CIENCIAS DEL MUNDO CONTEMPORÁNEO.

CIENCIAS DEL MUNDO CONTEMPORÁNEO. TEMA 1. EL UNIVERSO. 1ª PARTE MODELOS DEL UNIVERSO. Prof. Juanjo Marín. 1

Resumen. Desde tiempos prehistóricos, el hombre se ha preguntado por su origen, por cómo funcionan las cosas, por cómo se mueven y por las leyes que rigen la Naturaleza. Las estrellas y el cosmos han sido objeto de debate por la Humanidad durante miles de años. En un principio se mantuvo una visión geocéntrica del Universo, para pasar a ser heliocéntrica gracias a Copérnico, Kepler y Galileo. Newton anunció en el 1687 la causa por la que todos los planetas se mueven y pesan, con su Ley de la Gravitación Universal. Sin embargo, 300 años más tarde, en el 1915, A. Einstein anuncia las leyes de la Relatividad y cambia la visión de Newton de la gravedad por otra muy diferente: Dicha fuerza es una ilusión, un efecto de la geometría del espacio-tiempo. La Tierra deforma el espacio-tiempo de nuestro entorno, de manera que el propio espacio nos empuja hacia el suelo. Tanto la teoría de la Relatividad como la Mecánica Cuántica han dado respuesta a siglos de preguntas, pero han abierto la puerta a otras que ni siquiera nos habíamos planteado. En esta parte haremos un repaso histórico de la visión del Hombre y de la Ciencia sobre el Universo. Época prehistórica. Desde que el hombre es una especie inteligente en nuestro planeta, no ha parado de cuestionarse: Quiénes somos? De dónde venimos? Dónde estamos?.estas preguntas encontraron respuesta en la Prehistoria a través de mitos y leyendas. Por ejemplo, en la India encontraremos que para los hindúes la creación del mundo viene de la mano del dios Brahma. Muestran una enorme Serpiente mordiéndose la cola y suspendida en el vacío del Infinito, simbolizando la carrera eterna del Sol en el cielo. Sobre esta serpiente reposa una Tortuga que encarna entonces, en el espíritu hindú, el símbolo de FUERZA Y DE PODER CREADOR. Sobre la Tortuga se encuentran 4 Elefantes que portan los 3 Mundos: el Mundo Inferior de los demonios y del Infierno, el Mundo Intermedio de los hombres y de la Tierra, y el Mundo Superior de los Dioses y de la felicidad. Es GRACIAS A LA TORTUGA QUE ESTOS 3 MUNDOS EXISTEN, puesto que ella es el vínculo directo entre el Universo y su manifestación. 2

La antigua grecia. En la antigua grecia existió una clase social que hoy conocemos como los filósofos. Éstos se encargaban de utilizar la razón para explicar el porqué de las cosas. En esta época se desarrollan dos visiones opuestas del Universo: La primera es la geocéntrica, propuesta por Platón y Anaximandro, en la que la Tierra está en el centro de todo, quieta y sin girar, mientras las estrellas y planetas giran a su alrededor. Además, como dice el propio Platón: los extraños y erráticos movimientos de los astros no son más que apariencias, ya que tanto los cielos como los cuerpos que los habitan son lo más cercano a la divinidad que existe y, en consecuencia, dichos cuerpos deben poseer un estado que les acerque lo máximo posible tanto al reposo como a la inmutabilidad.. Lo que quiere decirnos Platón con esto es que las estrellas y los astros del cielo deben describir trayectorias perfectas por ser objeto de los dioses, es decir, círculos, y que además las recorren lo más lentamente posible y siempre a la misma velocidad. Esta idea parece muy lógica, pues si observamos las estrellas en la noche, todo parece girar a nuestro alrededor. No obstante, los astrónomos griegos ya habían advertido que las órbitas de los planetas no conservaban la misma dirección, ya que en ciertos períodos del año estos cuerpos se detenían, retrocedían y luego volvían a tomar su rumbo, formando una especie de bucles o lazos en sus órbitas contra el fondo estrellado. Para no tener que sacrificar el modelo geocéntrico, otro filósofo, Ptolomeo, incorpora la idea de los epiciclos para las órbitas de los planetas: Geocentrismo: Los otros planetas, incluido el Sol, realizan epiciclos alrededor de la Tierra 3

