Evolución de la Cosmología: De Aristóteles a la Física Moderna

Cosmología Antigua: El Cosmos Aristotélico

Para Aristóteles, el cosmos era un todo organizado en dos mundos de naturaleza distinta: el mundo sublunar o terrestre y el mundo supralunar o celeste.

El Mundo Sublunar o Terrestre

Es el mundo en el que habita el ser humano, la Tierra.
Según Aristóteles, tiene forma esférica, es muy reducido y ocupa un lugar central en el universo.
Está limitado por la esfera de la Luna, que constituye la frontera entre las dos regiones: sublunar y supralunar.
Está constituido por los cuatro elementos básicos: tierra, agua, aire y fuego.
Cada uno de ellos tiene un lugar que le corresponde de acuerdo a su naturaleza.
En estado puro y en un cosmos perfectamente ordenado, la tierra estaría en el centro, encima el agua, luego el aire y por último el fuego.
Los cuatro elementos tienden de manera natural a recobrar esta posición, por lo que se les caracteriza un movimiento natural de carácter rectilíneo, que puede darse en dos sentidos: descendente en el caso de la tierra y el agua por su condición pesada, y ascendente en el caso del aire y el fuego, por su condición ligera.
Como el mundo sublunar está poblado de sustancias que son compuestos o mezclas de estos elementos, según la proporción que tengan de ellos les corresponderá un movimiento natural de un tipo u otro.
Según Aristóteles, todo movimiento que no sea natural necesita una causa exterior que lo justifique. Serán los movimientos violentos.

Mundo Supralunar o Celeste

Es el mundo que está más allá de la esfera de la Luna y que tiene su límite en la esfera de las estrellas fijas.
A diferencia del mundo sublunar, el supralunar se compone de un quinto elemento: el éter.
Es un elemento de naturaleza divina, perfecto, puro, inalterable y sin peso, que posibilita que el mundo supralunar sea eterno e inmutable.
La región está configurada por esferas homocéntricas.
Cada esfera se mueve con un movimiento circular uniforme, que se transmite por rozamiento de unas esferas a otras.
La causa última del movimiento circular de estas esferas será el motor inmóvil, causa final de todo movimiento que se produce en el universo.
Por eso la cosmovisión aristotélica tiene un carácter teleológico: todos los cambios que tienen lugar en el mundo siguiendo las leyes de la naturaleza obedecen a una finalidad, que es la de asemejarse al motor inmóvil, que encierra en sí todas las perfecciones.

Cosmovisión Moderna

La cosmovisión moderna comenzó en el siglo XVI gracias a la contribución del grupo de científicos y astrónomos que protagonizaron la revolución científica y sentaron las bases de la física clásica, caracterizada por la experimentación y el formalismo matemático.

El clima intelectual del Renacimiento permitió a numerosos astrónomos y físicos cuestionarse la cosmovisión heredada y sus dogmas.
Ello conllevó la destrucción del cosmos aristotélico, se superó la vieja distinción entre un mundo supralunar inalterable e incorruptible y un mundo sublunar donde encontramos constantemente cambios de todo tipo.

Copérnico y el Heliocentrismo

Afirmó que el Sol se encontraba en el centro del universo y que el resto de planetas, incluida la Tierra, giraban alrededor del Sol: la teoría heliocéntrica.
Copérnico no partía de nuevas observaciones o descubrimientos para defender su propuesta, sino que consideraba que de esta manera se simplificaban los cálculos y era más sencillo que las observaciones encajaran en el sistema.
El alcance de estas ideas fue enorme, ya que sentaba las bases para una nueva interpretación del mundo.
Gracias al trabajo de Copérnico, Kepler pudo desarrollar sus tesis y estas, junto a las de Galileo y Newton, configuraron la visión moderna del universo.

Las Leyes de Kepler

Aceptó el heliocentrismo y, en ese marco, estudió el movimiento de Marte.
Concluyó que las órbitas de los planetas no eran perfectamente circulares, sino que su trayectoria era elíptica y que el Sol se encontraba en uno de los focos.
Esta evidencia constituye la primera de sus tres leyes, conocidas como leyes de Kepler.
Se tratan de leyes científicas en el sentido moderno: son puramente descriptivas, suponen una simplificación de las explicaciones anteriores y surgen directamente de la observación.
Las leyes de Kepler acabaron con la creencia de que el movimiento de los planetas tenía que ser circular al considerarse este el movimiento perfecto.
La fuerza que impulsaba a los astros en el cosmos ya no era anímica sino puramente motriz y podría explicarse enteramente por las leyes de la matemática y la física sin requerir otro tipo de explicación.
Este nuevo modelo da pie a representar el universo como un reloj, un gran mecanismo regular, predecible y sin alma: el universo máquina.

