Este artículo es una conferencia pronunciada por Hawking en la Universidad de Cambridge en enero de 1991.
Este discurso, desde las predicciones de los antiguos magos hasta las profecías religiosas modernas y luego la discusión sobre el futuro del universo, discutió principalmente los dos destinos del futuro del universo: uno es continuar expandirse para colapsar en un punto. Que se expanda o se contraiga depende de la densidad media del universo. Utilizar teorías astrofísicas para hacer diagnósticos científicos sobre el futuro del universo es la diferencia entre científicos y magos.
El tema de esta charla es el futuro del universo, o mejor dicho, cómo creen los científicos que será el futuro. Por supuesto, predecir el futuro es muy difícil. Una vez tuve la idea de escribir un libro titulado El mañana de ayer: una historia del futuro. Sería una historia de predicciones sobre el futuro, casi todas equivocadas. Pero a pesar de estos fracasos, los científicos todavía creen que pueden predecir el futuro.
En tiempos muy antiguos, era deber de los profetas o las brujas predecir el futuro. Por lo general, se trataba de mujeres que habían quedado estupefactas por el veneno o los gases que escapaban de las chimeneas volcánicas. Los sacerdotes que los rodeaban traducían sus hechizos. Y la verdadera habilidad reside en la explicación. El famoso hechicero de Delfos en la antigua Grecia era conocido por su ambigüedad. Cuando estos espartanos preguntaron qué pasaría cuando los persas atacaran Grecia, el hechicero respondió: O Esparta sería destruida o su rey sería asesinado. Creo que los sacerdotes pensaron que si nada de esto ocurría, Esparta estaría tan agradecida a Apolo que ignoraría el hecho de que sus hechiceros habían hecho predicciones falsas. De hecho, el rey murió en una operación para salvar a Esparta y, en última instancia, derrotar a los persas mientras defendía el paso de Temo Pila.
En otro incidente, el rey Crosio de Lidia, el hombre más rico del mundo, preguntó una vez qué pasaría si invadiera Persia. La respuesta es: un gran reino colapsará. Crosio pensó que esto era una referencia al Imperio Persa, pero no sabía que era su propio reino el que estaba a punto de caer, y su propio fin era ser quemado vivo en una pira.
Para evitar vergüenza, los profetas apocalípticos modernos no fijan una fecha para el fin del mundo. Estas son las fechas que hacen caer el mercado de valores. Aunque me hace preguntarme por qué el fin del mundo haría que la gente estuviera dispuesta a intercambiar acciones por dinero, suponiendo que no puedas llevarte nada al fin del mundo.
Hasta el momento, todas las fechas marcadas para el fin del mundo han pasado sin dejar rastro. Pero estos profetas a menudo encuentran excusas para sus aparentes fracasos. Por ejemplo, William Miller, el fundador del Retorno del Séptimo Día, predijo que la segunda venida de Jesús ocurriría entre el 21 de marzo de 1843 y el 21 de marzo de 1844. Al no ocurrir este evento, se revisó la fecha al 22 de octubre de 1844. Cuando esta fecha transcurrió sin incidentes, se propuso una nueva explicación. Se dice que 1844 fue el inicio del segundo regreso, pero primero hubo que contar la lista de personas rescatadas. Sólo después de que se haya contado la lista llegará el Día del Juicio para aquellos que no están en la lista. Afortunadamente, contar nombres parece llevar mucho tiempo.
Por supuesto, las predicciones científicas pueden no ser más confiables que las de magos o profetas. Sólo hay que pensar en las previsiones meteorológicas. Pero hay situaciones en las que creemos que podemos hacer predicciones fiables. El futuro del universo a escalas muy grandes es un ejemplo.
Durante los últimos 300 años hemos descubierto leyes científicas que gobiernan los objetos en todas las circunstancias normales. Todavía no conocemos las leyes precisas que gobiernan los objetos en condiciones extremas. Esas leyes son importantes para comprender cómo comenzó el universo, pero no afectan su evolución futura hasta que colapse en un estado más denso. El hecho de que tengamos que gastar tanto dinero en construir enormes aceleradores de partículas para probar estas leyes de alta energía es una señal del poco impacto que estas leyes tienen en el universo actual.
