Solucionario El universo para todos Este título también dispone de guía de lectura y ficha técnica www.planetalector.com -1-
Introducción (pp. 1-13) 1. Este libro trata sobre el Universo en términos de ciencia, así que no hablará de cuestiones teleológicas, es decir, de si hay o no un plan, un motivo o una finalidad para el Universo. Tampoco hablará de religión ni de mitología pues sus ámbitos de estudio trascienden el de la ciencia. 2. Cuando observamos una estrella en el firmamento lo que realmente estamos viendo es la luz que surgió de esa estrella en el pasado, hace miles de años (excepto en el caso del Sol, claro). Esa estrella podría no existir actualmente. 3. Lo que hace que el Universo sea interesante es su estructura, es decir, que es, o que creemos que es, un todo con sentido, ordenado: un cosmos. Descubrir en qué consiste este orden es lo que apasiona a la mente humana. 4. Ejercicio de interpretación gráfica. Una historia de las cosmologías (pp. 14-44) 1. Babilonios y egipcios tenían una visión mítica del Universo, es decir, que atribuían los fenómenos naturales a la acción de personificaciones divinas y no aplicaban la explicación racional para conocer las causas de los fenómenos. 2. Los primeros filósofos eran también cosmólogos pues formularon hipótesis sobre el orden universal. La novedad radica en que se desmarcan de la explicación mitológica de los fenómenos, en que sólo aceptan principios materiales como causa explicativa de los fenómenos y en que usan la razón de forma sistematizada. 3. Aristóteles parte de varias ideas básicas: la primera, que el Universo tiene que ser finito ya que si el Universo es algo concreto (que existe en el plano real, que no es abstracto) tiene que tener, como todo objeto, límites (forma). En segundo lugar tiene que ser circular, pues el círculo es la forma perfecta y, además, es la forma aparente de los movimientos de los cuerpos celestes. En tercer lugar, que cada elemento tiende hacia el lugar que le corresponde «por naturaleza»; esto marca claramente la disposición de los objetos en el cosmos y, lo que es más importante, impide (o hace innecesario) que se pueda desarrollar una ley universal de la gravitación. www.planetalector.com -2-
4. Ya desde Apolunio de Perga aparecer la necesidad de perfeccionar los cálculos de los movimientos de los cuerpos celestes que no cuadraban con la simple circunferencia que propone Aristóteles. Para corregir esto sin que se derrumbe el sistema geocéntrico, se supone a cada astro un movimiento circular sobre la línea de su órbita, lo cual permite un cálculo más aproximado a la observación de los fenómenos. Estos movimientos circulares son los epiciclos. 5. Reflexión y respuesta libre. 6. Copérnico desplaza la Tierra del centro del Sistema Solar, de modo que determina no solo que la Tierra no es el centro del Sistema, ni del Universo, sino más bien que no parece que tenga por qué haber un centro del Universo. Es el primer paso hacia un Universo infinito. 7. En primer lugar desplaza la idea del movimiento circular para establecer que debe de ser elíptico, aunque científicos como Galileo no le presten mucha atención en su momento. También determina las velocidades de las órbitas de los planetas respecta al Sol, y la variación de esta velocidad a lo largo del recorrido orbital. 8. Galileo, al observar con su telescopio la Luna, descubre que está hecha como la Tierra, de rocas, montañas y valles; observa también las lunas de Júpiter y manchas en el Sol. Así, si los cuerpos celestes están hechos de materiales similares a los terrestres, la división cualitativa aristotélica entre el Mundo Supralunar (y divino, incorruptible y eterno) y el Sublunar (y terrenal, donde la generación y la destrucción son la constante) pierde definitivamente todo sentido. 9. Búsqueda de información y exposición. 10. El descubrimiento de Urano es un caso claro de cómo el progreso técnico influye en la visión y el conocimiento que tenemos del Universo. Así, la posibilidad de perfeccionar las ópticas y de construir un gran telescopio posibilitó el descubrimiento de nuevas características del planeta Urano. Las galaxias y el Big Bang (pp. 45-62) 1. Hasta 1920, con las observaciones de Shapley, no es posible trazar un mapa de la Vía Láctea y situar el Sol en una zona externa e la misma. Esto, sumado a la identificación de las nebulosas como galaxias con sistemas estelares, destruye la posibilidad de identificar un centro del Universo, como apuntaba ya la propuesta copernicana. www.planetalector.com -3-