Hubo otra postura, la heliocéntrica, a partir del siglo IV a.c. y dividió a los filósofos. Fue anunciada por Aristarco de Samos, y sacrifica a la Tierra a favor del Sol, astro Rey, que lo sitúa en el centro de todo: "La Tierra. moviéndose como uno de los astros entorno al centro, (la cual) produce el día y la noche, según la posición que se halla respecto al Sol... Y dicen que el fuego central vivifica toda la Tierra y calienta su frigidez... Efectivamente, la parte dirigida al Sol, produce el día; la noche en cambio, es engendrada por la parte dirigida hacia el cono de su sombra". En resumen, Aristarco piensa que también es posible explicar el día y la noche si suponemos que la Tierra gira alrededor del Sol. Por otra parte, los astrónomos griegos ya habían observado que Mercurio y Venus siempre aparecían juntos en el cielo, tanto en el amanecer como en el atardecer. Mercurio y Venus pueden observarse juntos, tanto en el amanecer como en el atardecer. En el modelo heliocéntrico, el Sol ocupa el centro del Universo, y los planetas giran a su alrededor. Además, como Mercurio brilla mucho menos que Venus en el cielo, se debe ordenar a Mercurio más lejos de la Tierra, así: En el modelo heliocéntrico de los filósofos griegos, el Sol ocupa el centro y los planetas giran a su alrededor realizando epiciclos. 4

Durante más de 1400 años, en parte porque se perdieron muchas obras escritas de los griegos durante las guerras y desastres, en parte por la extensión de la doctrina católica, la teoría geocéntrica se da como válida y se abandona toda idea que la contradiga. La revolución copernicana (s. XIV). Nicolás Copérnico fue un astrónomo del Renacimiento que retomó la obra olvidada por Aristarco de Samos. Comprendió que era un absurdo que la Tierra tomara el papel central del Sistema, cuando el Sol debía ocuparlo por ser el astro Rey, el astro más importante. Su obra representa una revolución en las ideas y en el pensamiento de los sabios de la época, acostumbrados durante siglos a la idea de que la Tierra y el hombre ocuparan por derecho de creación divina el centro del Universo. Retrato de Nicolás Copérnico, astrónomo polaco del S.XIV y fundador de la Revolución Copernicana. La obra de Copérnico, De revolutionibus orbium coelestium (Sobre el movimiento de las esferas celestiales), se editó e imprimió tras su muerte por un discípulo suyo con la excusa de que serviría de gran ayuda a la Iglesia para la elaboración de calendarios más exactos (algo de mucha importancia en aquella época). 5

Las tres leyes de Kepler. Kepler fue un matemático y astrónomo del S.XV que conocía la obra de Copérnico. Como buen seguidor de aquel, recoge sus ideas y, tras numerosas y laboriosas observaciones de estrellas y planetas durante años, consigue enunciar tres leyes fundamentales en astronomía que hoy en día se conocen como las tres leyes de Kepler. 1ª ley de Kepler: Los planetas giran alrededor del Sol realizando elipses, con el Sol en uno de los focos de dicha elipse. 2ª ley de Kepler: Los planetas barren áreas iguales en tiempos iguales en su órbita alrededor del Sol. Esto último significa que los planetas giran más rápido al aproximarse al Sol. Por lo tanto, Mercurio debe girar más rápido que Venus y que la Tierra. 3ª Ley de Kepler: El tiempo que emplea un planeta en completar una vuelta alrededor del Sol al cuadrado dividido por su distancia al sol al cubo, es una relación que permanece constante e inalterable para todos los planetas del Sistema Solar. Escrito matemáticamente es: Esta tercera ley supuso toda una novedad, porque era la primera vez que se escribía una fórmula matemática que los astrónomos podían utilizar para situar y localizar a los planetas en el cielo. Retrato de Kepler 6

Galileo Galilei. Galileo fue un científico del Renacimiento Italiano, a quien debemos la invención del telescopio y de toda las matemáticas del estudio del movimiento (cinemática). Gracias al Telescopio, pudo observar las imperfecciones de la Luna, Júpiter y sus lunas, y las diferentes fases de Venus. Observó como dicho planeta pasaba por delante y por detrás del Sol como una mancha oscura, lo que constituyó una prueba definitiva de que el modelo heliocéntrico era la solución correcta. Observaciones de Galileo Galilei: La más notable es la del planeta Venus girando alrededor del Sol. 7

