2.4: El nacimiento de la astronomía moderna
- Page ID
- 127833
objetivos de aprendizaje
Al final de la sección, podrás:
- Explicar cómo Copérnico desarrolló el modelo heliocéntrico del sistema solar
- Explicar el modelo copernicano del movimiento planetario y describir evidencias o argumentos a favor del mismo
- Describir los descubrimientos de Galileo sobre el estudio del movimiento y las fuerzas
- Explicar cómo los descubrimientos de Galileo inclinaron la balanza de evidencias a favor del modelo copernicano
La astronomía no logró grandes avances en la Europa medieval devastada por las luchas. El nacimiento y expansión del Islam después del siglo VII condujo a un florecimiento de las culturas árabe y judía que conservaron, tradujeron y agregaron a muchas de las ideas astronómicas de los griegos. Muchos de los nombres de las estrellas más brillantes, por ejemplo, están hoy tomados del árabe, al igual que términos astronómicos como “cenit”.
A medida que la cultura europea comenzó a emerger de su larga y oscura edad, el comercio con países árabes llevó a un redescubrimiento de textos antiguos como Almagest y a un despertar del interés por las cuestiones astronómicas. Esta época de renacimiento (en francés, “renacimiento”) en astronomía se plasmó en la obra de Copérnico (Figura\(\PageIndex{1}\)).
Copérnico
Uno de los acontecimientos más importantes del Renacimiento fue el desplazamiento de la Tierra del centro del universo, una revolución intelectual iniciada por un clérigo polaco en el siglo XVI. Nicolás Copérnico nació en Torun, un pueblo mercantil a lo largo del río Vístula. Su formación fue en derecho y medicina, pero sus principales intereses fueron la astronomía y las matemáticas. Su gran contribución a la ciencia fue una reevaluación crítica de las teorías existentes del movimiento planetario y el desarrollo de un nuevo modelo del sistema solar centrado en el Sol, o heliocéntrico. Copérnico concluyó que la Tierra es un planeta y que todos los planetas rodean al Sol. Sólo la Luna orbita a la Tierra (Figura\(\PageIndex{2}\)).
Copérnico describió sus ideas en detalle en su libro De Revolutionibus Orbium Coelestium (Sobre la revolución de los orbes celestiales), publicado en 1543, año de su muerte. Para entonces, el viejo sistema ptolemaico necesitaba ajustes significativos para predecir correctamente las posiciones de los planetas. Copérnico quería desarrollar una teoría mejorada a partir de la cual calcular las posiciones planetarias, pero al hacerlo, él mismo no estaba libre de todos los prejuicios tradicionales.
Comenzó con varias suposiciones que eran comunes en su tiempo, como la idea de que los movimientos de los cuerpos celestes deben estar conformados por combinaciones de movimientos circulares uniformes. Pero no asumió (como lo hizo la mayoría de la gente) que la Tierra tenía que estar en el centro del universo, y presentó una defensa del sistema heliocéntrico que era elegante y persuasivo. Sus ideas, aunque no fueron ampliamente aceptadas hasta más de un siglo después de su muerte, fueron muy discutidas entre los estudiosos y, en última instancia, tuvieron una profunda influencia en el curso de la historia mundial.
Una de las objeciones planteadas a la teoría heliocéntrica fue que si la Tierra se estuviera moviendo, todos sentiríamos o sentiríamos este movimiento. Los objetos sólidos serían arrancados de la superficie, una bola caída desde una gran altura no golpearía el suelo directamente debajo de él, y así sucesivamente. Pero una persona en movimiento no es necesariamente consciente de ese movimiento. Todos hemos experimentado ver que un tren, autobús o barco adyacente parece moverse, solo para descubrir que somos nosotros los que nos estamos moviendo.
Copérnico argumentó que el aparente movimiento del Sol sobre la Tierra durante el transcurso de un año podría ser representado igualmente bien por un movimiento de la Tierra alrededor del Sol. También razonó que la aparente rotación de la esfera celeste podría explicarse asumiendo que la Tierra gira mientras la esfera celeste está estacionaria. A la objeción de que si la Tierra girara alrededor de un eje volaría en pedazos, Copérnico respondió que si tal movimiento destrozaría a la Tierra, el movimiento aún más rápido de la esfera celeste mucho más grande requerida por la hipótesis geocéntrica sería aún más devastador.