Incluso si conocemos las leyes relevantes que gobiernan el universo, todavía no podemos usarlas para predecir el futuro lejano. Esto se debe a que las soluciones de ecuaciones físicas exhiben una propiedad llamada caos. Esto sugiere que las ecuaciones pueden ser inestables: si se hacen cambios muy pequeños en el sistema en un momento dado, el comportamiento futuro del sistema pronto será completamente diferente. Por ejemplo, si cambiaras ligeramente la forma de girar la ruleta, cambiarías los números que salen, números que serías prácticamente imposible de predecir, de lo contrario los físicos estarían haciendo fortunas en los casinos.
En sistemas inestables o caóticos, generalmente hay una escala de tiempo en la que los pequeños cambios en el estado inicial se duplicarán. En el caso de la atmósfera terrestre, esta escala de tiempo es del orden de cinco días, que es aproximadamente el tiempo que tarda el aire en orbitar la Tierra. Las personas pueden hacer pronósticos meteorológicos bastante precisos en cinco días, pero hacer pronósticos meteorológicos para un período de tiempo mucho más largo requiere tanto un conocimiento preciso de las condiciones actuales de la atmósfera como un cálculo insuperablemente complejo. Aparte de dar promedios trimestrales, no tenemos forma de hacer pronósticos meteorológicos específicos dentro de seis meses.
También conocemos las leyes básicas que rigen la química y la biología, por lo que, en principio, deberíamos ser capaces de determinar cómo funciona el cerebro. Pero es casi seguro que las ecuaciones que gobiernan el cerebro tienen un comportamiento caótico, con cambios muy pequeños en el estado inicial que conducen a resultados muy diferentes. Por tanto, aunque conocemos las ecuaciones que gobiernan el comportamiento humano, en realidad no podemos predecirlo. La ciencia no puede predecir el futuro de la sociedad humana ni siquiera si tendrá futuro. El peligro es que nuestra capacidad para destruir o aniquilar el medio ambiente crezca mucho más rápido que la inteligencia para explotarlo.
Al resto del universo no le importa en absoluto nada de lo que sucede en la Tierra. Los movimientos de los planetas que orbitan alrededor del Sol parecen volverse caóticos con el tiempo, a pesar de sus largas escalas de tiempo. Esto sugiere que a medida que pasa el tiempo, el error en cualquier predicción será cada vez mayor. Después de un tiempo, resulta imposible predecir los detalles del movimiento. Podemos estar bastante seguros de que la Tierra no chocará con Venus hasta dentro de mucho tiempo. Pero no estamos seguros de si pequeñas perturbaciones en órbita se acumularán y provocarán tal colisión en más de mil millones de años. El movimiento del Sol y otras estrellas alrededor de la Vía Láctea, y el movimiento de la Vía Láctea alrededor de su cúmulo local de galaxias, también es caótico. Observamos que otras galaxias se alejan de nosotros, y cuanto más se alejan de nosotros, más rápido se alejan. Esto significa que el universo que nos rodea se está expandiendo: la distancia entre las diferentes galaxias aumenta con el tiempo.
El fondo de radiación de microondas que observamos desde el espacio exterior demuestra que esta expansión es suave y no caótica. De hecho, puedes observar esta radiación simplemente sintonizando tu televisor en un canal vacío. La pequeña porción de las manchas que ves en la pantalla son causadas por microondas provenientes de fuera del sistema solar. Este es el mismo tipo de radiación que se obtiene de un microondas, pero mucho más débil. Solo puede calentar alimentos a una temperatura absoluta de 2,7 grados, por lo que no puede usarse para calentar pizza para llevar. Se cree que esta radiación es un remanente del universo temprano y caliente. Pero lo más impresionante es que la cantidad de radiación procedente de cualquier dirección es casi idéntica. El satélite Cosmic Background Explorer ha medido esta radiación con gran precisión. Los mapas del cielo elaborados a partir de estas observaciones pueden mostrar las diferentes temperaturas de la radiación. Estas temperaturas difieren en diferentes direcciones, pero la diferencia es muy pequeña, sólo una parte entre cien mil. Debido a que el universo no es completamente liso y contiene irregularidades locales como estrellas, galaxias y cúmulos de galaxias, las microondas que provienen de diferentes direcciones deben ser algo diferentes. Sin embargo, los cambios en el fondo de microondas no pueden ser más pequeños para conciliar con las irregularidades locales que observamos. El fondo de microondas es igual a 99.999 partes en 100.000 en todas las direcciones.
