El descubrimiento del Universo E-Book

Shahen Hacyan

• Herausgeber: Fondo de Cultura Económica
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Spanisch

Seitenzahl: 180

Veröffentlichungsjahr: 2012

Beschreibung

Trabajo de divulgación en el que se tratan los inicios de la cosmología y el fin de los mitos acerca de supuestos seudocientíficos, y se analiza el reino de las nebulosas. También se exploran las profundidades del espacio-tiempo curvo y el mundo de las partículas elementales.

Leseprobe

El descubrimientodel Universo

Shahen Hacyan

Primera edición (La Ciencia desde México), 1986 Segunda edición (La Ciencia para Todos), 1999 Tercera edición, 2003 Cuarta edición, 2011 Segunda edición electrónica, 2012

La Ciencia para Todos es proyecto y propiedad del Fondo de Cultura Económica, al que pertenecen también sus derechos. Se publica con los auspicios de la Secretaría de Educación Pública y del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología.

D. R. © 1986, Fondo de Cultura Económica Carretera Picacho-Ajusco, 227; 14738 México, D. F. Empresa certificada ISO 9001:2008

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ISBN 978-607-16-1225-0

Hecho en México - Made in Mexico

La Ciencia para Todos

Desde el nacimiento de la colección de divulgación científica del Fondo de Cultura Económica en 1986, ésta ha mantenido un ritmo siempre ascendente que ha superado las aspiraciones de las personas e instituciones que la hicieron posible. Los científicos siempre han aportado material, con lo que han sumado a su trabajo la incursión en un campo nuevo: escribir de modo que los temas más complejos y casi inaccesibles puedan ser entendidos por los estudiantes y los lectores sin formación científica.

A los diez años de este fructífero trabajo se dio un paso adelante, que consistió en abrir la colección a los creadores de la ciencia que se piensa y crea en todos los ámbitos de la lengua española —y ahora también del portugués—, razón por la cual tomó el nombre de La Ciencia para Todos.

Del Río Bravo al Cabo de Hornos y, a través de la mar Océano, a la Península Ibérica, está en marcha un ejército integrado por un vasto número de investigadores, científicos y técnicos, que extienden sus actividades por todos los campos de la ciencia moderna, la cual se encuentra en plena revolución y continuamente va cambiando nuestra forma de pensar y observar cuanto nos rodea.

La internacionalización de La Ciencia para Todos no es sólo en extensión sino en profundidad. Es necesario pensar una ciencia en nuestros idiomas que, de acuerdo con nuestra tradición humanista, crezca sin olvidar al hombre, que es, en última instancia, su fin. Y, en consecuencia, su propósito principal es poner el pensamiento científico en manos de nuestros jóvenes, quienes, al llegar su turno, crearán una ciencia que, sin desdeñar a ninguna otra, lleve la impronta de nuestros pueblos.

Comité de Selección de obras

Dr. Antonio Alonso Dr. Francisco Bolívar Zapata Dr. Javier Bracho Dr. Juan Luis Cifuentes Dra. Rosalinda Contreras Dra. Julieta Fierro Dr. Jorge Flores Valdés Dr. Juan Ramón de la Fuente Dr. Leopoldo García-Colín Scherer Dr. Adolfo Guzmán Arenas Dr. Gonzalo Halffter Dr. Jaime Martuscelli Dra. Isaura Meza Dr. José Luis Morán López Dr. Héctor Nava Jaimes Dr. Manuel Peimbert Dr. José Antonio de la Peña Dr. Ruy Pérez Tamayo Dr. Julio Rubio Oca Dr. José Sarukhán Dr. Guillermo Soberón Dr. Elías Trabulse

A Deborah

Por fin, de celeste semilla somos todos oriundos.

LUCRECIO

Elle est retrouvée!

Quoi? L’ éternité.

C’est la mer mêlée

Au soleil.

[¡Ha sido hallada!

¿Qué? La eternidad.

Es el mar mezclado

con el Sol.]

RIMBAUD

ÍNDICE

Prólogo a la cuarta edición

Presentación de la primera edición de 1986

Nota sobre el sistema de unidades

I. Inicios de la cosmología y la cosmogonía

II. El fin de los mitos

III. El reino de las nebulosas

IV. El espacio-tiempo curvo

V. El mundo de las partículas elementales

VI. En el principio era…

VII. Los instantes iniciales

VIII. Otras teorías del Universo

IX. La evolución cósmica

X. La estructura actual del Universo

XI. Materia oscura y energía oscura

Epílogo

Bibliografía

PRÓLOGOA LA CUARTA EDICIÓN

Han pasado más de 20 años desde que apareció El descubrimiento del Universo, tiempo en que la cosmología evolucionó de manera radical. Había que actualizar este texto para incluir los grandes descubrimientos ocurridos desde la última década del siglo XX, gracias a las observaciones de muy alta precisión (radiación cósmica de fondo, distancias galácticas, etc.) y al uso de supercomputadoras para simular el movimiento de la materia en el Universo.

