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Ciencias Naturales, Tierra y Universo

8° Básico

El Universo

La teoría de la relatividad de Albert Einstein nos da el marco teórico para conocer la estructura del Universo a gran escala.

La teoría de la relatividad general postulada por el físico Albert Einstein (1879-1955), nacido en Alemania y naturalizado estadounidense, proporciona el marco teórico para conocer la estructura del Universo a gran escala. La relatividad es, en esencia, una nueva teoría de la gravedad, la primera que se enunció después de la del científico y matemático inglés Isaac Newton (1642-1727).

La relatividad convierte a la teoría de la gravitación de Newton en el estudio de la geometría del espacio o, mejor dicho, del espacio-tiempo (ver recuadro).

Para estudiar los movimientos se necesita conocer la posición de los cuerpos en el espacio y en el tiempo. Especificando ambas cosas se está dando la ubicación en el espacio-tiempo.

No es esta una materia fácil de digerir, y por eso se hace necesario buscar una analogía para entenderla. Representemos, pues, el espacio tridimensional en una superficie elástica de sólo dos dimensiones. Las masas del espacio se representan mediante bolitas de acero de distinto tamaño puestas sobre esa superficie. Las más grandes deformarán más la superficie elástica en torno a ella. Una bolita rodando sobre la superficie avanzará en línea recta siempre que no haya otra bolita en su cercanía; pero si en la vecindad se encuentra con otra masa (otra bolita) será desviada de su trayectoria.

Los científicos Herbert Friedman, astrónomo nacido en Estados Unidos en 1916, y Georges Lemaître, astrónomo belga (1894-1966), se encargaron de buscar las soluciones a las ecuaciones de Einstein y probar así la “teoría del Universo en expansión”. Sus estudios los llevaron a formular dos tipos de soluciones:

– Las que predicen que la actual etapa de expansión terminará cuando el Universo se detenga, y que luego vendrá una fase de contracción, para terminar en un mismo punto, tal como empezó. Después, el Universo, como el ave fénix, renacería de sus cenizas en otra gran explosión inicial.

– Las que dicen que el Universo no sería capaz de detenerse en su expansión y, al seguir creciendo eternamente, iría muriendo de frío.

Hay una posibilidad intermedia, crítica: el Universo tendría la capacidad de frenar la expansión, pero en el infinito. Sólo en este caso podría creerse en que tiene una geometría plana que obedecería a los principios enunciados por Euclides (geometría tradicional). Además, sería de tamaño infinito.

Si, por el contrario, fuera correcta la teoría de un Universo capaz de frenar su expansión, concluiríamos que su espacio es finito pero ilimitado. Tendría que aplicarse la geometría esférica. Una esfera tiene una superficie finita, pero es ilimitada pues no existe un punto determinado en el cual se acabe. La razón es que la superficie de una esfera tiene dos dimensiones, pero se curva en una tercera.

Aplicando este razonamiento al espacio, tendríamos que este es tridimensional, pero se curva en una cuarta dimensión; así, si un viajero caminara en línea recta sin cambiar jamás su dirección, terminaría por llegar al mismo punto. Un rayo de luz circunnavegaría el Universo para volver a llegar al mismo punto. Un observador que mirara por un telescopio muy potente durante mucho tiempo (miles de millones de años) terminaría por verse la nuca.

Pero si el Universo no pudiera frenarse a sí mismo, viviríamos en un Universo abierto, de tamaño infinito, cuya geometría en gran escala sería como una silla de montar. En este caso, el Universo tendría claramente un principio: una gigantesca explosión ocurrida hace 14 mil millones de años. Seguiría expandiéndose eternamente, hasta que todas las estrellas, al enfriarse, se apagaran y se llegara al cero absoluto de temperatura. Todo moriría por congelamiento y quedaría en un espacio de máxima entropía (la energía permanece estática o inactiva).

¿Espacio-Tiempo?

La ciencia moderna definió como espacio toda la región que se encuentra más allá de la atmósfera terrestre, y posteriormente lo clasificó en interplanetario (entre planetas), interestelar (entre estrellas) e intergaláctico (entre galaxias).

La teoría de la relatividad de Albert Einstein creó el concepto de espacio-tiempo, que implica que a las tres dimensiones del espacio, se le suma una cuarta, que corresponde al tiempo. Entonces, para estudiar un determinado espacio se debe considerar no solo lo que se encuentra dentro de él, sino también las condiciones que se presentan en el momento en que se lo estudia, ya que estas cambian.

El nacimiento del Universo

Desde épocas muy remotas, distintos pueblos han alzado sus ojos hacia el cielo tratando de descifrar los misterios que plantean los astros. Las explicaciones de los fenómenos celestes han abundado desde la Prehistoria, pasando por las culturas de la Antigüedad Clásica, hasta nuestros días. Mientras las primeras teorías se basaban en mitos y leyendas más o menos fantasiosas, las actuales se fundamentan en los resultados obtenidos por ramas de la ciencia moderna tales como la física, la astrofísica o la cosmología.

Conocer y distinguir los diferentes cuerpos que pueblan el espacio, sean cercanos, como los planetas y sus satélites, o lejanos, como es el caso de las galaxias o cúmulos de galaxias, es el objeto de la astronomía, considerada con justicia la ciencia más antigua.

Debido a su carácter eminentemente observacional, por la imposibilidad de experimentar con los cuerpos celestes, se sirve de una serie de instrumentos, como los telescopios, para captar las diferentes radiaciones procedentes del espacio y determinar de este modo la composición, origen y el comportamiento de los cuerpos que lo pueblan.

Con la ayuda de la física, estas informaciones permiten deducir cuál es el estadio evolutivo en que se encuentran estos objetos y cuál será su previsible evolución en el futuro. La extrapolación de este panorama a gran escala permite hacer lo propio con el Universo. A esta disciplina, conocida como cosmología, dedican en la actualidad sus esfuerzos un gran número de científicos, con la esperanza de averiguar de dónde venimos y hacia dónde vamos.

Lo que sabemos hoy

Tras cientos de años de investigación, ¿qué sabe hoy la ciencia sobre el Universo, su forma, su movimiento, su edad? ¿Conoce quién llenó el espacio de cuerpos celestes y fijó sus movimientos? ¿Comprende cómo se inició todo esto?

No todas las interrogantes están resueltas, pero el avance en el campo de la física y de la astronomía es evidente. Algunos postulados han sido comprobados, con lo que las bases para seguir adelante en la investigación se han consolidado.

Glosario

– Planeta: cuerpo celeste que carece de luz y que orbita alrededor de una estrella.

– Satélite: cuerpo celeste opaco que gira alrededor de un planeta.

– Galaxia: sistema de estrellas, planetas, polvo cósmico y gases unidos por atracción gravitacional (los cuerpos se atraen entre sí.

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