En la antigüedad, la gente pensaba que la tierra era el centro del universo. El hecho de que el fondo sea el mismo en todas las direcciones no les sorprende. Sin embargo, desde la época de Copérnico, hemos sido relegados al estatus de un planeta que orbita una estrella muy ordinaria, una de los cien mil millones de galaxias que podemos ver orbitando los bordes exteriores de una galaxia típica. Somos tan humildes ahora que no podemos reclamar ningún lugar especial en el universo. Así que debemos suponer que el fondo es el mismo en cualquier dirección alrededor de cualquier otra galaxia. Esto sólo es posible si la densidad promedio y la tasa de expansión del universo son las mismas en todas partes. Cualquier cambio de área grande en la densidad promedio o la tasa de expansión hará que el fondo de microondas sea diferente en diferentes direcciones. Esto sugiere que el comportamiento del universo a escalas muy grandes es simple, no caótico. Por tanto podemos predecir el futuro lejano del universo.
Debido a que la expansión del universo es tan uniforme, se puede describir en términos de un solo número, la distancia entre dos galaxias. Ahora esta distancia está aumentando, pero se espera que la atracción gravitacional entre diferentes galaxias reduzca esta tasa de expansión. Si la densidad del universo es mayor que un cierto valor crítico, la atracción gravitacional eventualmente detendrá la expansión y hará que el universo comience a contraerse nuevamente. El universo colapsará en una gran contracción, que es bastante similar al Big Bang que inició el universo.
El Big Crunch es algo llamado singularidad, un estado de densidad infinita en el que las leyes de la física fallan. Esto sugiere que incluso si hubieran ocurrido acontecimientos después del Big Crunch, lo que iban a hacer era impredecible. Pero si no existe una conexión causal entre los acontecimientos, no hay forma razonable de decir que un acontecimiento ocurrió después de otro. Quizás se podría decir que nuestro universo terminó en el Big Crunch y que todo lo que sucedió "después" fue parte de un universo separado. Es un poco como la reencarnación. Si alguien afirma que un bebé recién nacido es idéntico a una persona fallecida, ¿qué sentido tiene tal afirmación si el bebé no hereda características ni recuerdos de su vida anterior? Se puede decir lo mismo, es un individuo completamente diferente.
Si la densidad del universo es menor que este valor crítico. No colapsará sino que seguirá expandiéndose para siempre. Su densidad será tan baja después de un tiempo que la atracción gravitacional no tendrá ningún efecto significativo para frenar la expansión. Las galaxias seguirán alejándose unas de otras a velocidad constante.
De este modo, la pregunta clave para el futuro del universo es: ¿Cuál es la densidad media? Si es menor que el valor crítico, el universo se expandirá para siempre. Pero si fuera mayor que el valor crítico, el universo colapsaría y el tiempo mismo terminaría en el Big Crunch. Sin embargo, tengo una ventaja sobre otros agoreros. Incluso si el universo está a punto de colapsar, puedo predecir con confianza que no dejará de expandirse hasta dentro de al menos 10 mil millones de años. Esperaba que entonces se demostrara que estaba equivocado al no permanecer en la tierra.
Podemos estimar la densidad media del universo a partir de observaciones. Si contamos las estrellas visibles y sumamos sus masas, obtenemos menos del uno por ciento del valor crítico. Incluso si sumamos la masa de las nubes de gas observadas en el universo, el total solo suma el uno por ciento del valor crítico. Sin embargo, sabemos que el universo también debería contener la llamada materia oscura, que es algo que no podemos observar directamente. Una evidencia de la materia oscura proviene de las galaxias espirales. Hay enormes agregados de estrellas y gas en forma de panqueque. Los observamos girando alrededor de su centro. Pero si contuvieran sólo las estrellas y el gas que observamos, la velocidad de rotación sería lo suficientemente alta como para desecharlos. Debe haber alguna forma invisible de materia cuya atracción gravitatoria sea lo suficientemente fuerte como para mantener bajo control a estas galaxias en rotación.
