INTRODUCCIÓ

Professor Kip S. Thorne

Em vaig trobar amb Stephen Hawking per primera vegada el juliol del 1965 a Londres, Anglaterra, en una conferència sobre relativitat i gravitació. L’Stephen estava a la meitat dels seus estudis de doctorat a la Universitat de Cambridge, jo acabava de completar els meus a la Universitat de Princeton. Per les sales de conferències corria el rumor que l’Stephen havia ideat un argument molt convincent segons el qual el nostre Univers havia d’haver començat fa un temps finit. No podia ser infinitament vell.

Així, junt amb un altre centenar de persones, ens vam encabir en una sala dissenyada per a quaranta persones per escoltar el que diria l’Stephen. Caminava amb un bastó i la seva parla era una mica mal articulada, però tret d’això només manifestava signes molt discrets de la malaltia motora neuronal que li havien diagnosticat feia un parell d’anys. Clarament, la seva ment no en quedava pas afectada. El seu lúcid raonament es basava en les equacions d’Einstein de la relativitat general, en les observacions dels astrònoms que l’Univers s’expandeix i en unes poques suposicions força plausibles, i utilitzava algunes noves tècniques matemàtiques que Roger Penrose havia ideat recentment. Combinant tot això d’una manera aguda, poderosa i convincent, l’Stephen deduïa el seu resultat: el nostre Univers ha d’haver començat en una mena d’estat singular, fa uns deu mil milions d’anys. (En la dècada següent, l’Stephen i en Roger, combinant les seves forces, van aconseguir demostrar de forma encara més convincent aquest començament singular del temps, i també van demostrar més convincentment encara que en el centre de cada forat negre hi ha una singularitat on el temps s’acaba).

Vaig sortir de la conferència de l’Stephen tremendament impressionat. No tan sols pels seus arguments i la seva conclusió, sinó, encara més important, per la seva perspicàcia i creativitat. De manera que el vaig anar a trobar i vaig passar una hora parlant en privat amb ell. Va ser el començament d’una llarga amistat, una amistat basada no tan sols en interessos científics compartits, sinó també en una remarcable simpatia mútua, una capacitat insòlita de comprendre’ns l’un a l’altre com a éssers humans. Ben aviat vam parlar força més estona de les nostres vides, dels nostres amors, i fins i tot de la mort que no pas de la ciència, encara que la nostra ciència continuava formant el gruix del que ens unia.

El setembre del 1973, vaig portar l’Stephen i la seva dona, Jane, a Moscou, a Rússia. Malgrat la rabiosa Guerra Freda, des del 1968 jo passava a Moscou al voltant d’un mes cada parell d’anys, col·laborant en recerca amb membres del grup dirigit per Iàkov Boríssovitx Zeldovitx. Zeldovitx era un superb astrofísic, i també un dels pares de la bomba d’hidrogen soviètica. A causa dels seus secrets nuclears, tenia prohibit viatjar a l’Europa occidental o a Amèrica. Tenia moltes ganes de poder parlar amb l’Stephen; com que ell no podia visitar l’Stephen, vam anar a veure’l a ell.

A Moscou, l’Stephen va deixar estupefacte Zeldovitx i centenars d’altres científics amb la seva perspicàcia, i a canvi l’Stephen va aprendre una o dues coses de Zeldovitx. Especialment memorable va ser una tarda que l’Stephen i jo vam passar amb Zeldovitx i el seu estudiant de doctorat Alexei Starovinski a l’habitació de Stephen a l’hotel Rossiya. Zeldovitx li va explicar de manera intuïtiva i Starovinski de manera matemàtica un notable descobriment que havien fet.

Per fer que un forat negre giri cal energia. Això ja ho sabíem. Un forat negre, van explicar, pot utilitzar la seva energia de rotació per crear partícules, i les partícules n’escaparan enduent-se amb elles l’energia de rotació. Això resultava nou i sorprenent —tot i que no pas terriblement sorprenent. Quan un objecte té energia de moviment, la naturalesa acostuma a trobar formes d’extreure-la. Ja sabíem altres formes d’extreure l’energia de rotació d’un forat negre; aquesta era tan sols una nova manera, però inesperada.