La Nueva Física: Galileo

Este pensador, que siempre se opuso al dogmatismo y a los argumentos de autoridad, defendió el heliocentrismo frente al geocentrismo dominante de la época.
Por ello tuvo que enfrentarse a la Inquisición en dos ocasiones y fue acusado de herejía por defender el heliocentrismo.
Fue obligado a retractarse, y, anciano y enfermo, estuvo condenado a arresto domiciliario.
Priorizó la experimentación y la observación. Por ello, recurrió constantemente a instrumentos científicos, como el telescopio, para realizar sus observaciones.
Además, lo utilizó de forma diferente, pues fue el primero en usarlo para indagar los cuerpos celestes. Entre los muchos descubrimientos que halló, destaca, por ejemplo, que Júpiter contaba con un grupo de satélites que giraban a su alrededor, lo cual contradecía la tesis central del geocentrismo, según la cual todos los astros celestes orbitaban en torno a la Tierra.
Estas observaciones le llevaron a Galileo al convencimiento de que la única forma de descifrar los secretos de la naturaleza era comprenderla con lenguaje matemático.
La matematización de la naturaleza era posible porque, para él, la naturaleza, en esencia, era de naturaleza matemática: solo tenían realidad aquellas cualidades que podían ser cuantificadas (figura, tamaño, movimiento y número); colores, sonidos, olores, etc., son subjetivas, no se encuentran en los objetos.
Por ejemplo, el peso o gravedad de un cuerpo era para Aristóteles una propiedad que poseían solo ciertos seres, aquellos que estaban hechos principalmente de tierra o agua, o sea, aquellos elementos que eran por esencia pesados, al revés del aire y del fuego que tenían otra cualidad: la ligereza.
En cambio, Galileo considera que lo que determina que un cuerpo sea pesado no es ninguna cualidad, sino, simplemente, la cantidad de materia: cuanta más en menos espacio, más peso. Por tanto, la gravedad no es una cualidad que posean ciertos cuerpos y otros no, sino que todos son pesados, y lo único que los diferencia es que unos lo son más y otros menos: gravedad y ligereza no son, pues, diferencias cualitativas, sino cuantitativas.
Galileo llama “esenciales” a estas propiedades cuantitativas que pertenecen realmente a los objetos, es decir, forman parte de su ser, de su “esencia”, en contraposición a las cualitativas, que solo están en nuestros sentidos. (Otros autores hablarán de cualidades primarias y secundarias).
Para Aristóteles, la caída de los cuerpos dependía del tipo de cuerpo que fuese; para Galileo, de la cantidad de materia que tuviese.
Galileo era consciente de que estos postulados chocaban, con frecuencia, contra el sentido común y la percepción trivial de la vida cotidiana, puesto que nada hay que sea lo suficientemente perfecto que cumpla escrupulosamente con las definiciones matemáticas. (Una esfera, por ejemplo, por perfecta que sea, siempre tocará el plano en más de un punto).
Galileo debe realizar un ejercicio de abstracción que será la puerta de entrada a lo que, con el paso de los siglos y el avance de la tecnología, será el proceder típico de cualquier científico: la experimentación, la creación de una situación ideal, en la que el fenómeno natural a estudiar quede aislado y puedan tenerse en cuenta solamente las variables cuantitativas pertinentes.
A Galileo debemos también el principio de inercia, según el cual los cuerpos tienden a permanecer en reposo o bien a velocidad uniforme, a no ser que actúe sobre ellos una fuerza.
De este principio se deriva el fenómeno de la invarianza, que asegura que el reposo y el movimiento a velocidad constante son equivalentes. Por esta razón desde la Tierra no se percibe apenas ningún efecto de su propio movimiento.
El principio de la inercia también justificaba que los planetas no se movieran por impulso de un supuesto primer motor, sino porque no había ninguna fuerza que los frenara.
Galileo también estudió los cuerpos en caída libre y la trayectoria parabólica de los proyectiles.