Newton y la manzana que cae. Alguna que otra vez hemos escuchado la historia de la famosa manzana que golpeó a Newton en la cabeza. En realidad, Newton estaba pensando en la causa del movimiento de los planetas cuando la manzana le golpeó la cabeza: Porqué se mueven los planetas? Qué origina este movimiento sin fín alrededor del Sol?... La manzana en realidad fue una inspiración: la misma causa que origina la caída de la manzana verticalmente hacia el suelo, es la que origina el movimiento de los planetas. Hoy sabemos que esta causa es la atracción gravitatoria o la fuerza de la gravedad. Newton fue un sabio del S. XV. Así pues, lo que en realidad Newton pretendía era encontrar la causa universal de los movimientos. Como él mismo dice: una misma ley para los cielos y para la Tierra. Esta ley, llamada ley de la gravitación Universal porque se cumple en todos los lugares del Universo, es capaz de obtener las tres leyes de Kepler, por lo que se considera más general que aquellas. 8

La situación de la ciencia a finales del S.XIX. A finales del s.xix, la Ciencia vivió un momento dramático, como a continuación se verá. Ya se conocían por un lado los fenómenos eléctricos y magnéticos, y por el otro todo aquello que tenía que ver con la gravedad y con las fuerzas se podía explicar mediante las leyes de Newton. Sin embargo, se presentaron tres situaciones: tres experimentos que parecían no tener explicación ni base científica: - El efecto fotoeléctrico: Al iluminar un metal con luz se obtiene electricidad. Porqué? - La catástrofe ultravioleta. - El experimento de Michelson-Morley. En los tres problemas interviene la luz. Por entonces poco se sabía sobre la naturaleza de la luz, salvo que era una onda. Tan solo A. Einstein pudo dar una respuesta satisfactoria con su obra: La teoría de la Relatividad Especial que después generalizó. El experimento de Michelson y Morley (1887). Este experimento está considerado como la base práctica de la Teoría de la Relatividad. Michelson y Morley idearon una forma de medir la velocidad de traslación de la Tierra alrededor del Sol. Los científicos suponían que el espacio estaba lleno de éter, y que la luz utilizaba el éter para poder llegar desde el Sol hasta la Tierra. Se creía que la luz se comportaba como un nadador que nada a favor o en contra de la corriente de éter: Cuando la luz viaja en la misma dirección y sentido que el éter, las velocidades se suman y cuando la luz viaja en sentido opuesto al viento del éter, las velocidades se restan. Michelson y Morley creyeron que al dividir la luz en varios rayos, podrían detectar este éter y, con este el movimiento de la Tierra. Para ello, cogieron una bombilla de luz de sodio y dividieron la luz irradiada en dos haces, como en la figura siguiente: 9

Lo que Michelson y Morley suponían era que uno de los dos rayos era arrastrado por el éter y que, por lo tanto, alguno llegaría antes que el otro rayo. Sin embargo, ambos llegaban siempre al mismo tiempo. Otro científico, E. Lorentz, anunció que para que ambos rayos llegaran al mismo tiempo, uno de los rayos debía encoger la distancia. Esta idea fue la que Einstein tomó para su teoría de la Relatividad especial (1905). La Teoría de la Relatividad de Einstein. Albert Einstein, mientras trabajaba en la oficina de patentes de Berna, Suiza, conoce el experimento de Michelson y Morley y empieza a trabajar en su Teoría de la Relatividad. A. Einstein con 14 años. Su profesor le dijo Ud. Nunca conseguirá nada en la Vida Aunque al principio la Teoría de la Relatividad solamente explicaba el experimento de Michelson y Morley, después la trabajó a fondo y la extendió haciéndola más general (Teoría de la Relatividad General). A continuación se resumen sus ideas: 10

