1-EL UNIVERSO OBSERVABLE

Desde los tiempos más remotos, se ha demostrado el gran interés por lo que ocurría en los cielos, y dependiendo de las épocas, de las culturas y de las inquietudes, se ha elaborado explicaciones para las interpretaciones.

· OBSERVACIÓN DEL CIELO.

En nuestro cielo:

• Pueden observarse: el Sol, la Luna, los planetas y las estrellas.

• Todos ellos aparecen por el Este, cruzan el cielo y desaparecen por el Oeste, siguiendo trayectorias que se corresponden con arcos de circunferencia concéntricos con la Estrella Polar.

• El día comienza cuando el Sol sale por el Levante; y la noche, cuando se pone. La luz del Sol impide que se vean durante el día las estrellas. La Luna puede verse de día en algunas veces.

• En verano, el Sol está mucho más alto que en invierno y se recibe de él un mayor aporte calorífico.

• La Luna tiene “fases” (luna llena, cuatro menguante, luna nueva y cuatro creciente).Se mueve de Este a Oeste.

• Los planetas algunas veces parecen que e desplazan “hacia atrás” y otras “adelantan” a las estrellas.

• Las estrellas se ven fijas; pero se mueven.

Además de todos estos hechos, a veces aparecen otros esporádicamente:

• Se observan meteoritos y, de vez en cuando, cometas.

• Otras veces se observa la desaparición de un astro tapado por otro, fenómeno que se denomina eclipse.

Eclipse anular del Sol.

· EL PENSAMIENTO FILOSÓFICO.

El pensamiento griego exploró muchos caminos y algunos se acercaron al actual modo de pensamiento científico, de modo que hoy podemos considerar como verdaderos precursores a filósofos como TALES DE MILETO, PITÁGORAS, ANAXÁGORAS, ERATÓSTENES, ARQUÍMEDES, DEMÓCRITO o ARISTARCO DE SAMOS.

Demócrito pensaba que todo cuando existe está formado de átomos y vacío. El vacío es un componente esencial del cosmos, puesto que permite el movimiento de los átomos y los cambios. Este pensamiento está tan aproximado a nuestra actual teoría cinética molecular que asombra que fuera elaborado hacia el año 420 a.C. Claro está que carecía de base experimental; era un pensamiento meramente especulativo. Los filósofos nunca apreciaron la necesidad de contrastar la reflexión con la experimentación.

2-INTERPRETACIONES PRIMITIVAS

· EL COSMOS ARISTOTÉLICO.

La observación, la experiencia personal, y la reflexión que condujeron por buen camino a Aristóteles en sus investigaciones biológicas, lo guiaron con menor seguridad en el dominio de la Astronomía, la Física y la Mecánica. Padre de la lógica formal, tenía demasiada confianza en las deducciones lógicas a partir de premisas preconcebidas, y olvidó un poco que la lógica, privada del apoyo de la observación y de la experiencia, sólo proveía una dialéctica de la prueba, sin poder llevar a verdaderos descubrimientos. Aristóteles separa el mundo astral incorruptible e inmutable, del mundo terrestre o sublunar, lugar de cosas perecederas, y admite la dualidad de las leyes de la naturaleza. La cosmología de Aristóteles difería en varios aspectos del modelo atomista. Aristóteles erigió el mundo a partir de cinco elementos: tierra, agua, aire, fuego y éter. Nada era casual ni accidental. Todo tenía su espacio natural y su propósito. Adoptando el sistema homocéntrico de Eudoxo materializa las esferas, que en el pensamiento de su predecesor eran abstracciones geométricas, para convertirlas en esferas cristalinas que encierran un universo esférico y finito. El lugar natural de la Tierra es el centro del universo, y todo lo semejante a ella que flota en el cosmos se desplaza en esa dirección. Éste es eterno y sus movimientos se efectúan en círculos. El éter es una sustancia divina e indestructible; su espacio natural son los cielos, donde forma las estrellas y otros cuerpos celestiales. El agua, el aire y el fuego ocupan lugares intermedios. El Sol, la Luna y los planetas giran alrededor de una Tierra estática. Tales rotaciones dan forma al día y la noche.

· EL MODELO COSMOLÓGICO DE PTOLOMEO.

Ptolomeo logró diseñar un modelo cosmológico que podía explicar el movimiento de los cuerpos celestes dentro de las normas de exactitud observacional que se consideraban entonces. Fue un recopilador de las ideas aportadas en los siglos anteriores. Según el modelo geocéntrico de Ptolomeo:

Según Ptolomeo
Según Aristóteles

3. PRIMEROS MODELOS CIENTÍFICOS

· EL MODELO HELIOCÉNTRICO DE COPÉRNICO.

