Evolución de los Modelos Cosmológicos y Leyes Fundamentales de la Física

De la Tierra al Cosmos: Un Viaje por la Historia de la Astronomía y la Física

Este documento explora la evolución de las ideas sobre la estructura del universo y las leyes fundamentales que rigen el movimiento de los cuerpos celestes, desde las concepciones antiguas hasta los descubrimientos de la física clásica.

Modelos Cosmológicos Antiguos: Geocentrismo

El geocentrismo sostiene que la Tierra está en el centro del universo, inmóvil, y que los demás planetas y satélites giran alrededor de ella.

Aristóteles y la Física Terrestre

Aristóteles afirmaba que el estado natural de los cuerpos es el reposo; si se mueven, es por alguna causa. También sostenía que los cuerpos más pesados caen con mayor velocidad que los menos pesados. Para Aristóteles, existen cuatro elementos: agua, aire, tierra y fuego; y el movimiento de un cuerpo depende de la resistencia del medio. Entonces, ¿qué ocurre en el vacío?

Primeros Cuestionamientos y Modelos

Platón, maestro de Aristóteles, fue una figura clave en el pensamiento filosófico. Eudoxo de Cnido, discípulo de Platón, imaginó 27 esferas concéntricas a la Tierra, y la más externa correspondía a la bóveda celeste.

Aristarco de Samos divulgó el sistema heliocéntrico (con el Sol en el centro); sin embargo, la idea fue considerada absurda y se abandonó en su época.

Ptolomeo, siglos después, contribuyó significativamente a la consolidación y desarrollo de la ideología geocéntrica, que prevalecería por más de mil años.

La Revolución Copernicana y el Heliocentrismo

La visión del universo comenzó a cambiar radicalmente con nuevas propuestas.

Nicolás Copérnico y el Sol Central

Nicolás Copérnico, en su teoría, sostenía que el Sol era el centro del universo y estaba inmóvil, y que los demás planetas y satélites giraban a su alrededor. También postuló que la Tierra tenía un satélite, la Luna, que sí giraba alrededor de la Tierra. Hizo una leve introducción al movimiento de rotación terrestre, y sus trabajos de De revolutionibus orbium coelestium no fueron publicados hasta después de su muerte.

Mártires de la Ciencia

Giordano Bruno fue quemado en la hoguera por sus ideas heliocéntricas y otras concepciones cosmológicas que desafiaban el dogma establecido.

Galileo Galilei: Observación y Experimentación

Galileo Galilei (siglos XVI-XVII) apoyó el sistema heliocéntrico. Estudió el movimiento de caída de los cuerpos. Descubrió con su telescopio los cuatro satélites de Júpiter en 1610, observó los cráteres de la Luna y las manchas solares, proporcionando evidencia crucial para el modelo heliocéntrico.

Las Leyes del Movimiento Planetario y la Gravitación Universal

Johannes Kepler y las Órbitas Elípticas

Johannes Kepler (siglos XVI-XVII) estudió teología y realizó estudios sobre astronomía, apoyándose en las ideas de Copérnico. Estudió matemáticas (geometría) y, aunque inicialmente intentó situar las órbitas celestes mediante poliedros, empezó a postular que las órbitas no eran circulares, sino elípticas.

La consecuencia de esto dio origen a tres leyes empíricas, pero con datos cuantitativos:

1. Primera Ley (Órbitas Elípticas): "Todos los planetas se mueven en órbitas elípticas alrededor del Sol, ocupando este uno de los focos."

2. Segunda Ley (Áreas Iguales): El vector posición R de cada planeta respecto al Sol barre áreas iguales en tiempos iguales.

3. Tercera Ley (Periodos y Semiejes): Los cuadrados de los periodos de revolución de los planetas alrededor del Sol son proporcionales a los cubos de los semiejes mayores de las órbitas elípticas (T² / a³ = constante).

Isaac Newton y la Gravitación Universal

Isaac Newton buscaba respuestas a las leyes de Kepler. La causa, descubrió, no era otra que la fuerza de la gravedad. Por lo tanto, Newton enunció la Ley de la Gravitación Universal, que establece que la fuerza ejercida entre dos cuerpos de masa m₁ y m₂ separados por una distancia r es proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.

Además, Newton formuló las tres leyes fundamentales del movimiento:

1. Primera Ley (Inercia): Todo cuerpo permanece en reposo o en movimiento uniforme (con velocidad constante) si no existe ninguna fuerza que interactúe con dicho cuerpo.

2. Segunda Ley (Fuerza y Aceleración): Si una fuerza interactúa con un cuerpo, esta produce una aceleración directamente proporcional a la intensidad de dicha fuerza.

3. Tercera Ley (Acción y Reacción): "Si una fuerza actúa sobre un cuerpo en un tiempo determinado, el otro cuerpo reacciona sobre el primero actuando con la misma fuerza pero de sentido contrario."

Fenómenos Cosmológicos Modernos: Desplazamiento al Rojo y Efecto Doppler

El desplazamiento al rojo (redshift) ocurre cuando, entre los cuerpos celestes (galaxias, nebulosas), mayor es el grado de desplazamiento. La distancia entre ellos, a lo largo del tiempo, se va haciendo cada vez mayor.

Mediante el efecto Doppler, se calculan velocidades entre galaxias a partir de sus respectivos desplazamientos.

Explicación: Cuando un objeto que emite luz emite una onda, esta se mueve respecto al receptor, percibiéndose una modificación de las características de la onda que depende de la velocidad relativa entre el emisor y el receptor.