En pocos años, la cosmología se volvió una ciencia exacta. Con todo, cuanto más información precisa se recaba, surgen más problemas en espera de solución; por ejemplo, la existencia de una misteriosa “materia oscura” y la de una aún más misteriosa “energía oscura” que produce una expansión acelerada del Universo.

En esta nueva edición incluí los avances más recientes para poner al día un libro que ha tenido varias reediciones. Espero, de esta manera, proporcionar material actual a mis nuevos lectores. Éste se puede complementar con mi libro de 1994: Del mundo cuántico al Universo en expansión, donde el lector interesado encontrará una exposición más detallada de los temas esbozados en el capítulo V sobre los constituyentes más pequeños de la materia.

SHAHEN HACYANCiudad de México, 2010

PRESENTACIÓN DE LA PRIMERAEDICIÓN DE 1986

Shahen Hacyan Saleryan es un joven y distinguido científico mexicano de ascendencia armenia. Sus padres son artistas, por lo que bien se puede decir de él, de acuerdo con el dicho español, que su talento como astrofísico teórico y literario no lo hurta sino lo hereda y, además, lo trabaja.

Hacyan realizó sus estudios de física, hasta el nivel de licenciatura, en la Universidad Nacional Autónoma de México, y posteriormente obtuvo el doctorado en física teórica (especializada en partículas elementales) en la Universidad de Sussex, Inglaterra. A partir de 1973 ha sido investigador científico de tiempo completo en el Instituto de Astronomía de la UNAM.

Aparte de su labor docente en la Universidad de México —donde ha impartido cursos de mecánica cuántica, electromagnetismo, relatividad, física teórica y astrofísica relativista en la Facultad de Ciencias— ha dirigido varias tesis de licenciatura y de doctorado, publicando a la vez libros y folletos que incluyen, desde 1968, contando sus tesis de licenciatura y de doctorado, 28 trabajos de investigación cuyo tema más constante es, por supuesto, la astrofísica teórica.

Reservado y relativamente silencioso, sólo habla cuando tiene algo importante que decir. Sus colegas y alumnos lo escuchan con un cuidado no exento de admiración. Su actitud de astrofísico teórico va cargada de un acento suave y me atrevería a decir que lleva siempre un mensaje seriamente poético.

El autor inicia este interesante libro de divulgación con las preguntas clásicas, motivadoras y angustiantes: ¿qué es el Universo?, ¿tuvo principio y tendrá fin?, ¿dónde están sus fronteras y qué hay más allá de ellas? Toda una filosofía natural está a prueba. Recuerda nuestra niñez, adolescencia, juventud y edad madura. Se inicia desde el principio y no tiene fin. El hombre quiere, necesita conocer y entender. La respuesta final nunca llega. A una incógnita se engranan miles más y de este modo el conocimiento resulta una serie infinita. Cada vez más atrayente y complicada. Cada vez más bella y aparentemente sencilla. Cada vez más cercana y más lejana. Paradójicamente, mientras más sabemos, más ignoramos.

Hacyan logra contagiarnos de una angustia cognoscitiva, nos da esperanzas y de modo armónico va presentando mitos, historias, hechos comprobados y dudas fundamentales. El sueño de los físicos contemporáneos sigue presente y actuante. Albert Einstein murió sin alcanzar la magia de darnos una teoría unificadora de las fuerzas gravitacionales y electromagnéticas. El reto persiste y la provocación intelectual se proyecta como signo inequívoco de la naturaleza infinita de la ciencia.

Hacyan nos conduce por el campo de la imaginación y de la duda como por un soberbio poema en el que la realidad alimenta lo inimaginable y lo mágico resulta indistinguible de un poderoso, lógico y alucinante hecho universal.

Así se nos presenta la historia del Universo: entre la poesía verdad y una tangible realidad, la físico-matemática más abstracta y la experimentación y la observación de fenómenos sencillos o complejos. Cuando más se cree saber, mayores incógnitas surgen. Tal es el gran reto intelectual; vence la voluntad mejor forjada pero, a la vez, la excita para continuar por un camino inacabable.