Isaac Newton

Considerado el mayor científico de todos los tiempos, estableció en su obra “Principios matemáticos de filosofía natural”, que todos los cuerpos del universo son el origen de la fuerza de la gravedad y a su vez se ven afectados por ella.
Se trataba de una ley que podía aplicarse tanto para la caída de una piedra como para determinar el movimiento de los planetas.
Esto significaba que las mismas leyes regían en todo el universo, de modo que la distinción entre mundos supralunar y mundo sublunar carecía de sentido: la superación de la cosmovisión aristotélica se había completado.

Cosmovisión Actual

En el siglo XX se desarrollan dos nuevas teorías físicas: la teoría de la relatividad y la física cuántica, incompatibles entre sí (“Dios no juega a los dados”) y que permiten entender respectivamente lo más grande y lo más pequeño de nuestro mundo. La teoría del caos, que más que una teoría se trataría de un campo de investigación que examina los comportamientos aleatorios e impredecibles en distintas áreas, sería el marco en el cual se pretenden que ambas teorías confluyan.

Einstein y la Teoría de la Relatividad

Einstein publicó la teoría de la relatividad especial en 1905, que echó por tierra las convicciones de la física clásica, pues afirmaba que no existe un espacio y un tiempo absolutos e independientes del sujeto que los experimenta.
Espacio y tiempo son medidas que obtiene un observador y que, entre otras variables, depende de la velocidad a la que se halla, es decir, el tiempo transcurre de distinta manera para dos observadores que viajan a distinta velocidad.
Existe una interdependencia entre la dimensión temporal y espacial y los cambios en una de ellas afecta inevitablemente a la otra: espacio-tiempo forma, pues, un continuo cuatridimensional.
Uno de los principios que sustentan la relatividad es que nada puede ir más rápido que la luz, ni siquiera la interacción gravitatoria.
Por tanto, era necesario elaborar de nuevo la teoría de la gravitación teniendo en cuenta este límite.
Para lograrlo, Einstein introdujo la idea de campo gravitatorio según la cual la materia deforma la geometría del espacio que la rodea, influyendo sobre los cuerpos que se encuentran en las proximidades de una gran masa, donde el espacio está más curvo y el tiempo transcurre más lentamente.
Una de las consecuencias de esta teoría es que el universo se encuentra en un proceso de expansión. Esta idea choca contra la idea de la antigüedad de que el universo es estático, es decir, que se mueven los planetas, el universo en su conjunto como sistema permanece en reposo, que la física newtoniana no había cuestionado.
El astrónomo Edmun Hubble (1889-1953) confirmó esta tesis, al descubrir que la Vía Láctea no es la única galaxia del universo como se creía, sino una más entre la infinidad de galaxias desperdigadas como islas por el espacio.
Además, se percató de que las galaxias más alejadas de nuestro sistema se alejan también más deprisa.
Estos descubrimientos llevaron a los científicos a replantearse cuestiones como el origen del universo y su posible futuro.
En cuanto a su origen, un retroceso teórico en el tiempo nos llevaría a postular un proceso de ralentización cada vez más intenso, que nos abocaría a un punto de contracción de máxima densidad de toda su masa, lo que conllevaría una gran explosión, que posibilitaría la liberación de átomos de hidrógeno, helio, litio, etc., y la formación de las diferentes galaxias que en la actualidad pueden observarse.
Restos de esta explosión, que se postula pudo ocurrir hace unos 15 mil millones de años, podría ser esa radiación de fondo que llena todo el universo: el eco del Big Bang.
Con respecto al futuro del universo, los científicos barajan dos hipótesis:
1. La acción gravitatoria detendrá la expansión del universo y generará un proceso de contracción (Big Crunch) que conducirá de nuevo al momento inicial a partir del cual se producirá un nuevo Big Bang y así sucesivamente.
2. La expansión continuará indefinidamente y el universo morirá por enfriamiento al dispersarse la materia y la energía en un espacio cada vez más grande y frío.