El modelo heliocéntrico
La idea más importante en De Revolutionibus de Copérnico es que la Tierra es uno de los seis planetas (entonces conocidos) que giran alrededor del Sol. Utilizando este concepto, pudo elaborar el cuadro general correcto del sistema solar. Colocó los planetas, comenzando más cerca del Sol, en el orden correcto: Mercurio, Venus, Tierra, Marte, Júpiter y Saturno. Además, dedujo que cuanto más cerca está un planeta del Sol, mayor es su velocidad orbital. Con su teoría, pudo explicar los complejos movimientos retrógrados de los planetas sin epiciclos y elaborar una escala más o menos correcta para el sistema solar.
Copérnico no pudo probar que la Tierra gira alrededor del Sol. De hecho, con algunos ajustes, el viejo sistema ptolemaico podría haber contabilizado, también, los movimientos de los planetas en el cielo. Pero Copérnico señaló que la cosmología ptolemaica era torpe y carecía de la belleza y simetría de su sucesor.
En la época de Copérnico, de hecho, pocas personas pensaban que había formas de probar si el sistema heliocéntrico o el sistema geocéntrico más antiguo era correcto. Una larga tradición filosófica, que se remonta a los griegos y defendida por la Iglesia Católica, sostenía que el pensamiento humano puro combinado con la revelación divina representaba el camino hacia la verdad. La naturaleza, revelada por nuestros sentidos, era sospechosa. Por ejemplo, Aristóteles había razonado que los objetos más pesados (teniendo más de la calidad que los hacía pesados) debían caer a la Tierra más rápido que los más ligeros. Esto es absolutamente incorrecto, como lo demuestra cualquier simple experimento dejando caer dos bolas de diferentes pesos. No obstante, en la época de Copérnico, los experimentos no llevaban mucho peso (si vas a perdonar la expresión); el razonamiento de Aristóteles era más convincente.
En este entorno, había poca motivación para llevar a cabo observaciones o experimentos para distinguir entre teorías cosmológicas en competencia (o cualquier otra cosa). No debería sorprendernos, pues, que la idea heliocéntrica se debatiera durante más de medio siglo sin que se aplicara ninguna prueba para determinar su validez. (De hecho, en las colonias norteamericanas, el sistema geocéntrico más antiguo todavía se enseñaba en la Universidad de Harvard en los primeros años después de su fundación en 1636.)
Contraste esto con la situación actual, cuando los científicos se apresuran a probar cada nueva hipótesis y no aceptan ninguna idea hasta que lleguen los resultados. Por ejemplo, cuando dos investigadores de la Universidad de Utah anunciaron en 1989 que habían descubierto una manera de lograr la fusión nuclear (el proceso que alimenta a las estrellas) a temperatura ambiente, otros científicos de más de 25 laboratorios alrededor de Estados Unidos intentaron duplicar la “fusión fría” dentro de unos pocos semanas—sin éxito, como resultó. La teoría de la fusión fría pronto cayó en llamas.
¿Cómo veríamos hoy el modelo de Copérnico? Cuando se propone una nueva hipótesis o teoría en la ciencia, primero se debe verificar su consistencia con lo que ya se conoce. La idea heliocéntrica de Copérnico supera esta prueba, ya que permite calcular las posiciones planetarias al menos así como la teoría geocéntrica. El siguiente paso es determinar qué predicciones hace la nueva hipótesis que difieren de las de ideas en competencia. En el caso de Copérnico, un ejemplo es la predicción de que, si Venus da vueltas al Sol, el planeta debería pasar por toda la gama de fases tal como lo hace la Luna, mientras que si da vueltas a la Tierra, no debería (Figura\(\PageIndex{3}\)). Además, no deberíamos poder ver la fase completa de Venus desde la Tierra porque el Sol estaría entonces entre Venus y la Tierra. Pero en esos días, antes del telescopio, nadie imaginaba probar estas predicciones.
Esta animación muestra las fases de Venus. También se puede ver su distancia de la Tierra mientras orbita al Sol.
Galileo y el comienzo de la ciencia moderna
Muchos de los conceptos científicos modernos de observación, experimentación y prueba de hipótesis a través de cuidadosas mediciones cuantitativas fueron pioneros por un hombre que vivió casi un siglo después de Copérnico. Galileo Galilei (Figura\(\PageIndex{4}\)), contemporáneo de Shakespeare, nació en Pisa. Al igual que Copérnico, comenzó a formarse para una carrera de medicina, pero tuvo poco interés en el tema y posteriormente pasó a las matemáticas. Ocupó cargos de facultad en la Universidad de Pisa y la Universidad de Padua, y finalmente se convirtió en matemático del Gran Duque de Toscana en Florencia.
