Cosmologies antigues Molts pobles antics van donar explicacions a l’existència de les estrelles que podien veure en el cel nocturn. Van imaginar formes en la disposició d’aquestes i van definir les diverses constel·lacions. Però gran part d’aquesta informació es perdria en la “nit dels temps”. Nosaltres, i la major part de la ciència actual, som hereus de la cultura grega. Però la cosmologia dels grecs es basava en l’heretada de pobles més antics, com els sumeris, que ocupaven l’actual Irak. Aquests van fer descripcions precises del cel, amb la intenció de realitzar calendaris i determinar les estacions propícies per a sembres i collites. D’altres pobles de l’antiguitat també van realitzar estudis del cel, com per exemple els egipcis, que tenien una gran dependència de les inundacions anuals del Nil, que permetia l’agricultura a les terres del voltant. Però aquestes periodicitats van introduir la idea de que els cels governaven la Terra, i que, per tant, havien de ser déus els qui decidien el destí dels humans. Pobles mesoamericans, com els maies, tenien complexes cosmologies que no només donaven una explicació als cels, sinó que també els relacionaven amb la Terra i amb un “infra-món”. Aquestes idees no els serien exclusives, ja que formen part de les mitologies de molts pobles, i entre aquests, els mites judeocristians, hereus d’altres més antics. Com d’altres, els pobles hindús i xinesos, també tenien les seves pròpies explicacions. L’astrologia va ser el primer pas per a l’estudi sistemàtic de l’Univers. Si els fenòmens observables als cels tenien una influència sobre la Terra, l’estudi d’aquells permetria fer prediccions sobre el que succeiria en aquesta. Si existien déus i éssers humans, i els primers tenien poder per controlar la vida dels segons, la idea de que també els haurien creat era una conclusió lògica. Com els humans eren clarament superiors als altres éssers vius, havien de ser l’obra mestra dels creadors, i tenir un lloc especial a l’Univers. I quin lloc més especial que el centre d’aquest? Les estrelles es movien, algunes eren errants (planetes), i el Sol i la Lluna giraven al voltant de la Terra. La Terra romania quieta al centre de tot aquest sistema. El coneixement a partir de la observació: els antics grecs Aristarc (III a.C.) va deduir que la Terra era la que girava al voltant del Sol observant l’ombra d’aquesta sobre la Lluna, i que aquest havia de ser més gran que la Terra. Va calcular les dimensions del Sol i la Lluna segons les ombres a la Lluna. Eratòstenes (III a.C.) va dir que la Terra era esfèrica i va calcular el seu radi amb la longitud de les ombres en dos punts diferents. El triomf del mite sobre les observacions: el sistema ptolemàic Hiparc (II a.C.) i Ptolomeu (II d.C.), van definir el sistema geocèntric. Aquest últim va elaborar el model en el qual cada planeta (inclosos el Sol i la Lluna) es desplaçaven per esferes al voltant de la Terra. Aquest sistema va encaixar molt bé amb les creences cristianes i es va imposar. El problema del moviment retrògrad dels planetes Tot i ser el model acceptat, aquest tenia un problema important: els planetes no semblaven seguir un camí circular al voltant de la Terra, sinó que “retrocedien” en certs moments. Ptolomeu ho va resoldre definint els epicicles, segons els quals els planetes tenien petites òrbites al voltant de la principal. L’Edat Mitjana El cristianisme a Europa acabarà amb qualsevol investigació que contradís la Bíblia. Però al món àrab, l’astronomia va prendre el relleu dels grecs. Tot i això, no van poder solucionar el problema que plantejaven els epicicles. Astrònoms xinesos van observar el 1054 una supernova a on avui hi ha la nebulosa del Cranc. Copèrnic i el model heliocèntric El segle XVI, Nicolau Copèrnic va dissenyar un model de l’Univers en el qual el Sol estava al centre. Això coincidia molt més amb les observacions i permetia abandonar els complicats epicicles. Thomas Digges i Giordano Bruno van defensar el model copernicà. El primer va afegir que les estrelles devien ser sols llunyans i l’Univers infinit. Bruno va ser cremat per les seves manifestacions. Tycho Brahe i les seves observacions Tycho Brahe va dedicar la seva vida a fer medicions sobre els astres. El 1572 va observar una estrella nova (actualment se sap que es tractava d’una supernova). També va mesurar algunes trajectòries de cometes i va veure que creuaven les òrbites dels planetes, així que no podien existir les esferes que els sostenien. Però Tycho seguia defensant un model geocèntric. Kepler i les