Otra evidencia de la existencia de materia oscura proviene de los cúmulos de galaxias. Observamos que las galaxias están distribuidas de manera desigual en todo el espacio, agrupadas en grupos que van desde unas pocas galaxias hasta cientos de galaxias. Se supone que estas galaxias se atraen entre sí formando un grupo para formar estos cúmulos de galaxias. Sin embargo, podemos medir la velocidad de las galaxias individuales en estos cúmulos. Descubrimos que las velocidades eran tan altas que si la atracción gravitacional no hubiera mantenido unidas a las galaxias, los cúmulos se habrían separado. La masa requerida es mucho mayor que la masa total de todas las galaxias. Esto se estima en el caso en el que pensamos que las galaxias ya tienen la masa necesaria para mantenerse unidas mientras giran. Por tanto, debe haber materia oscura adicional más allá de las galaxias que observamos en el cúmulo.
Se puede hacer una estimación bastante fiable de la cantidad de materia oscura en aquellas galaxias y cúmulos de galaxias de los que tenemos evidencia definitiva. Pero esta estimación todavía sólo alcanza alrededor del 10 por ciento de la masa crítica necesaria para volver a colapsar el universo. De esta manera, si nos basamos únicamente en evidencia observacional, podemos predecir que el universo seguirá expandiéndose indefinidamente. En unos 5 mil millones de años más, el sol se quedará sin combustible nuclear. Se hinchará hasta convertirse en la llamada gigante roja hasta engullir la Tierra y otros planetas más cercanos. Con el tiempo se estabilizará y se convertirá en una enana blanca de sólo unos pocos miles de kilómetros de diámetro. Estoy prediciendo el fin del mundo, pero aún no es. Esta predicción no es suficiente para deprimir el mercado de valores. Quedan una o dos preguntas más apremiantes por delante. En cualquier caso, suponiendo que no nos hayamos destruido cuando el sol explota, deberíamos haber dominado la tecnología de los viajes interestelares.
En unos 10 mil millones de años, la mayoría de las estrellas del universo habrán agotado su combustible. Las estrellas con aproximadamente la masa del Sol se convierten en enanas blancas o estrellas de neutrones, que son más pequeñas y compactas que las enanas blancas. Las estrellas con mayor masa se convierten en agujeros negros. Los agujeros negros son aún más pequeños y tienen campos gravitacionales tan fuertes que ni siquiera la luz puede escapar. Sin embargo, estos restos siguen orbitando el centro de la Vía Láctea cada mil millones de años. Las colisiones con estos restos provocarán que algunos sean expulsados de la galaxia.
El resto se estabilizará gradualmente en órbitas más cercanas al centro y eventualmente se fusionará para formar un agujero negro gigante en el centro de la galaxia. Cualquiera que sea la materia oscura que haya en una galaxia o en un cúmulo de galaxias, se puede esperar que también caiga en estos agujeros negros de gran tamaño.
Por tanto, se puede suponer que la mayoría de los objetos de las galaxias o cúmulos de galaxias acaban en agujeros negros. Sin embargo, hace algunos años descubrí que los agujeros negros no son tan negros como se los describe. El principio de incertidumbre de la mecánica cuántica establece que una partícula no puede tener una posición y una velocidad bien definidas al mismo tiempo. Cuanto más precisamente se define la posición de una partícula, con menos precisión se puede definir su velocidad, y viceversa. Si hay una partícula en un agujero negro, su posición en el agujero negro está bien definida, lo que significa que su velocidad no se puede definir con precisión. Por lo tanto, la velocidad de las partículas puede exceder la velocidad de la luz, lo que les permite escapar del agujero negro, y las partículas y la radiación se escapan del agujero negro muy lentamente. El enorme agujero negro en el centro de una galaxia puede tener millones de kilómetros de diámetro. De esta forma, la posición de las partículas en su interior tiene una gran incertidumbre. Por lo tanto, la incertidumbre en la velocidad de las partículas es muy pequeña, lo que significa que una partícula tarda mucho tiempo en escapar del agujero negro. Pero al final tiene que escapar. Un agujero negro masivo en el centro de una galaxia podría tardar 1.090 años en evaporarse y desaparecer por completo, un "1" seguido de 90 ceros. Esto es mucho más largo que la edad actual del universo, que es de 1010 años, que es un "1" seguido de 10 ceros. Si el universo se expandiera para siempre, todavía habría mucho tiempo para que los agujeros negros se evaporaran.