GUILLERMO HARO

NOTA SOBRE EL SISTEMADE UNIDADES

En este libro vamos a utilizar el año luz como unidad de medida de las distancias cósmicas. El año luz es la distancia recorrida en un año por la luz. Siendo la velocidad de la luz 300 000 kilómetros por segundo, el año luz resulta ser aproximadamente nueve millones de millones de kilómetros. En física, la temperatura suele medirse en kelvin (K); el cero de la escala kelvin corresponde al cero absoluto, igual a unos 273 grados Celsius (la escala utilizada comúnmente) bajo cero. Para pasar de la escala kelvin a grados Celsius, simplemente se resta 273 (por supuesto, para temperaturas de más de 10 000 grados la resta es irrelevante).

Como en física y astronomía abundan los números extremadamente grandes y pequeños, utilizaremos la notación exponencial: 10n significa un 1 seguido de n ceros, y 10−n significa 0. seguido de n − 1 ceros. Por ejemplo, la masa del Sol es aproximadamente 2 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 kilogramos, o sea, 2 × 1030 kilogramos; y la masa de un electrón es aproximadamente 0.0 000 000 000 000 000 000 000 000 009 gramos, o sea, 9 × 10−28 gramos.

I. Inicios de la cosmología y la cosmogonía

¿Qué es el Universo? ¿Tuvo principio y tendrá fin? ¿Dónde están las fronteras del Universo y qué hay más allá de ellas? Estas preguntas, que se ramifican de manera interminable, aparentemente se escapan de todo conocimiento y son inaccesibles a la razón; sin embargo, los hombres trataron de responderlas desde que empezaron a razonar: así lo atestiguan los mitos y las leyendas sobre el origen del mundo que todos los pueblos primitivos elaboraron. En nuestra época de descubrimientos espectaculares hemos aceptado la idea de que la Tierra es sólo un punto perdido en la inmensidad del Universo; pero las verdaderas dimensiones cósmicas se descubrieron hace poco más de medio siglo, apenas ayer en comparación con la historia humana. Para muchos pueblos de la Antigüedad, la Tierra no se extendía mucho más allá de las regiones en que habitaban, y el cielo, con sus astros, parecía encontrarse apenas encima de las nubes. Tampoco tenían algún indicio de la edad del mundo y sólo podían afirmar que se formó algunos cientos, quizás miles de años atrás, en épocas de las que ya no guardaban memoria.

Desde el concepto de la Tierra, creada para morada del hombre, a la visión moderna del Universo, escenario de fenómenos de magnitudes inconcebibles, la cosmología tuvo que recorrer un largo y accidentado camino para adquirir, finalmente, el carácter de ciencia. La cosmología moderna, estudio de las propiedades físicas del Universo, nació de la revolución científica del siglo XX.

COSMOGONÍASYCOSMOLOGÍASDELA ANTIGÜEDAD

El mito babilónico de la creación es el más antiguo que ha llegado a nuestros días. El Enûma Eliš [“Cuando en lo alto”], escrito 15 siglos antes de la era cristiana, relata el nacimiento del mundo a partir de un caos primordial. En el principio, cuenta el mito, estaban mezcladas el agua del mar, el agua de los ríos y la niebla, cada una personificada por tres dioses: la madre Tiamat, el padre Apsu y el sirviente (?) Mummu. El agua del mar y el agua de los ríos engendraron a Lahmu y a Lahamu, dioses que representaban el sedimento, y éstos engendraron a Anshar y a Kishar, los dos horizontes —entendidos como el límite del cielo y el límite de la Tierra—. En aquellos tiempos, el cielo y la Tierra estaban unidos; según la versión más antigua del mito, el dios de los vientos separó el cielo de la Tierra; en la versión más elaborada, esa hazaña le correspondió a Marduk, dios principal de los babilonios. Marduk se enfrentó a Tiamat, diosa del mar; la mató, cortó su cuerpo en dos y, separando las dos partes, construyó el cielo y la Tierra. Posteriormente, creó el Sol, la Luna y las estrellas, que colocó en el cielo.

Así, para los babilonios el mundo era una especie de bolsa llena de aire, cuyo piso era la Tierra y el techo la bóveda celeste. Arriba y abajo se encontraban las aguas primordiales, que a veces se filtraban, produciendo la lluvia y los ríos.

Como todos los mitos, la cosmogonía babilonia estaba basada en fenómenos naturales que fueron extrapolados a dimensiones fabulosas: Mesopotamia se encuentra entre los ríos Tigris y Éufrates, que desembocan en el Golfo Pérsico; allí depositan su sedimento, de modo tal que la tierra gana lentamente espacio al mar. Seguramente fue ese hecho el que sugirió a los babilonios la creación de la tierra firme a partir de las aguas primordiales.

