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Stephen Hawking y Leonard Mlodinow Brevísima historia del tiempo

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    Stephen Hawkingy Leonard Mlodinow

    Brevsima historia del tiempo

    En 1998 apareci un libro que iba a cambiar de arriba abajo nuestra concepcin del universo y que se convirti en uno de

    los mayores bestsellers cientficos: Historia del tiempo, de Stephen Hawking, el mayor genio del sigloXX despus de Einstein.

    Pese a su xito colosal, aquel libro presentaba algunas dificultades de comprensin para el pblico menos familiarizado con los principios de la fsica terica.

    Diecisiete aos despus, el profesor Hawking escribi este libro maravilloso y sencillo que, potenciado por imgenes,

    pone al alcance del comn de los mortales los grandes misterios del mundo y de la vida.

    www.ed-critica.es

    Historia del tiempo. Del big bang a los agujeros negros

    El universo en una cscara de nuez

    Brevsima historia del tiempo (Junto con Leonard Mlodinow)

    A hombros de gigantes. Las grandes obras de la Fsica y la Astronoma.

    Dios cre los nmeros. Los descubrimientos matemticos que cambiaron la Historia

    La gran ilusin.Las grandes obras de Albert Einstein

    El gran diseo(Junto con Leonard Mlodinow)

    Los sueos de los que est hecha la materiaLos textos fundamentales de la fsica cuntica y cmo revolucionaron la ciencia

    Breve historia de mi vida

    10118728PVP 14,95

    Stephen Hawking

    Stephen Hawking (Oxford, 1942) ocupa actualmente la ctedra Lucasiana de Matemticas que en otro tiempo ostent Newton en la Universidad de Cambridge. Reconocido universalmente como uno de los ms grandes fsicos tericos del mundo, el profesor Hawking ha escrito, pese a sus enormes limitaciones fsicas, docenas de artculos que significan en conjunto una aportacin a la ciencia que an no somos capaces de evaluar adecuadamente. A sus primeras obras de divulgacin, Historia del tiempo. Del big bang a los agujeros negros (Crtica, 1988) y El universo en una cscara de nuez (Crtica, 2002), se le suma El gran diseo (Crtica, 2010) escrita con Leonard Mlodinow y las antologas A hombros de gigantes (Crtica 2003), la edicin ilustrada de esta ltima obra (Crtica, 2004), Dios cre los nmeros (Crtica, 2006), La gran ilusin (Crtica, 2008) y Los sueos de los que est hecha la materia (Crtica, 2011).Su autobiografa, Breve historia de mi vida, fue publicada por Crtica en 2014.

    Diseo de cubierta: juliafont.comDiseo de coleccin: Jaime FernndezIlustracin de la cubierta: @ The Book Laboratory

    Stephen Hawkingy Leonard Mlodinow

    Brevsima historia del tiempo

  • Brevsima historia del tiempo

    Stephen HawkingLeonard Mlodinow

    Traduccin castellana de David Jou

    BARCELONA

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  • Primera edicin: abril de 2005Primera edicin en esta nueva presentacin: enero de 2015

    Brevsima historia del tiempoStephen Hawking y Leonard Mlodinow

    No se permite la reproduccin total o parcial de este libro,ni su incorporacin a un sistema informtico, ni su transmisinen cualquier forma o por cualquier medio, sea ste electrnico,

    mecnico, por fotocopia, por grabacin u otros mtodos,sin el permiso previo y por escrito del editor. La infraccin

    de los derechos mencionados puede ser constitutiva de delitocontra la propiedad intelectual (Art. 270 y siguientes

    del Cdigo Penal)

    Dirjase a CEDRO (Centro Espaol de Derechos Reprogrficos) si necesita reproducir algn fragmento de esta obra.

    Puede contactar con CEDRO a travs de la web www.conlicencia.como por telfono en el 91 702 19 70 / 93 272 04 47

    A BRIEFER HISTORY OF TIMEW.W. Norton, Nueva York

    Stephen Hawking, 2005 Ilustraciones originales, The Book Laboratory Inc., 2005

    de la traduccin, David Jou, 2005

    Editorial Planeta S. A., 2015Av. Diagonal, 662-664, 08034 Barcelona (Espaa)

    Crtica es un sello editorial de Editorial Planeta, S. A.