òrbites dels planetes Johannes Kepler va intentar encaixar les òrbites dels planetes a moviments circulars, utilitzant les dades que va demanar a Tycho. En els seus últims anys, va comprovar que no es podia explicar d’altra manera que considerant òrbites el·líptiques. - Primera llei: establia que els planetes orbitaven al voltant del Sol en una òrbita el·líptica, en la qual el Sol ocupava un dels focus de l’el·lipse. - Segona llei: el planeta “escombrarà” àrees iguals en temps iguals; això implicava que el moviment era més ràpid quan estava més a prop. - Tercera llei: la velocitat depèn de la distància (el cub del període és proporcional al quadrat de la distància), és a dir, els planetes més propers giraven més ràpid que els més llunyans. Galileu i la incorporació del telescopi Galileu Galilei va construir un telescopi seguint la idea d’un invent holandès. Ell el va utilitzar per mirar al cel per primera vegada. Amb el telescopi va descobrir quatre satèl·lits que orbitaven al voltant de Júpiter (els anomenats gal·lileans). El telescopi es basava en una combinació de lents. Aquestes ja es coneixien des de l’Edat Mitjana, però la dificultat en produir bones lents feia que aquestes tinguessin un ús molt limitat. Galileu i l’heliocentrisme Galileu va descobrir amb el seu telescopi, que Venus tenia fases, com la Lluna. Això només era possible si orbitava al voltant del Sol, i no de la Terra. A més, també va observar taques solars (no devia ser el primer) i va calcular el moviment del pèndol, la qual cosa permetria construir rellotges més precisos. Per la seva defensa del copernicanisme, Galileu va ser jutjat per la Inquisició, en el que va haver de retractarse d’allò que havia proposat. Eppur si muove: la famosa sentència que pronunciaria en sortir del tribunal, probablement no és certa. La qüestió del buit Descartes, que va definir el 1619 el sistema de coordenades cartesià (x,y,z) per a definir la posició d’un objecte a l’espai (com els planetes), va proposar al matemàtic Blaise Pascal que mesurés la pressió atmosfèrica dalt d’una muntanya amb el recentment inventat baròmetre. El resultat va ser que la pressió decreixia sensiblement, la qual cosa implicava que l’atmosfera devia ser una capa molt fina. Posteriorment, Torricelli va mesurar la pressió atmosfèrica amb un tub de mercuri. Quan es va anar descartant el sistema d’esferes que sostenien els planetes, va sorgir la idea de que aquests “navegaven” en una substància invisible: l’éter. L’experiment de les esferes de Magdeburg, realitzat per Otto von Guericke, donava una demostració del buit. Aquest es basava en que, després de l’extracció de l’aire de dues semiesferes, aquestes no podien ser separades per 16 cavalls que tibaven d’elles. Robert Boyle també va investigar sobre el buit, demostrant la seva existència. Tot i això, la presència de l’èter no seria descartada fins el segle XIX. Huygens, les estrelles i la llum La llibertat que es respirava a la Holanda del segle XVII va permetre Christiaan Huygens dedicar-se sense problemes a la seva passió: l’observació de les estrelles. Huygens pensava que les estrelles eren sols llunyans, i va calcular la distància de l’estrella més brillant del cel (excloent els planetes), Sírius, comparant la seva dimensió aparent amb la del Sol. El resultat (28000 vegades més lluny que el Sol) no era correcte, ja que Sírius és molt més gran que el Sol. Huygens va construir telescopis de més qualitat que els existents fins llavors i va poder observar els anells de Saturn, tot i que no va saber què eren. També va observar núvols a Júpiter. D’altra banda, Descartes havia considerat que la velocitat de la llum devia ser infinita. Però Huygens va pensar que la refracció de la llum es produïa perquè aquesta es frenava en un medi més dens. Cassini i la distància als planetes Cassini, amic de Huygens, va observar que els anells de Saturn tenien una divisió. Cassini va calcular la distància a Mart i als altres planetes comparant la seva posició des de dos punts diferents de la Terra. Rømer va calcular la velocitat de la llum comparant el temps que romanien alguns satèl·lits de Saturn darrera el planeta en dos moments diferents de l’any. La principal divisió als anells de Saturn es diu Cassini i la última missió a Saturn és la Cassini-Huygens. Robert Hooke i Edmund Halley Hooke, descobridor de les cèl·lules, va observar la descomposició de la llum blanca en colors, en el fenòmen conegut com els “anells de Newton”. També va descriure els fòssils com a restes d’éssers antics que ja no existien. En