Los mayores aportes de Galileo fueron en el campo de la mecánica, el estudio del movimiento y las acciones de las fuerzas sobre los cuerpos. Era familiar para todas las personas entonces, como lo es para nosotros ahora, que si algo está en reposo, tiende a permanecer en reposo y requiere alguna influencia externa para ponerlo en movimiento. Por lo tanto, el descanso se consideraba generalmente como el estado natural de la materia. Galileo demostró, sin embargo, que el descanso no es más natural que el movimiento.
Si un objeto se desliza a lo largo de un piso horizontal rugoso, pronto llega a descansar porque la fricción entre él y el piso actúa como una fuerza retardante. Sin embargo, si el suelo y el objeto están ambos altamente pulidos, el objeto, dada la misma velocidad inicial, se deslizará más lejos antes de detenerse. Sobre una capa lisa de hielo, se deslizará aún más lejos. Galileo razonó que si se pudieran eliminar todos los efectos de resistencia, el objeto continuaría en un estado estacionario de movimiento indefinidamente. Argumentó que se requiere de una fuerza no sólo para iniciar un objeto que se mueve desde el reposo sino también para ralentizar, detener, acelerar o cambiar la dirección de un objeto en movimiento. Esto lo agradecerá si alguna vez ha intentado detener un automóvil rodante apoyándose contra él, o un bote en movimiento tirando de una línea.
Galileo también estudió la forma en que los objetos aceleran —cambian su velocidad o dirección de movimiento. Galileo observó objetos mientras caían libremente o rodaban por una rampa. Encontró que tales objetos aceleran uniformemente; es decir, en intervalos de tiempo iguales ganan incrementos iguales en velocidad. Galileo formuló estas nuevas leyes en términos matemáticos precisos que permitieron a los futuros experimentadores predecir hasta qué punto y qué tan rápido se moverían los objetos en varios períodos de tiempo.
Confirmación
En teoría, si Galileo tiene razón, una pluma y un martillo, caídos al mismo tiempo desde una altura, deberían aterrizar en el mismo momento. En la Tierra, este experimento no es posible porque la resistencia del aire y los movimientos del aire hacen que la pluma aletee, en lugar de caer directamente hacia abajo, acelerada sólo por la fuerza de la gravedad. Durante generaciones, los profesores de física habían dicho que el lugar para probar este experimento es en algún lugar donde no hay aire, como la Luna. En 1971, el astronauta del Apolo 15 David Scott llevó un martillo y una pluma a la Luna y lo probó, para deleite de los nerds de la física en todas partes. NASA proporciona el video del martillo y la pluma así como una breve explicación
Figura de video\(\PageIndex{1}\): Martillo versus pluma en la luna Crédito de la imagen: Apollo 15 Crew, NASA
En algún momento de la década de 1590, Galileo adoptó la hipótesis copernicana de un sistema solar heliocéntrico. En la Italia católica romana, esta no era una filosofía popular, pues las autoridades de la Iglesia aún sostenían las ideas de Aristóteles y Ptolomeo, y tenían poderosas razones políticas y económicas para insistir en que la Tierra era el centro de la creación. Galileo no solo desafió este pensamiento sino que también tuvo la audacia de escribir en italiano más que en latín académico, y dar conferencias públicas sobre esos temas. Para él, no había contradicción entre la autoridad de la Iglesia en materia de religión y moralidad, y la autoridad de la naturaleza (revelada por experimentos) en materia de ciencia. Fue principalmente por Galileo y sus opiniones “peligrosas” que, en 1616, la Iglesia emitió un decreto de prohibición en el que establecía que la doctrina copernicana era “falsa y absurda” y no debía ser retenida o defendida.
Observaciones astronómicas de Galileo
No es seguro quién primero concibió la idea de combinar dos o más piezas de vidrio para producir un instrumento que ampliara imágenes de objetos distantes, haciéndolos parecer más cercanos. Los primeros “espías” de este tipo (ahora llamados telescopios) que atrajeron mucha atención fueron hechos en 1608 por el fabricante de espectáculos holandés Hans Lippershey (1570—1619). Galileo se enteró del descubrimiento y, sin haber visto nunca un telescopio ensamblado, construyó uno de los suyos con un aumento de tres potencias (3×), lo que hizo que los objetos distantes aparecieran tres veces más cercanos y más grandes (Figura\(\PageIndex{5}\)).