La Física Cuántica

A partir de Einstein y Max Planck se destruye la oposición tradicional entre materia y energía, puesto que ambas pueden ser interpretadas y estudiadas atribuyéndoles naturaleza corpuscular y ondulatoria.
Tradicionalmente la materia era considerada discontinua; la energía, en cambio, continua y de naturaleza ondulatoria.
Contrariamente, la física cuántica entiende que la materia, como la energía, se comportan como partículas y como ondas, hecho profundamente paradójico, ya que las propiedades corpusculares y ondulatorias son incompatibles.
En 1900, Max Planck descubrió que la energía no se emite de manera continua, sino en paquetes o cuantos de energía de naturaleza discontinua.
Poco después, Einstein identificaba los cuantos de luz a los que llamó fotones.
Por otra parte, Luís Broglie propuso que no solo los fotones, sino también los electrones se comportan como partículas y como ondas.
Experimentos posteriores demostraron que todas las partículas materiales presentan un comportamiento ondulatorio.
¿Cómo es la realidad entonces?
Max Born respondía así: “las descripciones corpuscular y ondulatoria han de considerarse solamente como modos complementarios de imaginar un único proceso objetivo, pues está más allá de nuestro poder probar que sean realmente corpúsculos u ondas”.
De esta manera se cuestionaba nuestra capacidad para acceder a la auténtica realidad. De hecho, tiempo después se problematizaría incluso su existencia.
En consecuencia, con esta actualidad de la realidad en el seno de la física cuántica se elaboraron dos teorías alternativas pero equivalentes:
- Mecánica matricial de Heisenberg: se inclina por la interpretación de los procesos físicos como procesos discontinuos de naturaleza corpuscular, ya que así son nuestras observaciones del conocimiento que podemos tener de ellas.
- Mecánica ondulatoria de Erwin Schrödinger: esta formulación prefiere la interpretación de los procesos físicos como procesos continuos y por ello destaca el comportamiento ondulatorio de la materia.
Ambas teorías se basan en el principio de incertidumbre, según el cual, no se puede establecer simultáneamente con precisión la posición y la velocidad de una partícula como el electrón.
Una de las causas de esta imposibilidad es la inevitable interrelación entre el observador y lo observado, ya que no puede hacer observaciones sin intervención del observador.
Dicho de otro modo, la medición implica una interacción entre el observador y los objetos observados que altera las condiciones de estos últimos.
Esto ocurre en todos los casos, por ejemplo, al medir la temperatura del agua de una bañera introducimos un termómetro que alterará precisamente la temperatura que tratamos de medir.
Cuando se trata de fenómenos subatómicos este hecho resulta problemático, porque cualquier alteración, por mínima que sea, resulta significativa. Así, por ejemplo, para conocer exactamente la posición de un electrón debemos iluminarlo con un fotón de luz que, al chocar con él, modificará de manera imprevisible su velocidad.
La superposición cuántica, una de las consecuencias más sorprendentes de la mecánica cuántica, se deriva de las ecuaciones de Schrödinger, que llegan a predecir que dos unidades diferentes y opuestas pueden llegar a superponerse simultáneamente.
La teoría predice que, por ejemplo, si tenemos un naipe y lo colocamos sobre una mesa verticalmente y en equilibrio, la carta caerá simultáneamente de los dos lados.

La Teoría del Caos

La teoría del caos, junto a la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica, constituye el tercer gran paradigma científico actual.
Nace como descripción de ciertos fenómenos de la realidad que, a pesar de poder expresarse mediante una formulación matemática, escapan a la previsibilidad, ya que son muy sensibles a las condiciones iniciales.
Todos ellos se tratan de sistemas dinámicos en los que pequeñas desviaciones en las condiciones de partida derivan en resultados enormemente divergentes.
Se trata, pues, de fenómenos para los que no puede decirse que no exista una ley y, por tanto, que sean completamente aleatorios, pero para los que la existencia de la ley no los hace tampoco completamente predecibles.
El problema radica en que la evolución del sistema que deseamos explicar adquiere una complejidad creciente de forma exponencial hasta el punto de que, pasado cierto tiempo, se hace imposible decir cómo va a continuar en adelante.
La teoría del caos se relaciona con la geometría fractal, pues algunos científicos consideran que es la herramienta adecuada para abordar el estudio de los fenómenos caóticos dado que puede darnos la clave para ver cómo es posible que surja orden a partir del caos.
Cabe mencionar aquí también, la teoría de las cuerdas, en la que se trabaja actualmente con el propósito de unificar la teoría cuántica y de la relatividad.
Se sustenta la idea de que, en lugar de las partículas elementales tal como los conocemos hoy en día, la materia se compone en último término de una especie de filamentos o cuerdas, que vibran.
Por el momento, no hay pruebas físicas que demuestren lo acertado de esta teoría.