converses amb el seu amic Halley, van deduir que el Sol exercia una força d’atracció que disminuïa en relació amb el quadrat de la distància, però no ho van saber formular. Halley ho va comentar a Newton, i ell desenvoluparia les fórmules que definien la dinàmica dels cossos i la gravitació universal. Isaac Newton, el càlcul i la gravetat Destinat en un principi a ser granger, Newton es va sortir amb la seva i va poder estudiar a la Universitat. Allà es va centrar en l’estudi de les matemàtiques, i va desenvolupar el càlcul, que permetia tractar numèricament les òrbites dels objectes en els quals la posició variava amb el temps, com els planetes. Tant si l’anècdota de la poma és certa o no, sí ho és que Newton va pensar que la mateixa força que feia caure les pomes devia mantenir els planetes a la seva òrbita, compensant la inèrcia que els faria anar en línia recta. Isaac Newton i el telescopi de reflexió Newton va inventar el telescopi de reflexió, que evitava els problemes dels telescopis existents fins llavors, que distorsionaven la imatge. Amb aquest nou sistema, podien construir-se telescopis més potents i fer millors observacions. Actualment, els telescopis tenen aquest disseny bàsic. Isaac Newton i la llum Finalment, Newton també va proposar les lleis que determinaven la descomposició de la llum blanca en els colors que la composaven, l’espectre, en travessar un prisma. Halley i les seves observacions Halley va seguir observant els cossos del Sistema Solar i va descobrir una gran taca solar, fenòmen rar llavors, ja que el segle XVII les taques eren escasses, fet que va produir un refredament a tot el planeta (Little Ice Age). També va observar el trànsit de Mercuri per davant del Sol. Així mateix, va mesurar la trajectòria d’un cometa i va calcular que aquest tenia un període de 76 anys. Aquest cometa duu el seu nom i serà observat novament l’any 2061. Edat de la Terra, primeres estimacions - L’arquebisbe Ussher, comptant les generacions descrites a la Bíblia, va calcular que la Terra hauria estat creada l’any 4004 a.C. - Halley, segons les taxes d’erosió i sedimentació, i la salinitat del mar, va calcular que la Terra devia tenir un mínim de 6000 anys. - Newton va pensar que els planetes devien haver-se originat per l’impacte d’un cometa contra el Sol. - El segle XVIII, el comte Buffon va experimentar quan trigaven a refredar-se uns fragments de ferro. Va extrapolar els resultats i va donar una edat per a la Terra de 75.000 anys. - Fourier va incloure l’efecte d’una escorça sòlida que la protegiria del refredament i va establir una edat de 100·106 anys. Laplace i l’origen del Sistema Solar Laplace va observar que els vuit cossos del Sistema Solar que podien observar-se rotaven tots en el mateix sentit (Venus no ho fa però els núvols impedeixen observar la rotació del planeta). Com era força improbable que això fos casual, va imaginar que s’havia originat a partir d’una mateixa nebulosa en contracció. També va imaginar que una estrella molt més massiva que el Sol tindria una gravetat tan alta que ni la llum podria escapar d’ella. Li devia semblar una idea massa fantasiosa perquè ho va retirar de les últimes edicions del seu llibre. El món no estava preparat per parlar dels forats negres… El Sol es troba en una galàxia. El descobriment d’Urà i Neptú El 1805, William i Caroline Herschel van comprovar que algunes estrelles semblaven allunyar-se del Sol i d’altres semblaven apropar-se. Això descartava que el Sol ocupés una posició fixa a l’Univers. Mitjançant acurades observacions, van determinar que la concentració d’estrelles era molt més gran a la Via Làctia, i que aquesta havia de tenir forma de disc. Els Herschel són coneguts pel descobriment d’Urà. Neptú seria descobert el 1846 per Urbain Leverrier. La identificació d’altres galàxies Tot i que la nebulosa d’Andròmeda es coneixia des de l’antiguitat (és visible a ull nu), no va ser definida com una galàxia fins el segle XX. Herbert Doust Curtis hi va observar estrelles i la va considerar una galàxia. En aquesta s’havia observat una nova el 1885, però si era una galàxia, l’estrella havia lluït més que tota la galàxia. Fritz Zwicky la va anomenar una supernova, tot i que no se sospitava l’origen d’aquesta. La galàxia d’Andròmeda té uns cúmuls globulars prop del seu centre. A la constel·lació de Sagitari, Harold Shapley va identificar cúmuls globulars semblants. Això el va portar a determinar que allà es trobava el centre de la Via Làctia. Un nou model per a l’Univers: la Teoria de la Relativitat. El 1905, Einstein