El 25 de agosto de 1609, Galileo demostró un telescopio con una ampliación de 9× a funcionarios gubernamentales de la ciudad-estado de Venecia. Por un aumento de 9×, queremos decir que las dimensiones lineales de los objetos que se ven aparecieron nueve veces más grandes o, alternativamente, los objetos aparecieron nueve veces más cerca de lo que realmente estaban. Había evidentes ventajas militares asociadas con un dispositivo para ver objetos distantes. Por su invención, el salario de Galileo casi se duplicó, y se le concedió el mandato vitalicio como profesor. (Sus compañeros universitarios estaban indignados, sobre todo porque la invención ni siquiera era original).
Otros habían usado el telescopio antes de Galileo para observar cosas en la Tierra. Pero en un destello de perspicacia que cambió la historia de la astronomía, Galileo se dio cuenta de que podía girar el poder del telescopio hacia los cielos. Antes de utilizar su telescopio para observaciones astronómicas, Galileo tuvo que idear una montura estable y mejorar la óptica. Aumentó el aumento a 30×. Galileo también necesitaba adquirir confianza en el telescopio.
En ese momento, se creía que los ojos humanos eran el árbitro final de la verdad sobre el tamaño, la forma y el color. Se sabía que lentes, espejos y prismas distorsionaban las imágenes distantes al ampliarlas, reducirlas o invertirlas, o difundiendo la luz en un espectro (arco iris de colores). Galileo emprendió repetidos experimentos para convencerse de que lo que vio a través del telescopio era idéntico a lo que vio de cerca. Sólo entonces podría comenzar a creer que los fenómenos milagrosos que el telescopio reveló en los cielos eran reales.
Comenzando su trabajo astronómico a finales de 1609, Galileo descubrió que muchas estrellas demasiado débiles para ser vistas a simple vista se hicieron visibles con su telescopio. En particular, encontró que algunos borrones nebulosos se resolvieron en muchas estrellas, y que la Vía Láctea —la franja de blancura a través del cielo nocturno— también estaba compuesta por una multitud de estrellas individuales.
Al examinar los planetas, Galileo encontró cuatro lunas que giraban alrededor de Júpiter en tiempos que iban desde poco menos de 2 días hasta aproximadamente 17 días. Este descubrimiento fue particularmente importante porque demostró que no todo tiene que girar alrededor de la Tierra. Además, demostró que podría haber centros de movimiento que están ellos mismos en movimiento. Los defensores de la visión geocéntrica habían argumentado que si la Tierra estaba en movimiento, entonces la Luna se quedaría atrás porque difícilmente podría mantenerse al día con un planeta que se mueve rápidamente. Sin embargo, aquí estaban las lunas de Júpiter haciendo exactamente eso. (Para reconocer este descubrimiento y honrar su trabajo, la NASA nombró a una nave espacial que exploró el sistema de Júpiter Galileo.)
Con su telescopio, Galileo pudo llevar a cabo la prueba de la teoría copernicana mencionada anteriormente, basada en las fases de Venus. A los pocos meses, había encontrado que Venus pasa por fases como la Luna, demostrando que debe girar alrededor del Sol, para que veamos diferentes partes de su lado diurno en diferentes momentos (Figura\(\PageIndex{3}\)). Estas observaciones no pudieron conciliarse con el modelo de Ptolomeo, en el que Venus dio vueltas alrededor de la Tierra. En el modelo de Ptolomeo, Venus también podía mostrar fases, pero eran las fases equivocadas en el orden equivocado a partir de lo que Galileo observó.
Galileo también observó la Luna y vio cráteres, cadenas montañosas, valles y áreas planas y oscuras que pensó que podrían ser agua. Estos descubrimientos mostraron que la Luna podría no ser tan diferente de la Tierra, lo que sugiere que la Tierra también podría pertenecer al reino de los cuerpos celestes.
Para obtener más información sobre la vida y obra de Galileo, consulte el Proyecto Galileo en la Universidad Rice.
Después del trabajo de Galileo, se hizo cada vez más difícil negar la visión copernicana, y la Tierra fue lentamente destronada de su posición central en el universo y se le dio el lugar que le corresponde como uno de los planetas que asistían al Sol. Inicialmente, sin embargo, Galileo se encontró con mucha oposición. La Iglesia Católica Romana, que aún se tambalea de la Reforma Protestante, buscaba hacer valer su autoridad y optó por hacer un ejemplo de Galileo. Tuvo que comparecer ante la Inquisición para responder a los cargos de que su trabajo era herético, y finalmente fue condenado a arresto domiciliario. Sus libros estuvieron en la lista prohibida de la Iglesia hasta 1836, aunque en países donde la Iglesia Católica Romana tenía menos influencia, fueron ampliamente leídos y discutidos. No hasta 1992 la Iglesia Católica admitió públicamente que se había equivocado en materia de censurar las ideas de Galileo.