Ara bé, el gran valor de converses com aquesta és que poden desencadenar noves línies de pensament. I això va passar amb l’Stephen. Va estar rumiant durant uns quants mesos sobre el descobriment de Zeldovitx i Starovinski, considerant-lo ara des d’una direcció, ara des d’una altra, fins que un dia va esclatar una visió veritablement radical en la ment de l’Stephen: després que el forat negre ha deixat de rodar, encara continua emetent partícules. Pot radiar —i radia com si el forat negre estigués calent, com el Sol, però no tan calent, tot just tebi. Com més pesant el forat, més baixa n’es la temperatura. Un forat que tingués la massa del Sol tindria una temperatura de 0,06 microkelvin, és a dir, de 0,06 milionèsimes de grau per sobre del zero absolut. La fórmula per calcular aquesta temperatura està gravada actualment en la làpida mortuòria de l’Stephen a l’Abadia de Westminster a Londres, on hi ha les seves cendres, entre les d’Isaac Newton i les de Charles Darwin.

Aquesta temperatura de Hawking d’un forat negre i la seva radiació de Hawking (com han estat anomenades) eren veritablement radicals —potser el descobriment més radical de la física teòrica en la segona meitat del segle XX. Ens va obrir els ulls a les profundes connexions entre relativitat general (forats negres), termodinàmica (la física de la calor) i física quàntica (la creació de partícules on abans no n’hi havia cap). Per exemple, va portar l’Stephen a demostrar que els forats negres tenen entropia, cosa que vol dir que en algun lloc dintre o al voltant del forat negre hi ha una enorme aleatorietat. Va deduir que la quantitat d’entropia (el logaritme de la quantitat d’aleatorietat del forat negre) és proporcional a l’àrea de la superfície del forat negre. La seva fórmula per a l’entropia serà gravada en la pedra memorial de l’Stephen al college Gonville and Caius de Cambridge, Anglaterra, on va treballar.

Durant els darrers quaranta-cinc anys, l’Stephen i centenars d’altres físics han lluitat per comprendre la naturalesa precisa de l’aleatorietat d’un forat negre. És una pregunta que continua generant noves perspectives sobre el casament de la teoria quàntica amb la relativitat general —és a dir, sobre les lleis encara poc conegudes de la gravetat quàntica.

La tardor del 1974, l’Stephen va portar els seus estudiants de doctorat i la seva família (la seva dona, Jane, i els dos fills, Robert i Lucy) a Pasadena, Califòrnia, durant un any, de manera que tant ell com els seus estudiants poguessin participar de la vida intel·lectual de la meva universitat, el Caltech (Institut de Tecnologia de Califòrnia), i confluir, temporalment, amb el meu propi grup de recerca. Va ser un any gloriós, en el pinacle del que ha estat anomenat «l’edat d’or de la recerca en forats negres».

Durant aquell any, l’Stephen i els seus estudiants i alguns dels meus es van esforçar a entendre més profundament els forats negres, i també ho vaig fer jo fins a un cert punt. Però la presència de l’Stephen i el seu lideratge en el nostre grup conjunt de recerca en forats negres em van donar la llibertat per emprendre una nova direcció que havia estat considerant durant alguns anys: les ones gravitatòries.

Només hi ha dos tipus d’ones que puguin viatjar per l’Univers portant-nos informació sobre coses molt llunyanes: les ones electromagnètiques (que inclouen la llum, els raigs X, els raigs gamma, les microones, les radioones…) i les ones gravitatòries.

Les ones electromagnètiques consisteixen en forces elèctriques i magnètiques oscil·lants que viatgen amb la velocitat de la llum. Quan incideixen sobre partícules carregades, tal com els electrons d’una antena de ràdio o de televisió, sacsegen les partícules cap amunt i cap avall, i hi dipositen la informació que porten. Aquesta informació pot ser amplificada i comunicada a un altaveu o una pantalla de televisor on els humans en podrem disposar.

Les ones gravitatòries, segons Einstein, consisteixen en oscil·lacions de les deformacions de l’espai: un estira-i-arronsa oscil·lant de l’espai. El 1972 Rainer (Rai) Weiss, a l’Institut de Tecnologia de Massachusetts, havia inventat un detector d’ones gravitatòries, en el qual uns miralls suspesos en l’angle i en els extrems d’un tub de buit en forma de L són separats al llarg d’una pota de la L per l’allargament de l’espai, i s’acosten entre si al llarg de l’altra pota de la L per l’arronsament de l’espai. Rai va proposar utilitzar feixos de làser per mesurar el patró d’oscil·lació d’aquest estirament i arronsament. La llum del làser podria extreure la informació d’una ona gravitatòria i el senyal es podria ampliar i comunicar a un ordinador per posar-lo a disposició dels humans.