La influencia del mito babilónico se puede apreciar en la cosmogonía egipcia. Para los egipcios, Atum, el dios Sol, engendró a Shu y a Tefnut, el aire y la humedad, y éstos engendraron a Nut y a Geb, el cielo y la Tierra, quienes a su vez engendraron a los demás dioses del panteón egipcio. En el principio, el cielo y la Tierra estaban unidos, pero Shu, el aire, los separó, formando así el mundo habitable (figura I.1).

Para los egipcios, el Universo era una caja, alargada de norte a sur tal como su país; alrededor de la Tierra fluía el río Ur-Nes, uno de cuyos brazos era el Nilo, que nacía en el sur. Durante el día, el Sol recorría el cielo de oriente a poniente y, durante la noche, rodeaba la Tierra por el norte en un barco que navegaba por el río Ur-Nes, escondida su luz de los humanos detrás de las altas montañas del valle Dait.

Trazas del mito babilónico también se encuentran en el Génesis hebreo. Según el texto bíblico, el espíritu de Dios se movía sobre la faz de las aguas en el primer día de la creación; pero la palabra original que se traduce comúnmente como espíritu es ruaj, que en hebreo significa literalmente “viento”. Para entender el significado del texto, hay que recordar que, antiguamente, el aire o el soplo tenían la connotación de ánima o espíritu (verbigracia, el “soplo divino” infundido a Adán).[1] En el segundo día, prosigue el texto, Dios puso el firmamento[2] entre las aguas superiores y las inferiores; esta vez, la palabra original es rakía, un vocablo arcaico que suele traducirse como firmamento, pero que tiene la misma raíz que la palabra vacío. En el tercer día, Dios separó la tierra firme de las aguas que quedaron abajo… Estos pasajes oscuros del Génesis se aclaran si recordamos el mito babilónico: Marduk —el viento, en la versión más antigua— separa las aguas (el cuerpo de Tiamat) para formar el mundo, y la tierra firme surge como sedimento de las aguas primordiales.

En los Vedas de los antiguos hindúes se encuentran varias versiones de la creación del mundo. La idea común en ellas es que el Universo nació de un estado primordial indefinible; después de pasar por varias etapas, habrá de morir cuando el tiempo llegue a su fin; entonces se iniciará un nuevo ciclo de creación, evolución y destrucción, y así sucesivamente. Según el Rig Veda, en el principio había el no ser, del que surgió el ser al tomar conciencia de sí mismo: el demiurgo Prayapati, creador del cielo y la Tierra, el que separó la luz de las tinieblas y creó el primer hombre. En otro mito, el dios Visnu flotaba sobre las aguas primordiales, montado sobre la serpiente sin fin Ananta; de su ombligo brotó una flor de loto, de la que nació Brahma para forjar el mundo.

Según los mitos hindúes, el Universo era una superposición de tres mundos: el cielo, el aire y la Tierra. Ésta era plana y circular, y en su centro se encontraba el mítico monte Sumeru (probablemente identificado con el Himalaya), al sur del cual estaba la India, en un continente circular rodeado por el océano. El cielo tenía siete niveles y el séptimo era la morada de Brahma; otros siete niveles tenía el infierno, debajo de la Tierra.

A raíz de la conquista de la India por Alejandro Magno en el siglo IV a.C., las ideas cosmológicas de los hindúes fueron modificadas sustancialmente. Así, en los libros llamados Siddhanta se afirma que la Tierra es esférica y no está sostenida en el espacio, y que el Sol y los planetas giran alrededor de ella. Como dato curioso, se menciona a un tal Aryabhata, quien en el siglo V d.C. sostuvo que las estrellas se encuentran fijas y la Tierra gira; desgraciadamente, el texto no da más detalles que los necesarios para refutar tan extraña teoría.

La concepción del Universo en la China antigua se encuentra expuesta en el Zhōubì suànjīng, un tratado escrito alrededor del siglo IV a.C. Según la teoría del Kai Tiān (que significa: el cielo como cubierta), el cielo y la Tierra son planos y se encuentran separados por una distancia de 8 000 lĭ —un lĭ equivale aproximadamente a medio kilómetro—. El Sol, cuyo diámetro es de 1 250 lĭ, se mueve circularmente en el plano del cielo; cuando se encuentra encima de China es de día, y cuando se aleja se hace noche. Posteriormente, se tuvo que modificar el modelo para explicar el paso del Sol por el horizonte; según la nueva versión del Kai Tiān, el cielo y la Tierra son semiesferas concéntricas, siendo el radio de la semiesfera terrestre de 60 000 lĭ. El texto no explica cómo se obtuvieron las distancias mencionadas; al parecer, el modelo fue diseñado principalmente para calcular, con un poco de geometría, la latitud de un lugar a partir de la posición del Sol.