    [email protected]

    www.espacioculturalyacademico.com

    ISBN: 978-84-9892-794-8Depsito legal: B. 24.883 - 2014

    2015. Impreso y encuadernado en Espaa por Huertas Industrias Grficas S. A.

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  • ndice

    Prefacio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii1. Hablando del universo . . . . . . . . . . . . . 12. Nuestra imagen cambiante del universo . . . . 73. La naturaleza de las teoras cientficas . . . . . 174. El universo newtoniano . . . . . . . . . . . . 255. Relatividad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376. Espacio curvado . . . . . . . . . . . . . . . . 537. El universo en expansin . . . . . . . . . . . . 698. Big bang, agujeros negros y la evolucin del uni-

    verso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 919. Gravedad cuntica . . . . . . . . . . . . . . . 11310. Agujeros de gusano y viajes en el tiempo . . . . 13311. Las fuerzas de la naturaleza y la unificacin de

    la fsica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14912. Conclusin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

    BiografasAlbert Einstein . . . . . . . . . . . . . . . . . 185Galileo Galilei . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189Isaac Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

    Glosario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195ndice onomstico. . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

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    Hablando del universo

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  • Vivimos en un universo extrao y maravilloso. Se ne-cesita una extraordinaria imaginacin para apreciarsu edad, tamao, violencia, e incluso su belleza. Podraparecer que el lugar que ocupamos los humanos en estevasto cosmos es insignificante; quiz por ello tratamos deencontrarle un sentido y de ver cmo encajamos en l.Hace algunas dcadas, un clebre cientfico (algunos di-cen que se trataba de Bertrand Russell) dio una conferen-cia sobre astronoma. Describi cmo la tierra gira alre-dedor del sol y cmo ste, a su vez, gira alrededor de uninmenso conjunto de estrellas al que llamamos nuestra ga-laxia. Al final de la conferencia, una vieja seora se levan-t del fondo de la sala y dijo: Todo lo que nos ha conta-do son disparates. En realidad, el mundo es una placaplana que se sostiene sobre el caparazn de una tortugagigante. El cientfico sonri con suficiencia antes de re-plicar: Y sobre qu se sostiene la tortuga?. Se cree us-ted muy agudo, joven, muy agudo, dijo la anciana.Pero hay tortugas hasta el fondo!

    La mayora de nuestros contemporneos considerararidculo imaginar el universo como una torre infinita detortugas. Pero por qu nos empeamos en creer que sa-bemos ms? Olvidemos un minuto lo que conocemos ocreemos conocer del espacio y levantemos la vista hacia

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  • el cielo nocturno. Qu pensamos que son todos estos mi-nsculos puntos luminosos? Son fuegos diminutos? Re-sulta difcil imaginar lo que son en realidad, ya que exce-den inmensamente nuestra experiencia ordinaria. Siobservamos con regularidad las estrellas, probablementenos habremos fijado en una luz elusiva que sobrevuela elhorizonte en el crepsculo. Es un planeta, Mercurio, peroes muy diferente de la tierra. En l, un da dura dos terciosde lo que dura su ao. Alcanza temperaturas que sobrepa-san los 400 C cuando lo ilumina el sol, y cae a 200 C enla oscuridad de la noche. Aun as, por muy diferente quesea Mercurio de nuestro planeta, no se confunde con lasestrellas tpicas, con sus inmensos hornos que queman mi-les de millones de kilos de materia cada segundo, y cuyosncleos se hallan a decenas de millones de grados.