El futuro de un universo en constante expansión es bastante aburrido. Pero no es del todo seguro que el universo se expandirá para siempre. Sólo tenemos alrededor de una décima parte de la evidencia firme de la densidad necesaria para provocar el colapso del universo. Sin embargo, puede haber otros tipos de materia oscura, aún no detectados por nosotros, que llevarían la densidad promedio del universo a un valor crítico o más allá. Esta materia oscura adicional debe estar ubicada fuera de la galaxia o del cúmulo de galaxias. De lo contrario, deberíamos ser conscientes de su efecto sobre la rotación de las galaxias o el movimiento de las galaxias en cúmulos de galaxias.
¿Por qué deberíamos pensar que podría haber suficiente materia oscura como para provocar el colapso del universo? ¿Por qué no podemos simplemente confiar en sustancias de las que tenemos pruebas concluyentes? La razón es que incluso el universo ahora sólo tiene una décima parte de su densidad crítica. Ambos requieren una selección increíblemente cuidadosa de la densidad inicial y las tasas de expansión. Si el universo hubiera sido una billonésima de billón de veces más denso un segundo después del Big Bang, se habría colapsado una década después. Por otro lado, si la densidad del universo se hubiera reducido en la misma cantidad en ese momento, el universo habría estado esencialmente vacío después de unos diez años.
¿Por qué se eligió con tanto cuidado la densidad inicial del universo? Quizás haya alguna razón por la que el universo deba tener exactamente la densidad crítica. Parece haber dos explicaciones posibles. Uno es el llamado principio antrópico, que puede reformularse de la siguiente manera: el universo es como es porque de otro modo no estaríamos aquí para observarlo. La idea es que podría haber muchos universos diferentes con diferentes densidades. Sólo aquellos que están muy cerca de la densidad crítica sobreviven el tiempo suficiente y contienen suficiente material para formar estrellas y planetas. Sólo en esos universos los seres inteligentes se preguntan: ¿Por qué la densidad está tan cerca de la densidad crítica? Si esta es la explicación de la densidad actual del universo, no hay razón para creer que el universo contenga más materia de la que hemos detectado. Una décima parte de la densidad crítica es suficiente para la formación de galaxias y estrellas.
Sin embargo, a muchas personas no les gusta el principio antrópico porque parece depender demasiado de nuestra propia existencia. Esto deja a uno buscando otras posibles explicaciones de por qué la densidad debería estar tan cerca del valor crítico. Esta exploración condujo a la teoría de la inflación en el universo primitivo. La idea es que el tamaño del universo se duplicaba constantemente, del mismo modo que los precios se duplicaban cada pocos meses en los países que padecían una inflación extrema. Sin embargo, la inflación del universo fue mucho más rápida y extrema: un aumento de escala de al menos cien mil millones de billones de veces en una inflación minúscula habría acercado tanto al universo a la densidad crítica exacta que todavía está muy cerca de la densidad crítica. densidad crítica. Por tanto, si la teoría de la inflación es correcta, el universo debería contener suficiente materia oscura para llevar la densidad a un valor crítico. Esto significa que el universo podría eventualmente colapsar, pero no mucho más que los aproximadamente 15 mil millones de años que lleva expandiéndose hasta ahora.
Ahora el resumen es el siguiente: Los científicos creen que el universo se rige por leyes bien definidas, que en principio permiten a las personas predecir el futuro. Pero el movimiento dado por las leyes suele ser caótico.
Esto significa que pequeños cambios en el estado inicial pueden conducir a cambios rápidamente crecientes en el comportamiento posterior. De esta manera, las personas a menudo sólo pueden hacer predicciones precisas para un período de tiempo relativamente corto en el futuro. Sin embargo, el comportamiento del universo a gran escala parece simple, no caótico. Por lo tanto, la gente puede predecir si el universo continuará expandiéndose para siempre o si eventualmente colapsará. Esto depende de la densidad actual del universo. De hecho, la densidad ahora parece estar muy cerca de la densidad crítica que separa el colapso de la expansión infinita. Si la teoría inflacionaria es correcta, el universo está literalmente al filo de la navaja. Así que sigo la buena tradición de esos magos o videntes que hacen apuestas en ambos lados para asegurarse de que nada salga mal.