Las nuevas ideas de Copérnico y Galileo iniciaron una revolución en nuestra concepción del cosmos. Finalmente se hizo evidente que el universo es un lugar vasto y que el papel de la Tierra en él es relativamente poco importante. La idea de que la Tierra se mueve alrededor del Sol como los otros planetas planteó la posibilidad de que pudieran ser mundos mismos, tal vez incluso apoyando la vida. Como la Tierra fue degradado de su posición en el centro del universo, también lo fue la humanidad. El universo, a pesar de lo que podamos desear, no gira a nuestro alrededor.
La mayoría de nosotros damos por sentado estas cosas hoy, pero hace cuatro siglos tales conceptos eran aterradores y heréticos para algunos, inmensamente estimulantes para otros. Los pioneros del Renacimiento iniciaron el mundo europeo por el camino hacia la ciencia y la tecnología que todavía pisamos hoy en día. Para ellos, la naturaleza era racional y en última instancia cognoscible, y los experimentos y observaciones proporcionaban los medios para revelar sus secretos.
OBSERVACIÓN DE LOS PLANETAS
A lo sumo a cualquier hora de la noche, y en cualquier estación del año, puedes avistar uno o más planetas brillantes en el cielo. Los cinco planetas conocidos por los antiguos —Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno— son más prominentes que cualquiera excepto las estrellas más brillantes, y se pueden ver incluso desde ubicaciones urbanas si sabes dónde y cuándo mirar. Una forma de distinguir a los planetas de las estrellas brillantes es que los planetas centelleen menos.
Venus, que permanece cerca del Sol desde nuestra perspectiva, aparece ya sea como una “estrella vespertina” en el oeste después del atardecer o como una “estrella matutina” en el este antes del amanecer. Es el objeto más brillante del cielo después del Sol y la Luna. Eclilla con creces a cualquier estrella real, y bajo las circunstancias más favorables, incluso puede proyectar una sombra visible. Algunos jóvenes reclutas militares han intentado derribar a Venus como una nave enemiga o OVNI que se aproxima.
Marte, con su distintivo color rojo, puede ser casi tan brillante como Venus cuando está cerca de la Tierra, pero normalmente permanece mucho menos llamativo. Júpiter suele ser el segundo planeta más brillante, aproximadamente igualando en brillo a las estrellas más brillantes. Saturno es más tenue, y varía considerablemente en brillo, dependiendo de si sus anillos grandes se ven casi al borde (desmayo) o más ampliamente abiertos (brillantes).
Mercurio es bastante brillante, pero pocas personas lo notan porque nunca se aleja mucho del Sol (nunca está a más de 28° de distancia en el cielo) y siempre se ve contra los brillantes cielos crepusculares.
Fieles a su nombre, los planetas “vagan” contra el fondo de las estrellas “fijas”. Aunque sus aparentes movimientos son complejos, reflejan un orden subyacente sobre el cual se basó el modelo heliocéntrico del sistema solar, como se describe en este capítulo. Las posiciones de los planetas suelen aparecer en los periódicos (a veces en la página del tiempo), y cada mes se pueden encontrar mapas claros y guías de sus ubicaciones en revistas como Sky & Telescope y Astronomía (disponibles en la mayoría de las bibliotecas y en línea). También hay una serie de programas de computadora y aplicaciones para teléfonos y tabletas que te permiten mostrar dónde están los planetas cualquier noche.
Resumen
Nicolás Copérnico introdujo la cosmología heliocéntrica a la Europa renacentista en su libro De Revolutionibus. A pesar de que retuvo la idea aristotélica de un movimiento circular uniforme, Copérnico sugirió que la Tierra es un planeta y que todos los planetas circulan alrededor del Sol, destronando a la Tierra desde su posición en el centro del universo. Galileo fue el padre tanto de la física experimental moderna como de la astronomía telescópica. Estudió la aceleración de objetos en movimiento y, en 1610, comenzó las observaciones telescópicas, descubriendo la naturaleza de la Vía Láctea, los rasgos a gran escala de la Luna, las fases de Venus y cuatro lunas de Júpiter. A pesar de que fue acusado de herejía por su apoyo a la cosmología heliocéntrica, a Galileo se le atribuyen observaciones y escritos brillantes que convencieron a la mayoría de sus contemporáneos científicos de la realidad de la teoría copernicana.
Glosario
- acelerar
- para cambiar la velocidad; para acelerar, reducir la velocidad o cambiar de dirección.
- heliocéntrico
- centrado en el Sol
- Texto de Hammer y Fellow de la NASA