El potencial de les ones gravitatòries com a canvi de paradigma científic pot ser comparat a com Galileu va contribuir a donar lloc a l’astronomia electromagnètica moderna construint un petit telescopi òptic, apuntant-lo cap a Júpiter i descobrint-ne les quatre llunes principals. Durant els quatre-cents anys que han passat des de Galileu, l’astronomia ha revolucionat completament la nostra comprensió de l’Univers, utilitzant altres ones electromagnètiques a més de la llum visible en què ell es va basar.

El 1972, els meus estudiants i jo vam començar a pensar què podríem aprendre sobre l’Univers utilitzant ones gravitatòries: desenvolupàrem una visió preliminar del que podria ser l’astronomia d’ones gravitatòries. Com que les ones gravitatòries són un tipus de deformació de l’espai, són produïdes més intensament per objectes que estiguin constituïts ells mateixos, totalment o parcialment, per espaitemps deformat —cosa que vol dir, especialment, per forats negres. Vam concloure que les ones gravitatòries eren l’instrument ideal per explorar i posar a prova les intuïcions de l’Stephen sobre els forats negres.

En termes més generals, ens va semblar, les ones gravitatòries són tan radicalment diferents de les ones electromagnètiques que està gairebé garantit que crearan la seva pròpia nova revolució en la nostra comprensió de l’Univers, potser comparable a l’enorme revolució electromagnètica que va iniciar Galileu —si aquestes ones elusives podien ser detectades i monitoritzades. Però es tractava d’un gran si: vam estimar que les ones gravitatòries que banyen la Terra són tan febles que els miralls dels extrems del dispositiu en L de Rai Weiss s’acostarien i allunyarien entre si no més que una centèsima part del diàmetre d’un protó (cosa que vol dir 1/10.000.000 del diàmetre d’un àtom), fins i tot en el cas que la separació entre els miralls fos de diversos quilòmetres. El repte de mesurar moviments tan petits era enorme.

Així, durant aquell any gloriós, amb els grups de recerca de l’Stephen i el meu fusionats en el Caltech, vaig dedicar una gran part del meu temps a explorar les perspectives d’èxit de les ones gravitatòries. Poc després del retorn de l’Stephen a Cambridge, la meva recerca va arribar a un moment de gran fruïció amb una conversa molt intensa, que va durar tota la nit, amb Rai Wess a l’habitació d’en Rai en un hotel de Washington DC. Em vaig convèncer que les perspectives d’èxit eren prou grans per dedicar-hi la major part de la meva carrera, i l’energia dels meus futurs estudiants, ajudant en Rai i altres experimentadors a aconseguir la nostra visió de les ones gravitatòries. I la resta, com s’acostuma a dir, és història.

El 14 de setembre de 2015, els detectors LIGO d’ones gravitatòries (construïts per un projecte d’un miler de persones que en Rai, jo i Ronald Drever havíem fundat, i Barry Barish havia aplegat i organitzat) van registrar i gravar les seves primeres ones gravitatòries. Comparant la forma de les ones amb les prediccions per simulacions per ordinador, el nostre equip va concloure que les ones havien estat produïdes quan dos forats negres pesants van xocar, a 1.300 milions d’anys llum de la Terra. Això va representar l’inici de l’astronomia amb ones gravitatòries. El nostre equip havia aconseguit, per a les ones gravitatòries, el que Galileu va aconseguir per a les ones electromagnètiques.

Confio que en les properes dècades la vinent generació d’astrònoms que treballi amb ones gravitatòries les utilitzarà no només per comprovar les lleis de l’Stephen de la física dels forats negres, sinó també per detectar i monitoritzar ones gravitatòries del naixement singular del nostre Univers i, per tant, per posar a prova les idees de l’Stephen i d’altres sobre com l’Univers va arribar a ser.