En 1543, el clérigo polaco Nicolás Copérnico propuso una teoría audaz que situaba al Sol en el centro del Universo. En realidad, el modelo no era nuevo, el astrónomo griego Aristarco de Samos, ya lo sugirió anteriormente. Según las medidas de Copérnico, las posiciones de los planetas se explicaban mucho mejor suponiendo que éstos girasen alrededor del Sol, en vez de hacerlo alrededor de la Tierra. En el modelo heliocéntrico de Copérnico, los planetas describían órbitas perfectamente circulares. Podemos resumir el modelo de Copérnico de la siguiente manera:

· LAS LEYES DE KEPLER.

Tycho invitó al matemático alemán Johannes Kepler a su observatorio y le pidió que calculara una nueva órbita para Marte. Eligió Marte porque era el planeta que tenía el comportamiento más extraño. La relación entre Tycho y Kepler fue tormentosa. El primero no quería ceder completamente sus datos, y esto retrasó la labor de Kepler. Sólo a la muerte de Tycho, Kepler tuvo acceso a todas las observaciones. Empezó considerando órbitas circulares pero, tras muchos intentos fallidos, las descartó porque no explicaban con precisión las posiciones observadas. Renunciar a órbitas circulares le supuso un problema personal, ya que siempre había creído en la perfección del Universo y el círculo era la trayectoria más perfecta que podía imaginar. Con órbitas circulares las posiciones predichas y observadas diferían 8 minutos de arco, cuatro veces más que la precisión de las medidas. Era un error pequeño, pero no podía ignorarlo. Cuando se convenció de que la órbita de Marte no era un círculo, probó diferentes curvas ovaladas. Al final, tras nueve años de intenso trabajo y miles de cálculos, logró resolver el problema: Marte se movía alrededor del Sol siguiendo una elipse. Johannes Kepler había descubierto las leyes del movimiento planetario.

Trayectoria elíptica de Kleper

4. SÍNTESIS GRAVITATORIA DE NEWTON

· LAS FUERZAS DE LA GRAVEDAD.

Kleper había logrado explicar matemáticamente cómo se mueven los planetas, pero nunca logró explicar la causa del movimiento sin éxito. Newton comprendió que el fundamento del comportamiento de las fuerzas ocultas había que hacerlo a partir del estudio del movimiento de los cuerpos. Dedujo que las fuerzas gravitatorias que rigen el movimiento de los cuerpos en la Tierra, como la caída de las manzanas, son las mismas que mueven a los planetas y el resto del orbe, lo que equivale a decir que no existe un mundo celestial y otro sublunar, sino un único mundo regido por leyes universales. Esta es la síntesis de Newton.

· GRAVITACIÓN SEGÚN NEWTON.

Newton reflexionó sobre el hecho de que los cuerpos pesaban en la Tierra y que los astros giraban en torno a otros astros (la Luna en torno a la Tierra, la Tierra y los demás planetas en torno al Sol, y así todos) y se imaginó que había una fuerza universal (que actuaba en todos lados) que hacía que los cuerpos se atrajeran entre sí. Esta fuerza se manifestaría tanto en la atracción de un cuerpo por la Tierra - su peso- como en la atracción entre cuerpos del Sistema Solar (y de todo el universo) que les hace girar unos en torno a los otros. La llamó "fuerza de gravitación universal" o "gravedad". Según Newton, la gravedad sería una fuerza instantánea (es decir, cualquier cuerpo notaría inmediatamente si hay otro cuerpo, y sufriría su atracción) y actuaría a distancia, es decir, la intensidad de la fuerza dependería de algo (el otro cuerpo) que puede estar muy alejado, sin que haya contacto entre los cuerpos.

La Ley de la Gravitación Universal de Newton establece que la fuerza de atracción mutua entre dos objetos con masa es directamente proporcional al producto de las masas de cada uno, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa:

Donde G es la Constante de gravitación universal, siendo su valor 6,67 × 10-11 Nm²/kg².

Esquema de la fuerza de gravedad entre dos masas M y m, separadas por una distancia r.

5. CONSECUENCIAS DE LA TEORÍA GRAVITATORIA

Para contrastar el acierto o el fracaso de su teoría, Newton intentó deducir las leyes de Kleper a partir de su ecuación, y lo consiguió. Y puesto que las leyes de Kleper describen con gran precisión el movimiento de los astros, la ecuación de la gravitación universal también lo hace. También logró calcular la trayectoria de los cometas t predecir sus próximas apariciones; explicar la causa de las mareas por efecto de la atracción lunar y solar; explicar la causa del peso de los cuerpos, etc.