va presentar la seva famosa teoria. Aquesta no reemplaçava la mecànica clàssica de Newton, sinó que considerava a aquesta un cas especial, útil per a la gran majoria de càlculs necessaris per a la vida quotidiana. Però Einstein va observar que la llum tenia una propietat única: la seva velocitat era sempre constant, independentment de la velocitat de la font d’emissió i de l’observador. Dels seus càlculs, es desprenia que, a velocitats properes a la de la llum, la longitud dels cossos disminuïa, la massa augmentava i el temps passava més lentament. La velocitat de la llum era una barrera insuperable a l’Univers i la massa i l’energia eren equivalents segons l’equació: E=m·c2. Però la teoria general (presentada el 1917) anava més enllà: considerava que l’espai i el temps eren magnituds que podien ser alterades per la presència d’un fort camp gravitatori. Aquest fet es va comprovar en el canvi de posició aparent d’una estrella quan la seva llum passava prop del Sol el 1919. L’espai relativista Això permetia considerar les òrbites dels planetes com a recorreguts sobre un espai deformat. Si el camp gravitatori és prou intens, la teoria prediu la formació de “forats” en el teixit de l’espai-temps. L’espectre i els elements químics Durant el segle XIX es van descobrir molts dels elements químics i es van definir les primeres taules periòdiques. Fraunhofer, Bunsen i Kirchoff van descobrir les línies espectrals que depenien de l’element que emetés o absorbís aquesta llum. Aquestes línies van permetre comprovar que el Sol emetia les línies pròpies d’uns determinats elements, en especial de l’hidrogen i d’un altre que no era conegut a la Terra: l’heli. Hubble, Humason i l’expansió de l’Univers Durant els anys 20 del segle XX, Hubble i Humason van registrar la llum de moltes galàxies, però en els espectres s’observava un fenòmen curiós: les línies espectrals no estaven allà on havien d’estar sinó que es trobaven desplaçades al vermell. La raó pot ser l’efecte Doppler. Aquest explica com les ones sonores d’un objecte en moviment són més llargues (so més greu) si s’allunya i més curtes (més agudes) si s’apropa. Es pot interpretar que la llum de les galàxies està desplaçada cap al vermell perquè les ones de llum “s’estiren” quan les galàxies s’allunyen. De les equacions de la teoria de la relativitat més el fet de que totes les galàxies semblaven allunyar-se de la nostra es va crear el model d’un Univers en expansió. Però si l’Univers s’expandia, en algun moment hauria hagut de començar aquesta expansió. Hubble va calcular quan es devia haver produït aquest origen i va obtenir un resultat de 1.200·106 anys. Aquesta xifra no va ser acceptada, ja que els càlculs de l’edat de la Terra obtinguts mitjançant mètodes radiactius li donaven a aquesta el triple d’aquesta edat. Els científics que estudiaven l’evolució de la vida no consideraven que aquest fos un interval de temps suficient per a que s’haguessin produït tots els processos d’evolució de les espècies que registraven els fòssils. Això va produir que, durant molts anys, fins als anys 50, no fos acceptada la hipòtesi d’un origen de l’Univers. Fred Hoyle, un dels màxims detractors d’aquesta, va utilitzar l’expressió Big Bang per ridiculitzar-la. Però el rus George Gamow va desenvolupar la teoria i va definir com hauria estat l’inici de l’Univers, fa 1,5·10 10 anys (actualment es calcula que fa 1,37·1010 anys). Una de les coses que es predeien en aquest model era una radiació residual de fons que provindria de totes les direccions. Penzias i Wilson la van detectar el 1964. Model del Big Bang: - Estrelles i galàxies actuals -Mort de les primeres estrelles, elements pesants. - Formació d’estrelles i galàxies - Formació dels àtoms. Radiació de fons. - Formació de nuclis atòmics. - Unió de quarks per formar protons i neutrons. - Partícules elementals. - Matèria-antimatèria. - Gran unificació. -? - “Explosió” inicial Què ens queda per fer? Actualment, la investigació de l’Univers es realitza en dos vessants: L’Astrofísica observa l’Univers, sabent que “mirar” lluny també vol dir mirar molt enrera en el temps. L’anàlisi de les diverses radiacions ens aporta molta informació. La Física de partícules intenta entendre l’estructura íntima de la matèria, per deduir les lleis de la natura i trobar una explicació a l’origen de l’Univers. L’exploració del Sistema Solar Però també els humans i els aparells fabricats per nosaltres hem començat a explorar físicament el nostre entorn més proper. La història continua… L’exploració del Sistema Solar