Durant el nostre any gloriós de 1974-1975, mentre jo dubtava sobre les ones gravitatòries i l’Stephen guiava el nostre grup conjunt en recerca de forats negres, el mateix Stephen va tenir una idea encara més radical que el seu descobriment de la radiació de Hawking. Va proporcionar una demostració encara més convincent, gairebé irrefutable, que quan es forma un forat negre, i posteriorment s’evapora completament per emissió de radiació, la informació que havia anat a raure al forat negre no en pot tornar a sortir. Es perd informació inevitablement.

Això resulta radical, perquè les lleis de la física quàntica insisteixen inequívocament que la informació mai no es pot perdre totalment. De manera que, si l’Stephen tenia raó, els forats negres violen una de les lleis més fonamentals de la mecànica quàntica.

Com podia ser, això? L’evaporació del forat negre és regida per les lleis combinades de la mecànica quàntica i de la relativitat general —les lleis encara poc enteses de la gravetat quàntica—, i, per tant, raonava l’Stephen, el matrimoni fogós de la relativitat general i la física quàntica ha de dur a la destrucció d’informació.

La gran majoria dels físics teòrics van trobar abominable aquesta conclusió, i hi han estat molt escèptics. I així, durant quaranta-quatre anys han estat lluitant amb aquesta denominada paradoxa de la pèrdua d’informació. És una lluita que mereix ben bé l’esforç i l’angoixa que s’hi ha dedicat, ja que aquesta paradoxa és una clau poderosa per a la comprensió de les lleis de la gravetat quàntica. El mateix Stephen, el 2003, va trobar una manera amb la qual aquesta informació podria escapar-se durant l’evaporació del forat negre, però això no va apaivagar les lluites dels teòrics. L’Stephen no va demostrar que la informació s’escapi, de manera que la lluita continua.

En el meu elogi de l’Stephen, en la cerimònia en què les seves cendres van ser dipositades a l’abadia de Westminster, vaig sintetitzar aquesta lluita amb les paraules següents: «Newton ens va donar respostes. Hawking ens ha donat preguntes. I les preguntes de Hawking continuen donant, generant avenços dècades després. Quan a la fi arribem a dominar les lleis de la gravetat quàntica, i comprenguem completament el naixement del nostre Univers, serà molt probablement al damunt de les espatlles de Hawking».

•

Tal com el nostre any gloriós 1974-1975 va ser tan sols el començament de la meva recerca en ones gravitatòries, també va ser tan sols el començament de la recerca de l’Stephen cap a la comprensió detallada de les lleis de la gravetat quàntica i sobre el que aquestes lleis ens diuen al voltant de la veritable natura de la informació i l’aleatorietat en els forats negres, i també sobre la veritable natura del naixement singular del nostre Univers, i la veritable natura de les singularitats que hi ha a l’interior dels forats negres —la veritable natura del naixement i de la mort del temps.

Són preguntes grans. Molt grans.

Sempre he defugit les grans preguntes. No tinc prou capacitat, prou saviesa ni prou autoconfiança per enfrontar-m’hi.

L’Stephen, en canvi, sempre es va sentir atret per les grans preguntes, tant si estaven fermament arrelades en la ciència com si no. Ell sí que tenia la capacitat, la saviesa i l’autoconfiança necessàries.

Aquest llibre és una compilació de les seves respostes a grans preguntes, respostes sobre les quals encara treballava en el moment de morir.

Les respostes de l’Stephen a sis de les preguntes estan profundament arrelades en la seva ciència. (Hi ha un Déu? Com va començar tot? Podem predir el futur? Què hi ha dins d’un forat negre? És possible viatjar en el temps? Com podem donar forma al futur?). Aquí el trobareu discutint en profunditat els temes que he descrit breument en aquesta introducció, i també molt, molt més.

Les seves respostes a les altres quatre grans preguntes probablement no poden ser basades sòlidament en la seva ciència. (Sobreviurem aquí a la Terra? Hi ha més vida intel·ligent a l’Univers? Hauríem de colonitzar l’espai? Serem depassats per la intel·ligència artificial?). Tanmateix, les seves reflexions mostren una gran saviesa i creativitat, com era d’esperar.

Espero que trobin les seves respostes tan estimulants i penetrants com m’ho han semblat a mi. Gaudeixin-ne!

KIP S. THORNE
Juliol del 2018