· EL PESO DE LOS CUERPOS.

El peso de un cuerpo equivale a la acción que la gravedad ejerce sobre la masa de ese cuerpo, o sea la fuerza con que lo atrae a la Tierra. Como fuerza tiene dirección, sentido, intensidad y punto de aplicación. La dirección y el sentido son hacia la Tierra. La intensidad de la fuerza de gravedad aplicada al cuerpo es lo que se denomina su peso. El peso de un cuerpo varía con la latitud y la altitud.  El peso de un cuerpo disminuye al aumentar la altitud. Para un mismo cuerpo su peso varía según el lugar. Pero el cuerpo, su masa y su forma no cambia.  También hemos dicho que el peso depende de la gravedad al aplicar ésta a la masa. Si llamamos P al peso,  M a la masa y g a la gravedad tendremos:

· “PESAR” LA TIERRA.

Cavendish pudo medir la densidad de la Tierra. Construyó una balanza de extremada sensibilidad con la que pudo medir las insignificantes fuerzas con que se atraían las masas. Logró su objetivo: la densidad de la Tierra era de 5,48 veces la del agua. Los físicos a partir de estos cálculos dedujeron y utilizaron el valor de G tal como hoy lo hacemos.

· EPICICLOS IMPOSIBLES.

Ptolomeo había ideado los epiciclos para explicar el aparente movimiento retrógrado de los planetas, vistos desde la Tierra. Según esta idea, los planetas giran alrededor de un punto imaginario. Esto se deduce que es imposible, un planeta solo puede girar alrededor de otro astro que le atraiga con una gran fuerza, no de un punto imaginario. A la fuerza la llamamos fuerza centrípeta y su valor es:

Ahora sabemos también que esta fuerza centrípeta la proporciona el astro central, y es una fuerza gravitatoria:

6- UNA NUEVA CONCEPCIÓN DEL UNIVERSO: EINSTEIN

Los cambios que EINSTEIN introdujo en la teoría gravitatoria no vinieron porque hubiera problemas importantes que no pudieran explicarse con la teoría de Newton, sino porque ciertos descubrimientos inesperados cambiaron la visión del mundo.

· EL PROBLEMA DE LA LUZ.

La luz ha sido siempre el mayor misterio de la ciencia. MICHELSON y MORLEY intentaron demostrar la existencia de una sustancia sutil, el éter, que llenaría todo el universo y sería el soporte de la luz. Pero no lo lograron. En cambio, su experiencia demostró algo inaudito: la luz se propagaba en todas direcciones con la misma velocidad, sin importar el movimiento del foco emisor.

· TEORÍA ESPECIAL DE LA RELATIVIDAD.

La Teoría Especial de la Relatividad, publicada por Albert Einstein en 1905, describe la física del movimiento en el marco de sistemas de referencia inerciales. Estos conceptos fueron presentados anteriormente por Henri Poincaré y Lorentz, a quienes se los considera también como originadores de la teoría. Hasta entonces, los físicos pensaban que la mecánica clásica de Isaac Newton, basada en la llamada relatividad de Galileo, describía los conceptos de velocidad y fuerza para todos los observadores. Sin embargo, habían comprobado que las ecuaciones de Maxwell, que gobiernan el electromagnetismo, no se comportaban de acuerdo a las leyes de Newton cuando el sistema de referencia cambia. La noción de transformación de las leyes de la física respecto a los observadores es la que da nombre a la teoría, que se ajusta con el calificativo de especial o restringida por ceñirse a casos de sistemas en los que no se tiene en cuenta campos gravitatorios. Una extensión de esta teoría, que incluye los sistemas en campos gravitatorios, es la Teoría General de la Relatividad, publicada por Einstein en 1916. La relatividad no se presentó nunca como una teoría completa, sino que fue desarrollada en varios artículos. La división entre relatividad especial y general fue posterior a los mismos. Los sistemas acelerados o no inerciales al principio se consideraron como relatividad general, pero ahora se tiende a reservar este término solo para sistemas en campos gravitatorios.