2. Búsqueda de imágenes. 3. Hubble descubre que las galaxias se separan las unas de las otras a una velocidad directamente proporcional a la distancia que hay entre ellas. Esto significa que en el pasado las galaxias estaban más cerca, de lo que se deduce que el Universo está en expansión y que, si la física actual se corresponde con la realidad, hubo un momento en que no había galaxias y en que toda la materia estaba comprimida. 4. Curiosamente, el astrofísico británico Fred Hoyle, acérrimo defensor de la tesis del Universo estacionario y, por tanto, contrario a la teoría del Big Bang, fue quien introdujo el término con la intención de ironizar sobre dicha teoría, consiguiendo así que se popularizara el nombre. 5. Según la «teoría del Universo estacionario» el Universo está siempre, en general, igual. Esto es así porque, aunque si que hay expansión, y esto tendría que provocar una disminución de la densidad, queda compensado por una creación continua de materia a un ritmo constante. 6. Fue el descubrimiento, en 1952, por parte de Walter Baade, de que «el tiempo transcurrido desde el Big Bang parece haber sido mayor que 5.000 millones de años: lo suficiente para que tuviera lugar la evolución de la Vía Láctea, el Sol y la Tierra» (p. 59). 7. Como se ha dicho antes, la ciencia no tiene datos sobre el origen del Universo y no hay ninguna prueba ni a favor ni en contra de la existencia sempiterna del mismo; esto, por ahora, queda más allá de los dominios de la ciencia. Preguntarse por el tiempo transcurrido desde el Big Bang si que es una pregunta científica, y su respuesta dependerá de la velocidad a la que se esté expandiendo el Universo. Actualmente, el tiempo transcurrido se estima en unos 13.700 millones de años. Leyes de la naturaleza (pp. 63-147) 1. Descartes entendía que el Universo funciona sin ninguna intervención externa. Aún siendo creyente, no admitía a Dios ninguna acción sobre el mundo más allá de la creación y su impulso inicial (un empujoncito divino que se puede equiparar al Big Bang). Desde ese momento el mundo funciona como una máquina de precisión, de ahí el término «mecanicismo», y todo lo que ay en él responda a las leyes de la mecánica. www.planetalector.com -4-
2. Tal como se expone en la página 66, las dos teorías fundamentales que formulan las leyes físicas son la relatividad general y la mecánica cuántica. 3. Interpretación gráfica de una explicación que puede compararse posteriormente con información adicional. 4. El número atómico nos indica la cantidad de protones que tiene el núcleo del átomo y, a su vez, también cuantos electrones tiene a su alrededor ya que el número de electrones y de protones es el mismo. 5. Según la fórmula expresada por la teoría de la relatividad de Einstein E=mc², en la fusión de los núcleos de hidrógeno que se produce dentro de una estrella y que forma un núcleo con menos masa, se debe liberar esa diferencia en forma de energía, que es irradiada por la estrella. 6. De menos frecuencia a más, encontramos las ondas de radio, microondas, rayos T, radiación infrarroja, luz visible, luz ultravioleta, rayos X y rayos gamma. 7. Siguiendo la fórmula que las relaciona frecuencia x longitud de onda = C (C es la velocidad de la luz, es decir, C = 299.792.458 m/s) se deduce que su relación es inversamente proporcional: como mayor sea una, menor será la otra. 8. El efecto Doppler es el fenómeno que experimentamos cuando pasa ante nosotros una ambulancia con la sirena encendida: cuando se acerca las ondas son más cortas, y cuando se aleja más largas, provocando esto una variación en la altura del sonido. En el caso de la luz, el desplazamiento de las líneas de absorción en un espectro de luz captada de objetos en el espacio, hacia el rojo (es decir, hacia donde la longitud de onda es más larga) muestra que estos objetos se alejan. El desplazamiento hacia el azul, donde la longitud disminuye, muestra que se acercan. 9. Esta ecuación permite que los fenómenos con velocidades muy alejadas de la velocidad de la luz se comporten prácticamente como en la física clásica. Pero para velocidades mayores, más cercanas a la de la luz, la masa del objeto varía considerablemente. Así, un objeto que se desplace al 10% de la velocidad de la luz, verá incrementada su masa tan sólo en un 0,5%, mientras que a un 90% de la velocidad de la luz, su masa sería más del doble que cuando está en reposo. 10. Tal como se expone en la página 90, «la ley de Newton dice que cualquier objeto atrae a cualquier otro con una fuerza proporcional a sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos». www.planetalector.com -5-