- Los cuerpos tienen masa, y es la masa la que deforma el espacio (y el tiempo). Esto se entiende viendo la siguiente figura: La estrella deforma el espacio con su peso. Al hacerlo, la luz recorre la trayectoria curva y tarda más tiempo. Este efecto fue observado por A. Eddington durante un eclipse de Sol en 1917. - La velocidad de la luz es el límite de velocidades. No hay nada más rápido que la luz cuya velocidad es de 300 000 km/s. Esto significa lo siguiente: Imagina que ves un coche que va a 100 km/h. De repente enciende sus luces. Pues bien, la velocidad de la luz de los faros no será 100 km/h + 300 000 km/s, sino simplemente 300 000 km/s, que es la velocidad de la luz en todas las partes del Universo. - Otras consecuencias que no son del nivel de este curso. Einstein dio pruebas de que su teoría funcionaba, y actualmente se toma como la base de muchas otras teorías y conceptos de nuestro Universo 11

Lo que sabemos sobre el Universo en la actualidad. La mayor parte de lo que se sabe hoy sobre el Universo son consecuencias de teorías modernas desarrolladas durante la primera mitad del s. XX: La Teoría de la Relatividad y la Mecánica Cuántica (el estudio de las partículas más pequeñas que forman la materia, como el protón, el neutrón y el electrón). Las leyes de Kepler y de Newton aún siguen utilizándose en algunos cálculos por ordenador. En resumen, lo que sabemos del Universo es que: a) Las galaxias y los demás objetos que forman el Universo se alejan unos de los otros. Vivimos en un Universo en expansión. Esta idea fue confirmada primero por E. Hubble y en la actualidad se ha confirmado muchas veces analizando la luz de las estrellas (desplazamiento hacia el rojo o Red Shift). b) Como consecuencia de lo anterior tenemos la idea de un inicio del Universo. En efecto, si el Universo se expande es porque antes estuvo comprimido en un punto: El Universo nació de este punto y ahora vivimos en un periodo en el que los objetos que forman el Universo se alejan unos de otros. Los científicos se han unido y han logrado elaborar una teoría lógica de cómo sería este principio: Nace así la teoría del BIG BANG. Un hecho importante que confirma la teoría del Big Bang es que dos científicos, A. Penzias y R. Wilson, lograron detectar la radiación cósmica de fondo, es decir el eco de la supuesta explosión inicial. Además, la sonda WMAP ha realizado un mapa del eco del Big Bang. Todo parece indicar que la teoría del Big Bang es la correcta. Nuestro Universo se expande. Incluso se ha detectado y medido los ecos de la explosión inicial. 12

c) En un apartado de la Teoría de la Relatividad General aparece la predicción de los agujeros negros. Einstein no explica demasiado sobre estos agujeros negros, tan solo que son alteraciones de las leyes de la Naturaleza tal y como la conocemos. Un agujero negro: Einstein solamente dice que es una rotura del espacio y del tiempo. Es totalmente compatible con la Teoría de la Relatividad: De él nada puede escapar. Actualmente sabemos que cuando una estrella gigante muere, es posible que su núcleo se comprima hasta crear un agujero negro: Una rotura del espacio y del tiempo ; un objeto que engulle todo lo que encuentra a su alrededor y del que la luz no puede escapar. d) Los científicos han sido capaces de crear un Big Bang artificial en los aceleradores de partículas, gracias a los avances en Mecánica Cuántica. Efectivamente, en un acelerador de partículas se aceleran dos partículas (dos protones, por ejemplo) hasta velocidades cercanas a la de la luz, para posteriormente hacerlas chocar frontalmente. la explosión producida es tan violenta y libera tanta energía que produce un mini Big Bang. 13

En un acelerador de partículas se aceleran las partículas hasta velocidades cercanas a las de la luz. Cuando chocan se recrea un mini Big Bang. En los aceleradores de partículas se han podido averiguar muchísimas cosas sobre nuestra Naturaleza: Una de las más importantes es, quizás, que hemos averiguado que el Universo está gobernado por 4 fuerzas: La gravedad (explica la caída de los cuerpos), la electromagnética (explica los fenómenos eléctricos y magnéticos), la nuclear fuerte (explica porqué los núcleos de los átomos están unidos) y la nuclear débil (explica porqué se desintegran las cosas). Los científicos aseguran que estas 4 fuerzas estaban unidas en una superfuerza al inicio del Big bang, por lo que esperan encontrarla en futuro. 14

Las 4 fuerzas que gobiernan nuestro Universo. Newton y Einstein solamente hablaban de la gravedad en sus teorías, sin embargo hay otros científicos importantes que han revolucionado nuestra forma de ver la Naturaleza.. 15