    Otra cosa que nos cuesta imaginar es la distancia a quese encuentran realmente los planetas y las estrellas. Losantiguos chinos construyeron torres de piedra para poder-los contemplar ms de cerca. Es natural pensar que las es-trellas y los planetas se hallan ms prximos de lo que real-mente estn; al fin y al cabo, en nuestra vida cotidiana notenemos experiencia alguna de las enormes distancias es-paciales. Dichas distancias son tan grandes que ni siquieratiene sentido expresarlas en metros o en kilmetros, lasunidades con que expresamos la mayora de longitudes.En su lugar, utilizamos el ao-luz, que es la distancia re-corrida por la luz en un ao. En un segundo, un haz de luzrecorre 300.000 kilmetros, de manera que un ao-luz esen efecto una distancia muy grande. La estrella ms pr-xima a nuestro sol, denominada Proxima Centauri (o AlfaCentauri), se halla a unos cuatro aos-luz. Est tan lejosque incluso con la nave espacial tripulada ms veloz deque disponemos en la actualidad un viaje hasta ella dura-ra unos diez mil aos.

    4 Brevsima historia del tiempo

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  • Los antiguos se esforzaron mucho por entender el uni-verso, pero entonces no disponan de nuestras matemti-cas y nuestra ciencia. En la actualidad contamos con re-cursos poderosos: herramientas intelectuales como lasmatemticas y el mtodo cientfico, e instrumentos tecno-lgicos como ordenadores y telescopios. Con su ayuda, loscientficos han acumulado un rico acervo de conocimien-tos sobre el espacio. Pero qu sabemos en realidad deluniverso, y cmo lo conocemos? De dnde viene el uni-verso? Adnde va? Tuvo un inicio? y, si es as, qupas antes de l? Cul es la naturaleza del tiempo? Ten-dr un final? Podemos retroceder en el tiempo? Avancesrecientes de la fsica, que debemos en parte a las nuevastecnologas, sugieren respuestas a algunas de estas anti-qusimas preguntas. Algn da, estas respuestas nos pare-cern tan obvias como que la tierra gire alrededor delsol..., o quiz tan ridculas como una torre de tortugas.Slo el tiempo (sea lo que sea) lo dir.

    Hablando del universo 5

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  • 2

    Nuestra imagen cambiante del universo

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  • Aunque incluso en pocas tan tardas como la de Cris-tbal Coln era frecuente encontrar gente que creaque la tierra era plana (tambin hoy encontraramos algu-nas personas que lo siguen pensando), podemos situar lasraces de la astronoma moderna en los antiguos griegos.Alrededor de 340 a.C., el filsofo griego Aristteles escri-bi un libro titulado De Caelo (Sobre el cielo), en el quedaba buenos argumentos para creer que la tierra era unaesfera y no un disco plano.

    Uno de los argumentos estaba basado en los eclipses deluna. Aristteles observ que estos eclipses se deban aque la tierra se interpona entre el sol y la luna. Cuandoello ocurra, la tierra proyectaba su sombra sobre la luna,causando as su eclipse. Aristteles observ que la sombrade la tierra siempre era redonda. Esto es lo que cabra es-perar si la tierra fuese una esfera, pero no si fuera un dis-co plano, en cuyo caso su sombra slo sera redonda si eleclipse se produjera justo en el momento en que el sol es-tuviera debajo del centro del disco. En las dems ocasio-nes, la sombra sera alargada: tendra forma de elipse (unaelipse es un crculo alargado).

    Los griegos tenan otro argumento a favor de la esfe-ricidad de la tierra. Si sta fuera plana, un navo que seacercara desde el horizonte primero debera aparecer

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  • como un punto sin caracteres y, a medida que se aproxi-mara, permitira que fusemos observando cada vezms detalles, como las velas y el casco. Pero no es esto loque ocurre. Cuando un barco aparece en el horizonte, loprimero que divisamos son sus velas, y slo ms tardepodemos observar el casco. El hecho de que sus msti-les, que se elevan muy por encima del casco, sean la pri-mera parte del barco que asoma sobre el horizonteconstituye una evidencia de que la tierra es una esfera.