El Kai Tiān era demasiado complicado para cálculos prácticos y cayó en desuso con el paso del tiempo. Alrededor del siglo II d.C. se empezó a utilizar la esfera armilar como un modelo mecánico de la Tierra y el cielo. Al mismo tiempo surgió una nueva concepción del Universo: la teoría del Hun Tiān (“cielo envolvente”), según la cual “el cielo es como un huevo de gallina, tan redondo como una bala de ballesta; la Tierra es como la yema del huevo, se encuentra sola en el centro. El cielo es grande y la Tierra pequeña”.

Además, se asignó el valor de 1 071 000 lĭ a la circunferencia de la esfera celeste, pero el texto no explica cómo fue medida.

Posteriormente, las teorías cosmogónicas en China girarán alrededor de la idea de que el Universo estaba formado por dos sustancias: el yáng y el yīn, asociados al movimiento y al reposo, respectivamente. De acuerdo con la escuela neoconfucionista, representada principalmente por Zhú Xī en el siglo XII, el yáng y el yīn se encontraban mezclados antes de que se formara el mundo, pero fueron separados por la rotación del Universo. El yáng móvil fue arrojado a la periferia y formó el cielo, mientras que el yīn inerte se quedó en el centro y formó la Tierra; los elementos intermedios, como los seres vivos y los planetas, guardaron proporciones variables de yáng y yīn.

Mencionemos también la cultura maya, que floreció en Mesoamérica, principalmente entre los siglos IV y IX de nuestra era. De lo poco que se ha podido descifrar de sus jeroglíficos, sabemos que los mayas habían realizado observaciones astronómicas de una precisión que apenas se ha podido igualar en nuestro siglo. Los mayas usaban un sistema vigesimal con cero, con el cual realizaban complicados cálculos astronómicos; su calendario era más exacto que el gregoriano usado en la actualidad, y habían medido la precesión del eje de rotación terrestre con bastante precisión.

En contraste con la excelencia de sus observaciones, las concepciones cosmológicas de los mayas eran bastante primitivas —por lo menos hasta donde se ha averiguado—. Creían que la Tierra era rectangular y que el Sol giraba alrededor de ella. El día del solsticio, el Sol salía de una de las esquinas de la Tierra y se metía por la opuesta; luego, cada día, la órbita del Sol se recorría hasta que, en el siguiente solsticio —seis meses después—, el Sol salía y se metía por las otras dos esquinas terrestres. Los mayas tenían especial cuidado de construir sus templos según la orientación de los lados de la Tierra.

Al igual que otros pueblos, los mayas creían en la existencia de siete cielos,[3] planos y superpuestos, y de otros tantos niveles subterráneos, donde residían dioses y demonios, respectivamente. El mundo había sido creado por Hun ab Ku (literalmente: uno-existir-dios) a partir de aguas primordiales inicialmente en completo reposo. Antes del mundo actual habían existido otros mundos que acabaron en respectivos diluvios.

COSMOLOGÍAYCOSMOGONÍADE GRECIAALA EDAD MEDIA

Por razones históricas que no pretendemos analizar aquí, la cultura griega se distingue de otras culturas antiguas por haber servido de semilla a la llamada “civilización occidental”; por esta razón la consideramos con un poco más de detalle, aprovechando el conocimiento relativamente más amplio que se tiene de ella.

A algunos pensadores griegos se deben los primeros intentos, aún muy limitados, de concebir al mundo como resultado de procesos naturales y no como una obra incomprensible de los dioses. Tal es el caso de los filósofos de la escuela jónica, que floreció alrededor del siglo VI a.C., según la cual el Universo se encontraba inicialmente en un estado de Unidad Primordial, en el que todo estaba mezclado; de esa unidad surgieron pares de opuestos —caliente y frío, mojado y seco, etc.— cuyas interacciones entre sí produjeron los cuerpos celestes, por un lado, y la Tierra, con sus plantas y animales, por otro.

Los filósofos jónicos concebían a la Tierra como un disco plano que flotaba en el centro de la esfera celeste. Pero, ya en el siglo V