· TEORÍA GENERAL DE LA RELATIVIDAD

La Teoría General de la Relatividad es la teoría de la gravedad publicada por Albert Einstein en 1915 y 1916. El principio fundamental de esta teoría es el Principio de equivalencia que describe la aceleración y la gravedad como aspectos distintos de la misma realidad. Einstein postuló que no se puede distinguir experimentalmente entre un cuerpo acelerado uniformemente y un campo gravitatorio uniforme. La teoría general de la relatividad permitió fundar también el campo de la cosmología.En esta teoría, el espacio-tiempo es tratado como una banda Lorentziana de 4 dimensiones la cual se curva por la presencia de masa, energía, y momento lineal. La relación entre el momento y la curvatura del espacio-tiempo es gobernada por las ecuaciones del campo de Einstein. En la relatividad general, fenómenos que la mecánica clásica atribuye a la acción de la fuerza de gravedad, son representados como movimientos inerciales en un espacio-tiempo curvado. El movimiento de objetos influenciados por la geometría del espacio-tiempo ocurre en el espacio-tiempo que los físicos denominan espacio de Minkowski.

7- EL MODELO COSMOLÓGICO ACTUAL

· EL UNIVERSO EN EXPANSIÓN. HUBBLE.

Durante la década de 1920, el astrónomo estadounidense Edwin Hubble estaba dedicado a estudiar la luz emitida por las galaxias externas. No se esperaba que esta luz tuviera nada de especial. Después de todo, es simplemente la luz sumada de miles de millones de estrellas como las que conocemos tan bien en nuestra galaxia. En efecto, el espectro de las galaxias que Hubble obtenía con el telescopio de 100 pulgadas del Observatorio de Monte Wilson era lo esperado: la suma de la luz de un gran número de estrellas. Y, sin embargo, tenía algo desconcertante. Cuando la luz de una estrella es descompuesta espectroscópicamente, en el espectro resultante aparecen rayas oscuras, partes del espectro que contienen menos luz que las adyacentes. La explicación de estas rayas es sencilla: en la superficie de las estrellas hay una gran cantidad de átomos, algunos pueden absorber luz de un color bien determinado. En particular, el calcio produce dos rayas espectrales muy oscuras que son fáciles de distinguir en el espectro de una estrella y por lo tanto de una galaxia. Para su asombro, Hubble encontró que las rayas del calcio no aparecían en la región del espectro donde se esperaba, que es la región violeta, sino que aparecían corridas hacia la región roja. Este corrimiento al rojo de las rayas de calcio significa que las galaxias que emiten dicho espectro se alejan de nosotros velozmente. Este efecto de cambio en el color de la radiación emitida por un cuerpo que se aleja del observador es equivalente al cambio en el tono de la sirena de una ambulancia cuando pasa junto a nosotros y después se aleja. A este efecto se le llama efecto Doppler, en honor al físico austriaco que lo estudió en gran detalle en el siglo XIX.

El universo en expansión.

· OTRAS CONSECUENCIAS DE LA TEORÍA DE LA RELATIVIDAD. HAWKING.

Hawking ha trabajado en las leyes básicas que gobiernan el universo. Junto con Roger Penrose mostró que la Teoría General de la Relatividad de Einstein implica que el espacio y el tiempo han de tener un principio en el Big Bang y un final dentro de agujeros negros. Semejantes resultados señalan la necesidad de unificar la Relatividad General con la Teoría Cuántica, el otro gran desarrollo científico de la primera mitad del siglo XX. Una consecuencia de tal unificación que él descubrió era que los agujeros negros no eran totalmente negros, sino que podían emitir radiación y eventualmente evaporarse y desaparecer. Otra conjetura es que el universo no tiene bordes o límites en el tiempo imaginario. Esto implicaría que el modo en que el universo empezó queda completamente determinado por las leyes de la ciencia.

ÍNDICE:

El universo observable……………………………………………………Pág.3

• Observación del cielo.

• El pensamiento filosófico.

Interpretaciones primitivas……………………………………………….Pág.4

• El cosmos Aristotélico.

• El modelo cosmológico de Ptolomeo.

Primeros modelos científicos……………………………………………Pág.5

• El modelo heliocéntrico de Copérnico.

• Las leyes de Kepler.

Síntesis gravitatorias de Newton…………………………………………Pág.6

• Las fuerzas de la gravedad.

• Gravitación según Newton.

Consecuencias de la teoría gravitatoria………………………………….Pág.7

• El peso de los cuerpos.

• “Pesar” la Tierra.

• Epiciclos imposibles.

Una nueva concepción del universo: Einstein……………………………Pág.8 y 9

• El problema de la luz.

• Teoría especial de la relatividad.

• Teoría general de la relatividad.

El modelo cosmológico actual……………………………………………Pág.9 y 10

• El universo en expansión. Hubble.

• Otras consecuencias de la teoría de la relatividad. Hawking.

Bibliografía:

He consultado diferentes páginas de Internet y también el mismo libro de Física y Química.