    Los griegos tambin escrutaron con atencin el cielonocturno. Ya en tiempos de Aristteles, haban pasado si-glos reuniendo informacin sobre cmo se desplazabanlas lucecitas del cielo nocturno. Observaron que, aunquecasi todos los millares de luces visibles en el cielo parecanmoverse conjuntamente, cinco de ellas (sin contar la luna)no lo hacan as. A veces se apartaban de un camino regu-

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    Un barco asoma por el horizonte

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  • lar este-oeste, retrocedan y despus volvan a avanzar.Estas luces fueron denominadas planetas, trmino que engriego significaba vagabundo. Los griegos slo conocie-ron cinco planetas, que son los que podemos observar asimple vista: Mercurio, Venus, Marte, Jpiter y Saturno.En la actualidad sabemos por qu sus trayectorias celestesson tan poco usuales: las estrellas casi no se mueven encomparacin con nuestro sistema solar, pero los planetas,en cambio, giran alrededor del sol, de modo que su movi-miento en el cielo nocturno es mucho ms complejo que elde las estrellas distantes.

    Aristteles crea que la tierra estaba en reposo y que elsol, la luna, los planetas y las estrellas se movan en crcu-los a su alrededor. Y lo crea porque pensaba, por motivosms bien msticos, que la tierra estaba en el centro del uni-verso y que el movimiento circular era el ms perfecto. Enel siglo ii a.C. otro griego, Ptolomeo, convirti esta idea enun modelo completo del firmamento. Ptolomeo sentauna gran pasin por sus estudios. Cuando sigo a placer laapretada multitud de las estrellas en su camino circular,escribi, mis pies dejan de tocar el suelo.

    En el modelo de Ptolomeo, ocho esferas rotantes rodea-ban la tierra. Cada esfera era mayor que la anterior, como en un juego de muecas rusas, y la tierra estaba enel centro de todas ellas. Lo que hubiera ms all de la l-tima esfera no estaba claro, pero ciertamente no formabaparte del universo observable para los hombres. As, la es-fera ms externa era considerada una especie de frontera,o de recipiente, del universo. Las estrellas ocupaban enella posiciones fijas, de manera que, cuando la esfera gira-ba, las estrellas permanecan en las mismas posiciones re-lativas entre s, y giraban conjuntamente, en grupos, a tra-vs del espacio, tal como lo observamos. Las esferasinteriores transportaban los planetas, pero stos, a dife-

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  • rencia de lo que pasaba con las estrellas, no estaban fija-dos a sus propias esferas, sino que se movan respecto aellas en pequeos crculos denominados epiciclos. Al gi-rar las esferas planetarias, los planetas giraban a su vezrespecto a ellas, de modo que sus trayectorias en relacina la tierra resultaban muy complicadas.

    De esta manera, Ptolomeo consigui explicar por qulas trayectorias observadas de los planetas son mucho mscomplicadas que unos simples crculos en el cielo.

    El modelo de Ptolomeo proporcion un sistema consi-derablemente preciso para predecir las posiciones de losobjetos celestes en el firmamento. Pero para poderlo hacercorrectamente, Ptolomeo tuvo que suponer que la trayec-toria de la luna algunas veces se acercaba a la tierra el do-ble que otras, lo cual significaba que la luna unas vecesdebera verse el doble de grande que otras! Ptolomeo ad-miti este fallo, a pesar de lo cual su modelo consigui unaamplia aceptacin, aunque no completamente universal.Fue adoptado por la Iglesia catlica como la imagen deluniverso compatible con las Escrituras, ya que ofreca laventaja de disponer, ms all de la esfera de las estrellas fi-jas, de vastos espacios para el cielo y el infierno.

    Sin embargo, en 1514 un sacerdote polaco, Nicols Co-prnico, propuso otro modelo. (Al principio, por miedo aser quemado por hereje por la Iglesia, Coprnico hizo cir-cular su modelo annimamente.) Coprnico tuvo la revo-lucionaria idea de que no todos los cuerpos celestes debengirar alrededor de la tierra. De hecho, su idea era que elsol estaba en reposo en el centro del sistema solar y que latierra y los planetas se movan en rbitas circulares a su al-rededor. El modelo de Coprnico, como el de Ptolomeo,funcionaba bien, pero no concordaba perfectamente conlo que se observaba. No obstante, como era mucho mssimple que el de Ptolomeo, se podra haber esperado que

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  • la gente lo adoptase. Y sin embargo, tuvo que transcurrircasi un siglo hasta que la idea fue tomada seriamente enconsideracin, cuando dos astrnomos, el alemn Johan-nes Kepler y el italiano Galileo Galilei, empezaron a de-fender pblicamente la teora copernicana.

