origen del tiempo, el Big Bang, parecía no formar parte de la ciencia.

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Cuando Stephen y yo hicimos la evolución del universo al revés, lo hicimos de forma mecánica cuántica. Esto concuerda con Einstein hasta que llegamos a las primeras etapas donde nuestra imagen es muy, muy diferente. Las leyes de la física nunca realmente fallan [en la fotografía de Hertog, Hartle y Hawking]; simplemente desaparecen gradualmente. Creo que Einstein estaría de acuerdo con eso.

BT: La clave de su idea de que el tiempo tiene un origen es que es una propiedad emergente de las interacciones de muchas partículas cuánticas en el borde del universo observable. El universo es como un disco que se expande hacia afuera y en el borde de ese disco hay qubits, partículas que contienen toda la información del universo. El juego de estas partículas transmite tiempo a nuestro universo desde ese borde más lejano, como un holograma cósmico. ¿Puedes explicar un poco más el principio holográfico?

TH: Entonces, la forma en que leemos el pasado del universo es desde una perspectiva holográfica. La pantalla holográfica es una representación abstracta de nuestra realidad y, a medida que nos alejamos más y más de esa pantalla, corresponde a retroceder en el tiempo. La imagen se vuelve más gruesa, se pierde información, se pierden píxeles y el Big Bang es el límite en el que te quedas sin información. El comienzo del mundo es en realidad un horizonte epistémico donde la ciencia (desde la perspectiva holográfica) simplemente no llega más atrás.

Y, por supuesto, eso encaja muy bien con la historia que les conté antes: que las leyes de la física, junto con el tiempo y el espacio, desaparecen cuando llegamos al Big Bang, el origen de la física. La implementación holográfica de nuestra visión hizo que encajaran.

Así es como funciona la física teórica. En retrospectiva, se empieza con mucha intuición y se moldea en un marco matemático que es consistente y que, en última instancia, permite predecir nuevos fenómenos. Hacia allí se dirige la investigación actual: ¿cómo podemos probar este modelo? ¿Cómo podemos encontrar fósiles de esta evolución tan temprana?

BT: Esa es en realidad mi siguiente pregunta.

TH: [Risas] Tenía miedo.

BT: Entonces, ¿dónde podemos buscar? Antes del fondo cósmico de microondas (CMB), el universo era completamente opaco. ¿Cómo miramos más allá de esa pelusa del microondas?

TH: El fondo cósmico de microondas te da una imagen del universo 380.000 años después del Big Bang, cuando se volvió transparente. Pero esta fase inicial de evolución de la que hablo ocurre mucho antes, por lo que hay que mirar a través [del CMB]. Y no se puede hacer esto con ondas luminosas y electromagnéticas.

Pero las ondas gravitacionales lo atraviesan todo, por lo que podemos esperar mirar más atrás. En principio, no hay límite: puedes mirar hasta el Big Bang y desbloquear esta capa más profunda de evolución.

BT: Digamos que somos capaces de hacerlo. ¿Qué podríamos ver?

TH: Hemos formulado una hipótesis. ¿Cómo? Bueno, la forma en que imagino esta etapa inicial es un poco como un árbol de leyes físicas que se ramifica y se diversifica. Cada una de estas ramificaciones es en realidad el nacimiento de un nuevo tipo de fuerza: una fuerza se divide en dos con nuevas partículas y más estructura. Algunas de estas ramas son bastante violentas, vienen con ráfagas de ondas gravitacionales que no están localizadas en un solo lugar y aparecen como radiación de fondo, muy parecida al fondo cósmico de microondas.

Es el universo entero en transición a un nuevo estado cuando se enfría y se expande, y va acompañado de un fuerte estallido de inflación.

BT: Su teoría describe leyes físicas que evolucionaban rápidamente cuando el universo era denso y caliente, y había muchas interacciones u "observaciones" entre partículas. Pero si estas leyes todavía tienen la capacidad de evolucionar, ¿tiene eso alguna implicación sobre cómo termina el universo?

TH: La respuesta corta es, por supuesto, que no lo sé. Pero si me desafían un poco, puedo decir algo muy especulativo: si las leyes de la física no fueron determinadas, fijas e inmutables en el pasado, es natural esperar que no sean eternas. Entonces, aunque esa evolución está suprimida ahora (porque el universo es frío), no está suprimida infinitamente. No se ha ido.

BT: Hemos hablado mucho sobre la intuición en física. El que compartió con Hawking impulsó esta colaboración y le permitió terminar su teoría, incluso cuando Hawking perdió lentamente su capacidad de usar su voz artificial. ¿Cómo hiciste eso?

TH: Es un poco como estar casado, ¿verdad? O, en realidad, cualquier relación a largo plazo: pueden adivinar los pensamientos del otro. Al final, eso también nos pasó a nosotros. Desarrollamos una intimidad en lo que respecta a la cosmología y sus problemas fundamentales. En las etapas posteriores, desarrollamos una capa de comunicación no verbal en la que podía dispararle preguntas de sí o no a Stephen y leer sus expresiones faciales.

Esto se desarrolló de una manera bastante espontánea, pero sólo fue posible porque, a finales de los 90 y principios de los 2000, tuvimos algunos años muy buenos en los que Stephen podía hablar con bastante fluidez a través de su sintetizador de voz. Realmente me arrastró a su pensamiento sobre estas paradojas asociadas con el multiverso.

BT: ¿Crees que su capacidad para salir de los problemas e intuirlos es lo que le convirtió en un físico tan bueno?

TH: La intuición de Stephen se basó en 15 años de hacer muchos cálculos. No le vino del cielo. Tuvo sus raíces en las primeras etapas de su carrera.

Por supuesto, hay algo genial que sucedió a principios de los años 80, cuando perdió la capacidad de escribir ecuaciones. Tenía la capacidad y la terquedad de volver a capacitarse para realizar física teórica de una manera única. Se basaba más en la intuición, más alejado de las ecuaciones que otros y con la capacidad de visualizar formas y geometrías en su cabeza. Su verdadera gloria reside en que, con este nuevo lenguaje, pudo llegar a ciertos descubrimientos que eran muy difíciles de reproducir con ecuaciones.

Nota del editor: esta entrevista ha sido condensada y editada para mayor claridad.