11. La masa es un valor constante en un cuerpo que representa la resistencia que este ofrece a ser acelerado (es decir, a alterar su estado actual de movimiento o reposo). Por su parte, el peso depende de la «aceleración debida a la gravedad», es decir, de la atracción gravitatoria del lugar en el que estemos. Así, mientras que la masa de un objeto sería la misma en cualquier parte, el peso variará dependiendo de la gravedad. 12. Tal como ser expone en la página 94 del libre, la ley de la gravedad y la ley del movimiento permiten la sustitución de la fuerza por su equivalente ma (masa x aceleración) y esto permite anular la masa del objeto que cae, de modo que la misma fórmula sobre la aceleración se aplicaría a todos los objetos. 13. El «principio de equivalencia» establece que no se pueden distinguir los efectos de la gravedad y los de la inercia, es decir, que gravedad y aceleración se comportan, a efectos de lo que sucede dentro del sistema móvil, como un mismo fenómeno. 14. Se supone que un agujero negro es una estrella con una masa tan enorme que los fotones de luz que despide se ven atraídos nuevamente hacia ella, impidiendo la propagación de la luz más allá de su campo gravitatorio, ya que su velocidad de escape es superior a la de la luz. 15. Representación gráfica. 16. Búsqueda de información. 17. La teoría cuántica es «la base de las teorías sobre partículas elementales, átomos y núcleos» (p. 113) 18. El tiempo de Planck es el límite temporal de nuestra comprensión del Universo, es lo más atrás en el tiempo que puede ir la física actual. En este tiempo el Universo tenía la densidad de Planck (10 96 veces la del agua) y su duración es ínfima (10-43 segundos). 19. Los modelos de Friedmann son modelos matemáticos que explican la distribución de la materia en expansión pero sin tener en cuenta la estructura del Universo. 20. Los modelos fe Friedmann satisfacen el principio cosmológico, de modo que, se mire donde se mire, el Universo se ve homogéneo e isótropo. www.planetalector.com -6-
21. Según el modelo estándar, se dan las siguientes fases en la expansión y evolución del Universo: primeros segundos de gran temperatura sin subsistencia de núcleos atómicos; enfriamiento de la materia por expansión; a partir del primer minuto empieza la «nucleosíntesis», es decir, la formación de los núcleos de los primeros átomos de deuterio, helio y litio; a los 300.000 años de tiempo cósmico se genera el hidrógeno; posteriormente se forman las galaxias y las estrellas hasta llegar al estado actual del Universo. 22. Tal como se explica en la página 129, dependiendo de la densidad de la materia que conforma el Universo, llegará un momento en que si es lo bastante alta, el Universo podrá dejar de expandirse y, a causa de la fuerza de la gravedad, tenderá al colapso. Y si la densidad no es suficientemente alta, el Universo seguirá expandiéndose sin límite en el tiempo. El primer tipo de Universo recibe el nombre de Universo cerrado, mientras que el segundo es de tipo abierto. 23. El uso de satélites permite captar radiaciones que, de otro modo, serían absorbidas por la atmósfera terrestre y por tanto, serían indetectables. 24. Arno Penzias y Robert Wilson, ganadores del Nobel de física en 1978, escucharon por primera vez, en 1965 la radiación cósmica de fondo (también conocida como fondo cósmico de microondas o CMB) predicha ya en 1948 por Gamow, Alpher y Hermann. Esta radiación es un residuo isotrópico procedente del momento en que el Universo tenía unos 400.000 años desde el Big Bang. 25. El Wilkinso Microwave Anisotropy Prove o WMAP calcula una edad de 13.700 millones de años para el Universo, y una densidad total cercana al «valor crítico». También describe el contenido del Universo en un 4,4% de materia ordinaria, un 22% de materia oscura fría y un 73% de energía oscura. 26. El «problema del horizonte» parece solucionarse con la teoría de la inflación iniciada por Alan Guth en 1981. Esta teoría ofrece un modelo en que la expansión inicial posterior al tiempo de Planck habría permitido que todas las partes se hubiesen comunicado durante suficiente tiempo para que se estableciera la homogeneidad y la isotropía material. 27. Se trata de una suposición derivada de modelos inflacionarios según lo cual se habrían podido producir «infinidad de universos de bolsillo, cuyos respectivos habitantes nunca serían capaces de observar nada de los otros» (p. 146). www.planetalector.com -7-
28. Afirmar que se deduce un principio cosmológico significa que se trata de una implicación que se deriva de forma lógica del modelo matemático usado para establecer el principio. Suponerlo sería lanzar una hipótesis más o menos plausible sobre su realidad. Conclusiones (pp. 148-176) 1. Se cree que con una adecuada combinación de estas dos teorías se podrá entender y describir el Universo antes del tiempo de Planck. En este sentido, uno de los intentos más importantes es la teoría de cuerdas. 2. Según la teoría de cuerdas, las partículas elementales que tradicionalmente eran consideradas puntuales, son en realidad el producto de la vibración de objetos unidimensionales con forma alargada. 3. Búsqueda de información y exposición de la misma. 4. Respuesta libre. 5. Nuestra visión del Universo tiene su límite espacial en una esfera con un radio de 40.000 millones de años luz llamado «volumen de Hubble». Temporalmente, como se ha dicho, en el «tiempo de Planck». 6. Resumen y valoración libre. Una propuesta más 1. Búsqueda de información y exposición de la misma. www.planetalector.com -8-