    En 1609, Galileo empez a estudiar el cielo nocturnocon un telescopio, que acababa de ser inventado. Al ob-servar el planeta Jpiter, descubri que estaba acompaa-do por varios satlites pequeos, o lunas, que giraban a sualrededor. Ello revelaba que no todo tena que girar direc-tamente alrededor de la tierra, a diferencia de lo que ha-ban pensado Aristteles y Ptolomeo. En la misma poca,Kepler perfeccion la teora de Coprnico, sugiriendo quelos planetas no se movan en crculos sino en elipses: coneste cambio, las predicciones de la teora pasaron a con-cordar con las observaciones. Estos acontecimientos ases-taron un golpe mortal al modelo de Ptolomeo.

    Aunque las rbitas elpticas mejoraban el modelo deCoprnico, para Kepler eran tan slo una hiptesis pro-visional, ya que tena ideas preconcebidas sobre la natu-raleza, que no estaban basadas en observacin alguna y,al igual que Aristteles, consideraba que las elipses eranmenos perfectas que los crculos. La idea de que los pla-netas se movieran a lo largo de estas trayectorias im-perfectas le resultaba demasiado poco elegante para serconsiderada la verdad definitiva. Otra cosa que le preo-cupaba era que no lograba conciliar las rbitas elpticascon su idea de que lo que haca girar los planetas alrede-dor del sol eran fuerzas magnticas. Aunque Kepler seequivocaba al considerar las fuerzas magnticas como lacausa de las rbitas de los planetas, se le debe reconocerel mrito de advertir que ha de existir una fuerza respon-sable del movimiento. La verdadera explicacin de porqu los planetas giran alrededor del sol slo se ofreci

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  • mucho ms tarde, en 1687, cuando sir Isaac Newton pu-blic su Philosophiae Naturalis Principia Mathematica,probablemente la obra ms importante jams publicadaen ciencias fsicas.

    En los Principia, Newton formul una ley que estable-ca que todos los objetos que se hallan naturalmente enreposo permanecen en reposo a no ser que una fuerza ac-te sobre ellos, y describi cmo los efectos de una fuerzahacen que un objeto se ponga en marcha o cambie su mo-vimiento. As, por qu los planetas trazan elipses alrede-dor del sol? Newton dijo que ello se deba a una fuerzaparticular, y afirm que era la misma que hace que los ob-jetos caigan al suelo en lugar de permanecer en reposo enel aire cuando los soltamos. Denomin a esta fuerza gra-vedad (antes de Newton, la palabra gravedad signifi-caba o bien un estado de nimo serio o bien la cualidad deser pesado). Newton tambin invent las matemticasque demostraban numricamente cmo reaccionan losobjetos cuando una fuerza, como la gravedad, acta sobreellos, y resolvi las ecuaciones resultantes. De esta mane-ra, consigui demostrar que debido a la gravedad del sol,la tierra y los otros planetas deben moverse en elipses, talcomo Kepler haba predicho. Newton afirm que sus le-yes se aplicaban a todos los cuerpos del universo, desde lacada de una manzana hasta los movimientos de las estre-llas y los planetas. Por primera vez en la historia, alguienlograba explicar el movimiento de los planetas a partir deleyes que tambin determinan los movimientos sobre latierra, lo que represent el comienzo de la fsica y la as-tronoma modernas.

    Libres ya de las esferas de Ptolomeo, no haba motivoalguno para suponer que el universo tena una fronteranatural (la esfera ms exterior). Adems, como las estre-llas no parecan cambiar de posicin, aparte de su giro

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  • aparente en el cielo debido a la rotacin de la tierra sobresu eje, pareci natural suponer que eran objetos como elsol pero mucho ms lejanos. Con ello abandonamos noslo la idea de que la tierra es el centro del universo, sinoincluso la idea de que el sol, y quizs el sistema solar, fue-ra algo ms que una caracterstica ordinaria del universo.

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    aida.gimenoTexto escrito a mquinaSeguir leyendo